用于零件过程控制的热塑性预浸带质量测量

航空航天和汽车工业都对热塑性预浸带的应用感兴趣。正如预期的那样，成品的质量受到层压板原材料质量的显著影响。虽然热塑性预浸带已经使用了几十年，但对质量的推动已经加强，因为许多人寻求原位巩固，而没有进一步的应用压力或热。法国工程和先进的制造R&T组织Cetim(南特，法国)已经开发了一套保证这些材料质量的系统，从而增加了成品的质量控制。

胶带质量是原位加固的必要条件

Cetim已经开发了几种生产热塑性复合材料部件的技术。其中包括用于热塑性预浸带的激光丝缠绕机。该机器的目标是制造罐和管的应用，直到现在，仅限于金属和热固性复合材料。

这种热塑性缠绕工艺基于与热固性纤维缠绕相同的概念，但采用了不同的原位固化步骤。对于热塑性复合材料，激光——例如用于热塑性预浸带的自动纤维放置(AFP)——加热胶带的特定区域，以增加热塑性基体的熔点。在这个熔化温度区域，当基体在鼓的压力下熔化时，磁带得到了巩固。在缠绕过程中，零件的连续层被堆叠和巩固。

然而，在过去的十年中，业界已经发现，为了生产出具有可靠性能和性能的零件，有必要了解这些热塑性胶带的热物理化学行为。例如，胶带必须具有恒定的尺寸和非常低的孔隙率，以避免应用过程中温度波动导致层间固结不良。

因此，为了成功地开发热塑性复合材料工艺，并有效地评估原位固结部件的质量，Cetim在整个制造周期中开发了四种质量保证检查:尺寸(如接收)，热(如加热)，内联(如固结)以及固结后剥离胶带层所需的能量。

尺寸控制

在使用前进行第一次检查。它的目的是快速评估磁带的厚度和宽度沿其长度。试验机配有激光器、捕捉反射激光信号的摄像机和测量卷尺展开长度的传感器。这个过程包括从发货的线轴到一个空线轴上展开磁带。在这一过程中，激光和相机提供横跨磁带宽度和沿其完整测量长度的光数据。处理软件解释数据并显示,实时变化的图带宽度沿x轴和带厚度沿轴(图1)。这使得它可以直观地检测宽度或厚度缺陷,和机器软件自动显示警报当超出尺寸公差。测试完成后，胶带的宽度和厚度变化数据易于检索(见图1表)，也可以进行统计处理。

热和显微控制

第二次检查评估在加热过程中(在这种情况下，是通过激光)影响胶带热行为的缺陷，包括尺寸变化、纤维与基体之间的粘附/分层、孔隙率和表面条件之前制造业。该技术包括在低功率激光器前滚动胶带，并使用热成像摄像机捕捉产生的温度变化的图像。这些加热的不均匀性确定了孔隙率、干燥纤维或表面粗糙度改变局部热行为的缺陷区域。经过数据处理后，可以获得显示磁带热响应的空间表示的图像(图2)，包括偏差，其中红色表示较温暖的区域，蓝色表示比预期处理温度较冷的区域。

也可以显示工艺时间(x轴)与胶带温度(y轴，图2)的曲线图。Cetim将这些结果与胶带截面显微图中的孔隙度测量结果进行了关联。这些是在数码显微镜下观察到的胶带截面和/或最终部分的截面，提供了诸如纤维分布、特定类型的缺陷、孔隙率等定性信息。虽然有助于建立胶带温度响应和零件质量之间的关系，但这些显微检查是昂贵的，具有破坏性的，并且只允许对胶带进行一段一段的分析，而不是对其整个长度进行连续的分析。

然而，Cetim完成了这项调查工作，将磁带的温度响应测试结果与显微切片结果相关联。这些结果表明，这种丰富的控制热塑性磁带的有效性，甚至更有效的数据处理正在开发中。

内联控制

这种控制包括确定正在生产的零件在制造过程中是否直接、内联符合要求。这一操作是基于对基本制造参数的直接监测，如测量的温度、激光功率、磁带速度和对磁带的辊压。数据的数字化处理提供了制造质量的可视化和自动化综合。

CETIM开发了一个仪表盘，在整个制造过程中提供工艺参数的概述。使用MATLAB软件进行数据分析，实现警报阈值，并放大超出范围的区域，以分析偏差的来源(例如，磁带质量，几何不匹配，或机器故障)。

它被认为是特别有效的监控零件的生产与简单的几何形状(例如，一个板，管或环);然而，对于复杂几何形状的零件，生成则更为复杂。

剥离试验

Cetim与试验台专家LF Technologies (Saint-Hilaire-de-Riez, France)合作开发了这一最终检测。它能在短短几分钟内，评估磁带的层间附着力。测量是在被称为“环”的样品上进行的，“环”是由几圈胶带缠绕在一根简单的管子上并就地巩固而制成的。然后把这些固结环放在试验机的左滚筒上(图3)，然后用右滚筒展开。多个参数可以调整，包括速度和剥离角度，后者通过一个手臂与一个滚轮在其末端。一旦测试完成，自动数据处理系统提取剥离能量的变化，并绘制数据曲线图。该测试使最优制造参数的评估相对快速和低成本。

增加产品和过程控制

控制热塑性预浸带的质量使复合材料部件制造商能够控制其产品的质量。在这些控制中，有一种不符合规定的情况可以确定问题的根源，从而有效而迅速地加以纠正。事实上，这些检查提供了一个质量保证流程图:

• 问题是否来自于胶带原材料?
  通过尺寸和热检查与有限的切片显微分析相关联来验证。
• 问题是否来自制造阶段?
  通过在线检验和剥离测试进行验证。

通过这些检查，Cetim可以有效地完成材料基准测试，为给定的应用程序选择最合适的磁带。图4中的表格显示了一个例子，评估了高性能复合材料应用的最佳碳纤维/PEEK胶带。另一个例子仍在进行中，Cetim对未来燃料电池汽车热塑性复合氢储罐开发的低成本胶带的评估。Cetim从事研发项目，评估热塑性塑料相对于目前的热固性复合压力容器的相对优势。Cetim与世界各地的几家公司签订了私人研究协议，开发热塑性原位固化的应用。

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关于作者

Damien Guillon于2009年加入Cetim，他获得了航空工程学位和复合材料碰撞行为博士学位。在成为聚合物和复合材料团队研发经理之前，他曾担任测试实验室经理和复合材料设计专家。

获得机械工程硕士学位后，Yoann Le Friant和Luc Poitevin分别于2018年和2017年加入Cetim，担任研发项目经理。Le Friant目前的工作包括聚合物部件的寿命预测和热塑性胶带的质量控制。他还负责Cetim的材料选择咨询。Poitevin致力于利用热塑性工艺和复杂功能的集成为航天工业开发零部件。