Medição da qualidade da fita termoplástica pré-impregnada para controle do processo de peça

Ambas as indústrias aeroespacial e automotiva estão interessadas em aplicações que usam fitas termoplásticas pré-impregnadas. Como era de se esperar, a qualidade das peças acabadas é significativamente afetada pela qualidade da matéria-prima do laminado. Embora as fitas termoplásticas pré-impregnadas tenham sido usadas por décadas, a busca pela qualidade se intensificou à medida que muitos buscam consolidar no local, sem aplicação adicional de pressão ou calor. A Cetim (Nantes, França), organização francesa de engenharia e manufatura avançada, desenvolveu um sistema de garantia de qualidade desses materiais que, por sua vez, aumenta o controle de qualidade das peças acabadas.

Qualidade da fita necessária para consolidação in-situ

A Cetim desenvolveu diversas tecnologias para a produção de peças compostas termoplásticas. Um compreende uma máquina de enrolamento de filamento a laser para fitas termoplásticas pré-impregnadas. A meta da máquina é fabricar aplicações em tanques e tubos que, até agora, se limitavam a materiais compostos metálicos e termofixos.

Este processo de enrolamento termoplástico é baseado no mesmo conceito do enrolamento de filamento termofixo, mas com uma etapa de consolidação diferente, in-situ. Para compósitos termoplásticos, um laser - como aquele usado com colocação automática de fibra (AFP) de fita termoplástica pré-impregnada - aquece uma área específica da fita para aumentar a matriz termoplástica até seu ponto de fusão. Nesta região de temperatura de fusão, a consolidação da fita é obtida enquanto a matriz é fundida com pressão aplicada por um tambor. Camadas sucessivas da peça são empilhadas e consolidadas durante o enrolamento.

No entanto, como a indústria descobriu durante o desenvolvimento de métodos de colocação automatizados na última década, para produzir peças com propriedades e desempenho confiáveis, é necessário entender o comportamento térmico e físico-químico dessas fitas termoplásticas. Por exemplo, a fita deve ter dimensões constantes e porosidade muito baixa para evitar flutuações de temperatura durante a aplicação que podem resultar em má consolidação entre as camadas.

Assim, para ter sucesso no desenvolvimento de seu processo de compósito termoplástico e avaliar com eficiência a qualidade das peças consolidadas in-situ, a Cetim desenvolveu quatro verificações de garantia de qualidade ao longo de todo o ciclo de fabricação:dimensional (conforme recebido), térmico (como aquecido), embutido ( conforme consolidado) e a energia necessária para separar as camadas de fita após a consolidação.

Controle dimensional

Esta primeira verificação ocorre antes do uso. Seu objetivo é avaliar rapidamente a espessura e a largura da fita ao longo de seu comprimento. A máquina de teste está equipada com um laser, uma câmera para capturar o sinal do laser refletido e um sensor para medir o comprimento desenrolado da fita. O processo consiste em desenrolar a fita do carretel enviado para um carretel vazio. Durante este processo, o laser e a câmera fornecem dados de luz ao longo da largura da fita e ao longo de seu comprimento medido completo. O software de processamento interpreta os dados e mostra, em tempo real, um gráfico da variação da largura da fita ao longo do eixo xe da espessura da fita ao longo do eixo y (Fig. 1). Isso torna possível detectar visualmente defeitos de largura ou espessura, e o software da máquina mostra automaticamente alertas quando as tolerâncias dimensionais são excedidas. Após a conclusão do teste, os dados de variação de largura e espessura da fita são facilmente recuperados (tabela da Fig. 1), e também é possível aplicar processamento estatístico.

Controles térmicos e micrográficos

A segunda verificação avalia os defeitos que afetam o comportamento térmico da fita durante o aquecimento (neste caso, por laser), incluindo mudança dimensional, adesão / delaminação entre fibras e matriz, porosidade e condição da superfície antes fabricação. A técnica consiste em rolar a fita na frente de um laser de baixa potência e usar uma câmera térmica para capturar uma imagem das variações de temperatura geradas. Essas não homogeneidades no aquecimento identificam áreas defeituosas onde a porosidade, fibras secas ou rugosidade da superfície modificam o comportamento térmico local. Após o processamento dos dados, é possível obter imagens que mostram uma representação espacial da resposta térmica da fita (Fig. 2), incluindo desvios, onde o vermelho representa as áreas que estão mais quentes e o azul representa as áreas que estão mais frias do que a temperatura de processamento desejada.

Também é possível mostrar um gráfico de tempo de processo (eixo x) versus temperatura da fita (eixo y, Fig. 2). A Cetim correlacionou esses resultados com a medição da porosidade em micrografias de seções de fita. Estas são seções da fita conforme ela é recebida e / ou seções das partes finais que são observadas em um microscópio digital, fornecendo informações qualitativas, como distribuição da fibra, tipo específico de defeitos, porosidade, etc. Embora útil para estabelecer a correlação entre a temperatura da fita resposta e qualidade da peça, essas inspeções micrográficas são caras, destrutivas e só permitem que a fita seja analisada seção por seção, não continuamente em toda a sua extensão.

No entanto, a Cetim concluiu este trabalho investigativo, correlacionando os resultados do teste de resposta à temperatura da fita com os resultados da seção micrográfica. Esses resultados mostram a eficácia desse rico controle para fitas termoplásticas, e um processamento de dados ainda mais eficiente está sendo desenvolvido.

Controle inline

Este controle consiste em determinar se a peça em produção é compatível diretamente, em linha, durante o processo de fabricação. Esta operação é baseada no monitoramento direto de parâmetros essenciais de fabricação, como temperaturas medidas, potência do laser, velocidade da fita e pressão do rolo na fita. O processamento digital desses dados fornece uma síntese visual e automática da qualidade de fabricação.

A CETIM desenvolveu um painel para dar uma visão geral dos parâmetros do processo durante toda a fabricação. A análise de dados é feita com o software MATLAB e permite a implementação de um limite de alerta, bem como o zoom na área fora do escopo para análise da origem do desvio (por exemplo, qualidade da fita, incompatibilidade geométrica ou mau funcionamento da máquina).

Diz-se que é particularmente eficaz para monitorar a produção de peças com geometrias simples (por exemplo, uma placa, tubo ou anel); no entanto, é mais complexo gerá-lo para peças de geometria complexa.

Teste de peel

Esta verificação final foi desenvolvida pela Cetim em colaboração com o especialista em bancada de testes LF Technologies (Saint-Hilaire-de-Riez, França). Possibilita, em poucos minutos, a avaliação da adesão interlayer das fitas. As medições são feitas em espécimes chamados de "anéis", que são fabricados enrolando e consolidando no local várias voltas de fita ao redor de um tubo simples. Esses anéis consolidados são então colocados no tambor esquerdo da máquina de teste (Fig. 3) e desenrolados com o tambor direito. Vários parâmetros podem ser ajustados, incluindo velocidade e ângulo de desprendimento, o último por meio de um braço com um rolo em sua extremidade. Uma vez que o teste é concluído, um sistema de processamento de dados automatizado extrai a mudança na energia de descasque ao longo da fita desenrolada e faz um gráfico dos dados. Este teste permite uma avaliação relativamente rápida e de baixo custo dos parâmetros de fabricação ideais.

Aumentando o controle do produto e do processo

O controle da qualidade da fita termoplástica pré-impregnada permite que os fabricantes de peças compostas controlem a qualidade de seus produtos. A não conformidade em um desses controles permite determinar a origem do problema e, portanto, corrigi-lo com eficácia e rapidez. Na verdade, essas verificações fornecem uma espécie de fluxograma de garantia de qualidade:

• O problema vem da matéria-prima da fita?
  Verifique por meio de verificações dimensionais e térmicas correlacionadas com a análise micrográfica de seção limitada.
• O problema vem do estágio de fabricação?
  Verifique por meio de inspeção em linha e teste de remoção.

Com essas verificações, a Cetim pode completar benchmarks de materiais com eficiência para selecionar as fitas mais adequadas para uma determinada aplicação. A tabela da Fig. 4 ilustra um exemplo, avaliando a melhor fita de fibra de carbono / PEEK para uma aplicação de compósitos de alto desempenho. Outro exemplo ainda está em processo, a avaliação da Cetim de fita de baixo custo para o desenvolvimento de tanques de armazenamento de hidrogênio composto termoplástico para futuros veículos com célula de combustível. A Cetim está envolvida em projetos de P&D que avaliam as vantagens relativas do termoplástico em comparação com os atuais vasos de pressão compostos termofixos. A Cetim trabalha no âmbito de acordos de pesquisa privados com várias empresas em todo o mundo para desenvolver a aplicação de consolidação termoplástica in-situ.

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Sobre os autores

Damien Guillon ingressou na Cetim em 2009, após obter o diploma de engenharia aeronáutica e o doutorado. sobre o comportamento de colisão de materiais compósitos. Ele trabalhou como gerente do laboratório de testes e como especialista em design de compostos antes de se tornar gerente de P&D da equipe de polímeros e compostos.

Yoann Le Friant e Luc Poitevin ingressaram na Cetim como gerentes de projetos de P&D, em 2018 e 2017, respectivamente, após obter o título de mestre em engenharia mecânica. O trabalho atual de Le Friant inclui previsão da vida de peças de polímero e controle da qualidade da fita termoplástica. Ele também é responsável pela consultoria de escolha de materiais da Cetim. Poitevin atua no desenvolvimento de peças para a indústria espacial utilizando processos termoplásticos e integração de funções complexas.