プラスチック開発と現代生産技術におけるCT

2021年2月22日 |ジーナ・ナウジョカット

シュトゥットガルトにあるプラスチック技術研究所(IKT)は、コンピュータ断層撮影が新素材や積層造形プロセスの開発をどのように支援しているかを示すいくつかの事例を紹介している。

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プラスチック分野における新素材の開発や、積層造形などの新しい生産技術は、過去10年間で急速に進展している。この技術革新に伴い、非破壊検査 X線は品質保証において重要な役割を果たすだけでなく、特に高解像度CTスキャンを用いた研究開発も支援しています。CTスキャンのデータセットと試験対象物の3次元可視化により、材料サンプルを詳細に検査できます。欠陥、多孔性、異物混入の検出に加え、壁厚のばらつき、繊維の配向、発泡体の均質性なども精密に分析できます。これにより、それぞれの製造方法に関する結論を導き出し、それに応じて修正や最適化を行うことができます。

現代の繊維強化プラスチックは、部品の重量を大幅に削減できるという利点があり、航空宇宙産業や自動車産業で広く使用されています。その目的は、燃料消費量の削減、あるいは電気自動車への移行に伴う従来型推進方式から新型推進方式への転換です。一般的な射出成形に加え、非常に複雑な形状の成形や、少量生産および試作品の効率的な製造においては、積層造形が頻繁に用いられています。

部品の安定性と機能性を確保するため、開発および製造段階でコンピュータ断層撮影(CT)が用いられます。CTは内部構造に関する信頼性の高い情報を提供し、さらに得られたデータセットは対応する機能シミュレーションにも利用できます。

シュトゥットガルト大学のプラスチック技術研究所 (Institut für Kunststofftechnik - IKT) は、 Comet 190kVナノフォーカスを備えたYxlon FF20 CT検査システム透過型 チューブ。彼らは、材料や加工技術、新製品開発など、プラスチック技術における数多くの応用分野を研究しています。製造プロセスや様々な材料は、それぞれの用途に合わせて綿密に調査されます。

[視覚化と分析:Amira-Avizoソフトウェア]

溶融成膜造形(FDM): FDM技術は、複雑な部品形状やプロトタイピングに使用される積層造形プロセスです。これらの部品は機械的特性の点で射出成形部品に劣るため、成膜 個々のフィラメントは、製造工程を最適化するための情報を得るために、コンピュータ断層撮影を用いて検査される。

熱溶解積層方式(FDM)

積層複合材:この積層複合材の詳細図は、0°/90°/0°の方向に層状に堆積された連続ガラス繊維の構造を示しています。この製造方法は、金属合金と同等の強度を持ちながらはるかに軽量であるため、航空機、船舶、自動車の部品製造に用いられています。CTスキャン画像では、繊維の配向が明確に確認でき、外部からの影響(衝撃など)による剥離、空隙、変形などを確実に分析できます。

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短繊維強化ポリアミド:この試験片は、超音波溶着された短繊維強化ポリアミドでできています。繊維の配向は、部品の強度を決定する重要な基準です。コンピュータ断層撮影(CT)を用いることで、繊維の配向を三次元空間で完全に決定できます。従来は、完全な三次元ビューを得ることができない非常に複雑な顕微鏡写真を使用するしか方法がありませんでした。この方法は、射出成形部品の最適化(繊維の配向と長さの決定)やプロセスシミュレーションの検証にも適しています。

Fiber-reinforced-Poly

発泡体:発泡体は主に断熱材として使用されますが、軽量構造にも使用されます。製造工程で気孔のサイズと分布を調整することで、それぞれの用途に合わせて最適化できます。これはトウモロコシの粒ほどの大きさの発泡体サンプルです。図1はCTボリューム全体を示しており、図2ではデジタル処理によって気孔が露出しています。画像3ではネガティブビューを使用しています。材料をマスクアウトし、空気領域をカラーで表示して気孔構造を調べます。気孔は内側から外側に向かって小さくなっていることがはっきりとわかります。CTソフトウェアは(他のソフトウェアと同様に)個々の気孔の位置と体積および形状を計算するために使用できます。このデータを使用することで、要件に応じて製造工程を最適化し、機械的特性や断熱特性に影響を与えることができます。

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