プラスチック開発および最新の製造技術におけるCT

2021年2月22日 | Gina Naujokat

シュトゥットガルト大学プラスチック技術研究所(IKT)は、computed tomography(CT)が新材料の開発や付加製造プロセスをどのようにサポートしているか、いくつかの事例を示しながら解説しています。

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プラスチック分野における新材料の開発や、アディティブマニュファクチャリング(積層造形)などの新しい製造技術は、過去10年間で急速に加速しています。この技術的進化に伴い、X線による非破壊検査は、品質保証において重要な役割を果たすだけでなく、特に高分解能のX線CTを用いることで研究開発を強力にサポートしています。CTスキャンのデータセットとテスト対象物の3Dビジュアライゼーションにより、材料サンプルを詳細に検証することが可能です。欠陥、空隙、材料の介在物の検出に加え、肉厚の偏差、繊維の配向、またはフォームの均一性を正確に解析できます。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、それに応じて修正および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には、部品の重量を大幅に軽減できるという利点があり、航空宇宙分野や自動車分野で使用されています。その目的は、モビリティの電動化の流れの中で、燃料を節約すること、あるいは従来の駆動方式から新しい駆動方式へ移行することです。一般的な射出成形プロセスのほか、非常に複雑なジオメトリや、少量生産および試作品のより効率的な製造においては、アディティブマニュファクチャリングが頻繁に使用されています。

部品の安定性と機能性を確保するため、開発および製造の際にはコンピュータ断層撮影 (CT) が使用されます。CTは内部構造に関する信頼性の高い情報を提供し、さらにそのデータセットを対応する機能シミュレーションに活用することができます。

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、190kVナノフォーカス透過型管球を搭載したComet YxlonのFF20 CT検査システムを使用しています。同研究所では、材料や加工技術、新製品の開発など、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。製造プロセスやさまざまな材料について、それぞれの用途に合わせて綿密な調査が行われています。

[ビジュアライゼーションと解析:Amira-Avizo Software]

熱溶解積層法 (FDM):FDM技術は、複雑な部品ジオメトリや試作において使用されるアディティブマニュファクチャリングプロセスです。これらの部品は機械的特性の面で射出成形品にはまだ劣るため、製造プロセスを最適化するための情報を得るべく、コンピュータ断層撮影を用いて各フィラメントの堆積状態を確認します。

熱溶解積層方式(FDM)

積層複合材:積層複合材のこの詳細図は、0°/90°/0°の配向で層ごと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大幅に軽量であるため、航空機、ボート、自動車の構造部品に応用されています。CTボリュームでは、繊維の配向を明確に確認でき、外的な影響(衝撃など)による層間剥離、ボイド、変形について材料を確実におよび信頼性高く解析できます。

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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製です。繊維の配向は、部品の強度を決定する重要な基準となります。コンピュータ断層撮影を使用すれば、3次元ボリューム全体にわたる繊維の配向を完全に把握することができます。従来、これは非常に複雑な組織片観察によってのみ可能であり、完全な3次元ビューを得ることはできませんでした。この手法は、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。

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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。製造プロセスにおける気孔のサイズと分布を調整することで、それぞれの目的に合わせて最適化することができます。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は完全なCTボリュームを示しており、図2ではそれがデジタル的に切り出されて気孔が明らかになっています。画像3ではネガティブビューが使用されています。材料がマスクされ、気孔構造を検証するために空気領域が色分けされて視覚化されています。気孔が内側から外側に向かって小さくなっていることが明確に分かります。CTソフトウェアを使用することで、位置に関連付けた個々の気孔の体積や形状などを計算することができます。このデータを利用して、要件に応じて製造プロセスを最適化し、機械的特性や断熱特性に影響を与えることが可能です。

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