Qualitätssicherung von Thermoplast-Prepreg-Tape für überlegene Bauteil-Prozesskontrolle

Sowohl Luftfahrt- als auch Automobilindustrie interessieren sich für Anwendungen mit thermoplastischen Prepreg-Tapes. Wie zu erwarten, wird die Qualität der Fertigteile maßgeblich von der Rohmaterialqualität für das Laminat beeinflusst. Obwohl thermoplastische Prepreg-Tapes seit Jahrzehnten genutzt werden, hat der Qualitätsdruck zugenommen, da viele In-situ-Konsolidierung ohne weitere Druck- oder Wärmeanwendung anstreben. Die französische Ingenieur- und fortschrittliche Fertigungs-F&E-Organisation Cetim (Nantes, Frankreich) hat ein System zur Qualitätssicherung dieser Materialien entwickelt, das wiederum die Qualitätskontrolle für Fertigteile erhöht.

Tape-Qualität notwendig für In-situ-Konsolidierung

Cetim hat mehrere Technologien für die Fertigung thermoplastischer Composite-Teile entwickelt. Eine umfasst eine Lasergarnwickelmaschine für thermoplastische Prepreg-Tapes. Ziel der Maschine ist die Fertigung von Tank- und Rohranwendungen, die bisher auf metallische und duroplastische Composite-Materialien beschränkt waren.

Dieser Thermoplast-Wickelprozess basiert auf demselben Konzept wie Duroplast-Filamentwickeln, aber mit einem anderen, In-situ-Konsolidierungsschritt. Für Thermoplast-Composites erhitzt ein Laser – wie bei Automatisiertem Faserlegen (AFP) von Thermoplast-Prepreg-Tape – einen spezifischen Bereich des Tapes, um die Thermoplast-Matrix auf ihren Schmelzpunkt zu bringen. In dieser Schmelztemperaturregion wird die Konsolidierung des Tapes erreicht, während die Matrix geschmolzen ist, mit Druck durch eine Walze. Aufeinanderfolgende Lagenschichten werden während des Wickelns gestapelt und konsolidiert.

Wie die Industrie jedoch bei der Entwicklung automatisierter Ablageverfahren im vergangenen Jahrzehnt entdeckte, ist es notwendig, das thermische und physikalisch-chemische Verhalten dieser Thermoplast-Tapes zu verstehen, um Teile mit zuverlässigen Eigenschaften und Performance zu produzieren. Beispielsweise muss das Band konstante Abmessungen und sehr geringe Porosität aufweisen, um Temperaturschwankungen während der Applikation zu vermeiden, die zu schlechter Konsolidierung zwischen den Lagen führen könnten.

Um in seiner Thermoplast-Composite-Prozessentwicklung erfolgreich zu sein und die Qualität von In-situ-konsolidierten Teilen effizient zu bewerten, hat Cetim vier Qualitätssicherungsprüfungen über den gesamten Fertigungszyklus entwickelt: dimensional (im Anlieferzustand), thermisch (beim Erhitzen), inline (bei Konsolidierung) und die Energie, die zum Ablösen von Tape-Lagen nach Konsolidierung erforderlich ist.

Dimensionskontrolle

Diese erste Prüfung erfolgt vor dem Einsatz. Ziel ist die schnelle Bewertung von Banddicke und -breite über die Länge. Die Prüfmaschine ist mit einem Laser, einer Kamera zur Erfassung des reflektierten Lasersignals und einem Sensor zur Messung der abgewickelten Bandlänge ausgestattet. Der Prozess besteht darin, das Band von der angelieferten Spule auf eine leere Spule abzuwickeln. Währenddessen liefern Laser und Kamera Lichtdaten über die Bandbreite und über die gesamte gemessene Länge. Die Auswertesoftware interpretiert die Daten und zeigt in Echtzeit ein Graph der Breitenvariation auf der x-Achse und Dickenvariation auf der y-Achse (Abb. 1). Dies ermöglicht visuelle Erkennung von Breiten- oder Dickenfehlern, und die Maschinensoftware zeigt automatisch Alarme bei Überschreitung von Dimensionstoleranzen. Nach Testende sind Daten zu Breiten- und Dickenvariationen leicht abrufbar (Tabelle in Abb. 1), auch statistische Auswertung ist möglich.

Thermische und mikroskopische Kontrollen

Die zweite Prüfung bewertet Defekte, die das thermische Verhalten des Tapes beim Erhitzen (hier per Laser) beeinflussen, einschließlich Dimensionsänderung, Haftung/Delamination zwischen Fasern und Matrix, Porosität und Oberflächenzustand vor der Fertigung. Die Technik besteht darin, das Band vor einem Niedrigleistungslaser vorbeizuführen und mit einer Wärmebildkamera ein Bild der erzeugten Temperaturschwankungen aufzunehmen. Diese Inhomogenitäten in der Erwärmung identifizieren defekte Bereiche, wo Porosität, trockene Fasern oder Rauheit das lokale thermische Verhalten verändern. Nach Datenverarbeitung lassen sich Bilder erhalten, die eine räumliche Darstellung der thermischen Antwort des Tapes zeigen (Abb. 2), einschließlich Abweichungen, wobei Rot wärmere und Blau kältere Bereiche als die gewünschte Verarbeitungstemperatur darstellt.

Es ist auch möglich, einen Graph von Prozesszeit (x-Achse) versus Bandtemperatur (y-Achse, Abb. 2) darzustellen. Cetim hat diese Ergebnisse mit Porositätsmessungen aus Mikrographen von Bandquerschnitten korreliert. Dies sind Querschnitte des Tapes im Anlieferzustand und/oder Endbauteile, die unter einem Digitalmikroskop betrachtet werden, und liefern qualitative Informationen wie Faserverteilung, spezifische Defekttypen, Porosität etc. Obwohl hilfreich zur Korrelation zwischen Temperaturantwort und Teilequalität, sind diese mikroskopischen Inspektionen teuer, zerstörend und erlauben nur abschnittsweise Analyse, nicht kontinuierlich über die gesamte Bandlänge.

Cetim führte diese Untersuchungsarbeit jedoch durch und korrelierte Ergebnisse des Temperaturantworttests mit Mikrographen-Sektionsergebnissen. Diese Ergebnisse zeigen die Effektivität dieser reichhaltigen Kontrolle für Thermoplast-Tapes, und effizientere Datenverarbeitung wird entwickelt.

Inline-Kontrolle

Diese Kontrolle besteht darin, die Konformität des gefertigten Teils direkt inline während des Fertigungsprozesses zu bestimmen. Basiert auf direkter Überwachung wesentlicher Fertigungsparameter wie gemessene Temperaturen, Laserleistung, Bandgeschwindigkeit und Walzendruck auf dem Band. Die digitale Verarbeitung dieser Daten liefert eine visuelle und automatische Synthese der Fertigungsqualität.

CETIM hat ein Dashboard entwickelt, das einen Überblick über die Prozessparameter während der gesamten Fertigung gibt. Datenanalyse erfolgt mit MATLAB-Software und ermöglicht Implementierung von Alert-Schwellenwerten sowie Zoom in den Out-of-Scope-Bereich zur Analyse der Abweichungsursache (z. B. Bandqualität, geometrische Ungereimtheit oder Maschinenfehlfunktion).

Besonders effektiv soll dies für die Überwachung der Produktion von Teilen mit einfachen Geometrien (z. B. Platte, Rohr, Ring) sein; für komplexe Geometrien ist die Erstellung aufwendiger.

Ablösetest (Peel Test)

Diese finale Prüfung wurde von Cetim in Zusammenarbeit mit Prüfstand-Spezialist LF Technologies (Saint-Hilaire-de-Riez, Frankreich) entwickelt. Sie ermöglicht in wenigen Minuten die Bewertung der Zwischenschichthaftung der Tapes. Messungen erfolgen an Proben, sogenannten „Ringen“, die durch Wickeln und In-situ-Konsolidieren mehrerer Bandrunden um ein einfaches Rohr hergestellt werden. Diese konsolidierten Ringe werden auf die linke Trommel der Prüfmaschine gelegt (Abb. 3) und mit der rechten Trommel abgewickelt. Mehrere Parameter sind einstellbar, einschließlich Geschwindigkeit und Ablös Winkel, letztere über einen Arm mit Rolle am Ende. Nach Testende extrahiert ein automatisiertes Datenverarbeitungssystem die Änderung der Ablöseenergie über die abgewickelte Bandlänge und graphiert die Daten. Dieser Test ermöglicht eine relativ schnelle und kostengünstige Bewertung optimaler Fertigungsparameter.

Produkt- und Prozesskontrolle steigern

Die Kontrolle der Qualität von Thermoplast-Prepreg-Tape ermöglicht Composite-Teileherstellern die Kontrolle ihrer Produktqualität. Nicht-Konformität in einer dieser Kontrollen erlaubt die Bestimmung der Problemursache und damit effektive und schnelle Korrektur. Diese Checks bieten eine Art Quality-Assurance-Flowchart:

• Kommt das Problem vom Tape-Rohmaterial?
  Verifizieren durch Dimensions- und Thermische Checks korreliert mit begrenzter mikroskopischer Sektionsanalyse.
• Kommt das Problem vom Fertigungsstadium?
  Verifizieren durch Inline-Inspektion und Peel-Testing.

Mit diesen Checks kann Cetim effizient Materialbenchmarks durchführen, um die am besten geeigneten Tapes für eine gegebene Anwendung auszuwählen. Die Tabelle in Abb. 4 illustriert ein Beispiel: Bewertung des besten Carbonfaser/PEEK-Tapes für eine High-Performance-Composite-Anwendung. Ein weiteres Beispiel läuft noch: Cetims Evaluation von Low-Cost-Tape für die Entwicklung thermoplastischer Composite-Wasserstoffspeichertanks für zukünftige Brennstoffzellenfahrzeuge. Cetim engagiert sich in F&E-Projekten, die die relativen Vorteile thermoplastischer gegenüber aktuellen duroplastischen Composite-Druckbehältern bewerten. Cetim arbeitet im Rahmen privater Forschungsvereinbarungen mit mehreren Unternehmen weltweit an der Entwicklung von Thermoplast-In-situ-Konsolidierungsanwendungen.

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Über die Autoren

Damien Guillon trat 2009 Cetim bei nach Luftfahrtingenieurstudium und Promotion zum Crashverhalten von Composite-Materialien. Er arbeitete als Leiter Prüflabor und Composite-Design-Experte, bevor er F&E-Leiter des Polymer- & Composite-Teams wurde.

Yoann Le Friant und Luc Poitevin traten 2018 bzw. 2017 als F&E-Projektmanager bei Cetim ein nach Masterabschlüssen in Maschinenbau. Le Friants aktuelle Arbeit umfasst Lebensdauervorhersage von Polymerteilen und Kontrolle der Thermoplast-Tape-Qualität. Er leitet auch Cetims Materialauswahl-Beratung. Poitevin arbeitet an Teileentwicklung für die Raumfahrt mit Thermoplast-Prozessen und Integration komplexer Funktionen.