Tepex® 熱可塑性複合材料

Tepex®コンポーネントのコンピューター支援エンジニアリング(CAE)は、開発期間の短縮、費用対効果の高い生産プロセス、および負荷ケースに最適化されたコンポーネント設計を実現するために不可欠です。このプロセスでは、設計は、製造プロセスとコンポーネントの機械的挙動の両方、および生産とコンポーネント特性の間の相互作用に特に関連しています。

異方性、つまり方向依存性は、設計プロセスにおける半製品の最も重要な物性です。補強布の形態は、引張圧縮の非対称性、貫通面(層構造)の観点からの位置への依存、および製造プロセスではドレープ性を引き起こします。マトリックス特性は、温度、場合によっては含水率依存性、および荷重の種類に応じて時間依存のクリープを引き起こします。また、層構造により、引張り特性と曲げの間に比較的大きな差が生じます。

製造プロセスとコンポーネントの動作の両方を、標準のFE手法と計算プログラム(ソルバー)を使用して非常に効果的に特性評価でき、使用するモデルベースのアプローチ、基礎となる測定データの範囲、および計算する特定の側面に応じて、精度と予測品質が得られます。

製造プロセス、結果として生じる繊維配向、および破壊挙動に至るまでのコンポーネント特性を十分に予測するために、参照される特性と影響を特徴付け、Tepex®コンポーネントの開発プロセスで直接使用できるFEソルバーABAQUSベースのツールを開発しました。これらのFEツールは、方向依存の引張り試験(時には高い膨張率)と、さまざまなシェアおよび曲げ試験を使用して計算された材料データを使用します。

図1:3点曲げ試験 における応力分布と変形

ドレープシミュレーション

成形シミュレーションとドレープシミュレーションは、互いに独立した 2 つの目的を果たします。

• ファブリック内の局所的な繊維配向とシェア角の分布を決定します。これらは、異方性材料の挙動を考慮に入れるために機械的計算で必要です。この計算は、プロジェクトの初期段階のコンセプトフェーズで、さまざまなコンセプト提案を機械的に分析するために必要になることがよくあります。したがって、繊維配向のシミュレーションは迅速かつ簡単に実行し、現時点ではまだ利用できない金型の会社概要に必要な情報をできるだけ少なくする必要があります。これを行うために、特定のTepex®ジオメトリに関連するブランクと配向の分布を非常に迅速に(約1時間)決定するFEベースの計算方法を使用します。このプロセスは正確ではありませんが、一般的に十分に正確です(ワンステップドレープ)。
• ブランク形状、金型形状、スライド、保持針、ハンドリングシステムなどを考慮したドレーププロセスの完全な表現。ここでのタスクは、プロセスをマッピングし、早い段階でエラーを特定し、改善のための提案を作成し、プロセスの信頼性を評価することです。この場合、繊維配向の計算はやや背景にあります。完全なドレープ スタディは、コンポーネント ジオメトリが基本的に固定されており、金型データがすでに利用可能(少なくとも金型表面の場合)に、ある程度の柔軟性がまだ存在する場合に理想的に実行されます。

Tepex®コンポーネントのドレープのためのシミュレーションモデルは、FEソルバーABAQUSに基づいています。熱可塑性ファブリックベースの複合材料はプラスチック熱成形を許可せず、代わりにフラットモールドからのファブリックシェアひずみ(トレリス効果)の結果としてコンポーネントの3次元形状に追加されるという事実を考慮に入れています。成形に必要なシェア効果が大きすぎて繊維同士がロックすると、材料が法線方向に切り替わり、シワが発生します。この効果は、計算モデルでも再現できます。

図2:モックアップ部品    のシェア角分布

統合シミュレーション

当社のTepex®用複合材料モデルは、ワンステップドレーププロセスで部品形状に対して決定された繊維配向と組み合わせることで、部品の剛性、強度、衝突特性、振動特性の非常に効果的な事前計算を可能にします。このツールは、純粋なTepex®コンポーネントと、インサート成形、ハイブリッド成形、またはフロー成形を使用して製造されたコンポーネントの両方に使用できます。したがって、設計者は、コンピュータの段階で、例えば、肉厚を厚くしたり、リブを補強したりするなどして、部品の弱点に対応することができます。

どちらのツールも、フロントエンドのアッパーベルト、ブレーキペダル、エアバッグハウジング、シートシェル、インフォテインメントブラケット(車両のサウンドシステムの耐荷重構造)など、数多くのプロトタイプおよび量産コンポーネントの開発において、その適合性と精度が証明されています。

図3:図は、Tepex®ハイブリッドコンポーネントの統合シミュレーションに対する主な影響を示しています

冷却挙動のシミュレーション

Tepex®の成形シミュレーションと新しい材料モデルを、成形中の加熱Tepex®での熱プロセスのシミュレーションもサポートするモデリングアプローチで補完しました。このシミュレーションモデルにより、例えばスライド下の凹凸冷却や、温度に依存する材料挙動から結果ドレープ性への逆の影響を調べることができます。

このシミュレーションプロセスは、加熱プロセスと熱条件すべてのに関する正確な情報を必要とし、等温アプローチよりもはるかに複雑であるため、通常、非常に具体的な質問や問題の分析にのみ使用されます。

Tepex®コンポーネントの独立設計

共同開発プロジェクトでは、統合シミュレーションを使用して、コンポーネントの開発をお客様にサポートします。しかし、お客様が独自のCAEワークフローの一部としてTepex®で新しいアプリケーションを設計するために使用できるツールを提供することも重要です。そのために、 

• 材料モデルは、e-Xstreamの商用プログラムDigimat用に検証され、データが入力されています。お客様は、このプログラムをさまざまな計算プログラムと組み合わせて使用できます。Digimatソリューションを使用するには、適切なプログラムライセンスが必要です。
• LS-Dyna(MAT 58)の標準材料モデルが特定され、さまざまな設計上の問題に効果的に対処できます。
• 使用されるコードに関係なく簡単な剛性解析を可能にする線形材料データセットは、ほとんどのTepex®グレードで提供されています。

すべてのメソッドでは、材料パラメータの予備が拡張されています。すべてのケースでは、たとえば、専門家がワンステップドレーププロセスを使用して計算し、指定された計算モデルで使用できる配向分布を保存する必要があります。

開発チェーン全体に沿ったサービス

当社の専門家チームは、材料、複合技術、シミュレーション方法、コンポーネントテスト、加工、製造に関して当社が保有する完全なノウハウを提供します。私たちは、この専門知識をお客様とのパートナーシップに導入しています。Tepex®のサービスには以下が含まれます。

• 部品要件を考慮した材料選択の支援
• インサート成形、ハイブリッド成形、フロー成形用のカスタマイズされたポリマーグレードの提供
• 機械的構造解析とコンポーネント設計のための材料パラメータを決定するための材料試験
• Tepex®の成形(ドレープ)シミュレーション
• 連続繊維複合材部品の荷重最適化設計のための統合シミュレーション
• 完全に自動化された生産品質デモセルでお客様の製造プロセスを再現し、プロセスパラメータを決定し、品質管理と改善を行います
• 機械的部品や気候変動試験などの部品試験

Tepex®複合材の切断

ブレードカット

• 長方形のブレードカッティングや、ロールツーロールの縦方向のカッティングを提供しています。

ウォータージェット

• 大量生産のハイブリッド成形では、ネット形状のプレカットが必要です。これらの高度に自動化されたプロセスでは、お客様のために特別に計算された輪郭カットを提供します。非常に細かい水のジェットが4000バールの圧力でTepex®オルガノシートを切断します。必要に応じて砥粒入りの切削砂を添加して、切削性能をさらに向上させることができます。2Dカット輪郭は、部品を巧みに配置して入れ子にすることで、切断速度の最適化と無駄の最小化を含むCADで提供されます。
• 研磨切断からの切断砂とPPおよびPA6に基づくすべての端材の両方が100%リサイクルされています。Tepex®オフカットのリサイクルの詳細については、サステナビリティのセクションをご覧ください。
• 当社のウォータージェット切断システムは、ダウンタイムをできるだけ短くするように設計されています。各機械を2つの独立した作業エリアに分割することで、片側をセットアップし、もう片側を切断することができます。また、複数のシートを重ねてカットすることもできます。これにより、切断パスあたりの切断回数が増加し、ウォータージェット切断が非常に効果的なプロセスになります。

Tepex® オルガノシート – 連続生産プロセス

当社のTepex®複合材料は、高度に自動化された連続的な生産プロセスで完全または部分的に統合されています。しかし、なぜ完全な統合がそれほど重要なのでしょうか。

• 圧密品質が低い(ボイド含有量が増加する)と、ほとんどすべての機械的特性が大幅に低下します。特に、完全圧密は疲労とシェア強度の限界を指数関数的に増加させます。
• 品質の面では、明確に定義された完全な統合により、顧客は簡単で安全な収入品質検査を行うことができます。半製品の特定の特性は、最終製品の特性と同じです。

完全な統合を実現するには?

• 繊維構造を粘性熱可塑性溶融物で完全に含浸および強化するためには、一定の圧力を一定時間加えなければならない。この時間は、部分的に統合された半製品の統合が加熱された金型で行われる場合、いくつかの分を簡単に超えることができます。これに対する私たちの答え:部品製造のサイクルタイムを大幅に短縮する完全含浸シートを提供します!

Tepex® 生産技術で品質と経済性を最大化

• ボンドラミネートでは、ダブルベルトプレスを使用して、完全に連続的なプロセスで有機シートを製造しています。この目的のために、プラスチック製品と繊維製品、主に布地がロールからプレスに供給されます。機械の最初のセクションでは、ダブルベルトプレスの加熱されたスチールベルトと接触することにより、ポリマーが圧力下で溶融されます。
• 2番目のセクションでは、等圧圧力分布により、プラスチック溶融物が繊維構造に流れ込むことが保証されます。溶融ゾーンの長さは、個々のフィラメントがプラスチックでコーティングされていることを確認するのに十分な時間を材料に与えます。 
• ダブルベルトプレスの第3ゾーンは、主に有機シートの最終品質に関与しています。 ここで、対応する厚さは、再び固体状態になるまで継続的な圧力下で材料を冷却することによって較正される。ダブルベルトプレスを出た後、自動エッジトリミングが行われ、プロジェクト固有のシート寸法を切断できます。

Tepex®ダイナライトのインサート成形

成形および戻る成形部品を得るために、Tepex®インサートは最初のステップで熱成形され、別の別のステップで戻る成形またはオーバーモールドすることができます。2番目のステップでは、プリフォームを再度加熱する必要があります。

Tepex®ダイナライトのハイブリッド成形

ハイブリッド成形は、2段階プロセスに代わる経済的な方法を提供します。有機シートを成形し、射出成形金型で一緒に射出します。成形部品をワンステップで製造するために、半完成品の複合シートは、最終的な輪郭に近似するブランクとして提供されます。この方法では、非常に短いサイクルタイム<60秒を達成できます。

Tepex® FLOWCOREの圧縮成形

肉厚の異なる複雑な部品形状は、フロー成形に特に適しています。Tepex®フローコアは、有限の繊維長で補強されているため、フロー成形に適しています。これにより、リブや機能要素の形状が可能となります。さらに、フロー成形は非常に高い再現性と短いサイクルタイムを特徴としています。

Tepex®のハイブリッド圧縮成形

LFTまたはTepex®フローコアの圧縮成形と予熱された複合シートを組み合わせることにより、大型で非常に強力で歪みのない部品の製造が可能になります。このようにして製造された部品の主な特徴は、非常に高い耐衝撃性です。

よりサステナブルな用途のための軽量化

私たちにとって、サステナビリティとは、リサイクルまたはバイオベースの原材料以上のものであり、私たち自身の材料のリサイクルオプションを特定すること以上のものを意味します。私たちは、この複雑な問題、特にプラスチック製品業界別ソリューション全体に取り組むよう努めています。

より持続可能な未来への道は、資源とエネルギーの意識的かつ経済的な使用に大きく基づいています。軽量構造は、材料を節約し、移動や加速に必要なエネルギーを減らすための非常に効果的な方法です。

20年以上前、Tepex®オーガニックシートの開発者は、優れた機械的特性と低密度を1つの材料に組み合わせることに着手しました。その結果、軽量構造の指針となる原則に常に焦点を当てながら、幅広い要件に合わせて調整できる汎用性の高い材料ファミリーが誕生しました。

Tepex®の機械的リサイクル

Tepex®オルガノシートなどの熱可塑性マトリックス材料は、加工とサービス終了時のリサイクルの両方で多くの利点を提供します。

産業廃棄物、主にTepex®加工端材のトリムには、廃棄物を粉砕し、半完成シートのオーバーモールドに使用したり、従来の射出成形に使用したりする実用的なリサイクルコンセプトがすでに存在します。すでに今日、このプロセスはPPおよびPA GF複合材の産業廃棄物に使用されています。繊維とマトリックスは分離されないままです。このプロセスは、PP-GF複合材料の一部として経済的および生態学的に調査および評価されました。 ReproOrgano(リプロオルガノ) プロジェクト。

再生可能な原材料

リサイクルの循環プロセスとエネルギー効率の向上に加えて、再生可能な原材料は、生産の過程で二酸化炭素を結合するため、温室効果ガスの排出量を削減する魅力的な方法を開きます。

亜麻などの再生可能繊維とポリ乳酸(PLA)などの同様に再生可能なマトリックス材料を組み合わせることで、CO2 フットプリントを可能な限り削減し、会社概要は従来のPC(ポリカーボネート/GFシステム)の1/3になります。

加工時のエネルギー効率

Tepex®オルガノシートの加工には、繊維強化材の種類、材料の厚さ、繊維の長さと複雑さ、またはコンポーネントの特定の要件に応じて、幅広いオプションがあります。オーダーメイドの加工方法は、それぞれの場合に最大の信頼性、プロセス効率、およびエネルギー効率を提供します。

軽金属、熱硬化性および熱可塑性ベースの複合材料のさまざまな加工方法を比較すると、Tepex®によって可能になる統合度の増加は、プロセスの大幅な簡略化に関連していることが明らかになります。個々のプロセスステップ間の汚染のリスクは、特に研削や研磨などの加工後の操作が排除された場合に、それに応じて減少します。

これは、たとえば、コンピューターや携帯電話の精巧に塗装されたハウジング部品にとって重要です。プロセスステップが少ないということは、機械や装置の製造労力が少なくなり、冷却と加熱を繰り返す必要がなくなるため、エネルギーバランスも向上します。

クリーンスイープ操作

マイクロプラスチックは現在、世界中のすべての環境で検出可能です。世界の海には、すでにプランクトンよりも多くのマイクロプラスチックが存在すると推定されています。砂漠でも、北極圏でも、エベレストでも、農地でも、空気中でも、すでにかなりの量のマイクロプラスチックがいたるところで見つかっています。プラスチック粒子は、魚、魚介類、塩、蜂蜜などの食品にも見つかっています。

その責任は私たち一人一人にあります。環境中のマイクロプラスチックの多くは、タイヤの摩耗や合成繊維で作られた衣類の洗濯によって生成されます。

しかし、プラスチック製品加工業界別ソリューションもその責任を認識しています。プラスチック製品ヨーロッパ(27の加盟国から100を超えるメンバー企業がヨーロッパのプラスチックの90%以上を生産するプラスチック製品生産者の協会)がオペレーション に参加しましたクリーンスイープ (OCS)をクリックします。これは、プラスチックペレットの生産による環境汚染を防ぐための世界的なキャンペーンです。

OCSは、既存の環境マネジメント認証に加えて、要件を満たしていれば取得できる認証です。まず、プログラムとその要件に正式にコミットする必要があります。そして、私たちは自分自身を批判的に精査し、小粒子プラスチック(顆粒/粉末)が生産プロセスで環境内のどこに行き着く可能性があるかを確認し、これを防ぐメカニズムを見つける必要があるため、作業が始まります。

エンバリオの宣言された目標は、世界中のすべてのサイトが2024年末までにOCS監査に合格することです。