Combineren van AC en DC Dielectrische Sensoren voor Precieze Composiet Uithardingsmonitoring

Lambient Technologies Geschiedenis

Ik heb geschreven over uithardingsmonitoring via AvPro's (Norman, Oklahoma, VS) ThermoPulse microwire sensoren, die het in zijn cure management systemen wil gebruiken en ook over Synthesites' (Uccle, België) direct current (DC) dielectrische sensoren voor in-situ monitoring en real-time Tg evaluatie. In deze blog zal ik Lambient Technologies (Cambridge, Massachusetts, VS) en hun geschiedenis in alternating current (AC) dielectrische sensoren alsook hun laatste LT-440 instrument bespreken dat AC en DC dielectrische analyse (DEA) combineert. "Beide technologieën hebben voordelen en nadelen," zegt Lambient founder Huan Lee. "Het combineren van AC en DC metingen biedt het breedst mogelijke aantal tools voor R&D, kwaliteitscontrole en in-situ monitoring tijdens productie."

Lambient Technologies Geschiedenis

Lee was in een R&D groep bij MIT die uithardingsmonitoring ontwikkelde in de jaren 80. Hij richtte een spin-off op, Micromet Instruments, in 1982 om deze technologie te commercialiseren. Micromet werd meerdere keren overgenomen. In 2001, nam NETZSCH (Selb, Duitsland) Holometrix Micromet over envoegde het samen met NETZSCH's wereldwijde Thermal Analysis business.

Echter, Lee voelde dat Netzsch de technologie niet voldoende ontwikkelde, dus verliet hij de Micromet business unit en co-fondeerde Lambient Technologies in 2008 met Steve Pomeroy, een lead engineer van Micromet Instruments. "Nadat ik vertrok, ontwikkelde Netzsch de Epsilon 288, wat een goed instrument is voor uithardingsmonitoring," zegt Lee. "Echter, Netzsch is een groot bedrijf en DEA is een kleine markt voor hen. Ons voordeel bij Lambient Technologies is een unieke diepgte van kennis door mijn rol als een van de oorsprongers van de technologie." Hoewel harsen en composieten een sleutelgebied voor het bedrijf blijven, richt het zich niet op één specifiek type industrie, zegt Lambient Technologies director of marketing Maria S. Lee. "We werken met fabrikanten van nagellak, tandheelkundige materialen en lijmen alsook fabricanten van composiet windturbinebladen en medische implantaten."

Lambient Technologies sensoren en instrumenten worden gebruikt voor het monitoren van de dielectrische eigenschappen van uithardende thermohardende polymeren inclusief epoxy, acrylate, polyurethane, polyester, polyimide en polyamide materialen, UV-cure polymeren, alle typen molding compounds alsook verf, coatings en vezel-versterkte composieten. Hun oplossingen geven inzicht in formulering, reactiesnelheid, viscositeit en uithardingstoestand. Ze worden gebruikt voor het bestuderen van polymere materialen en voor het optimaliseren van productieprocessen. Ze kunnen gebruikt worden om polymere productie te managen met batch reactievaatjes en composietfabricatie met ovens, autoklaven, pressen en pultrusiesystemen.

De Wetenschap van DEA

Dielectrische analyse, of DEA, is een thermische analysetechniek als differentiele scanning calorimetrie (DSC) en dynamische mechanische analyse (DMA) legt Huan Lee uit, "maar het kan analyse in situ leveren met behulp van sensoren om de elektrische eigenschappen van het materiaal onder test te meten. In elke thermohardende hars gebeuren twee dingen. Ionen stromen, maar dit wordt belemmerd door de strakheid van het moleculaire netwerk wat gelijk is aan de uithardingstoestand. Stromende ionen leveren een frequentie-onafhankelijke reactie op een elektromagnetisch veld of signaal. De tweede activiteit binnen de hars is de rotatie van positieve en negatieve dipolen in reactie op hetzelfde elektromagnetische veld of signaal. Echter, deze reactie hangt af van de frequentie van het elektromagnetische veld. Het scheiden van deze frequentie-onafhankelijke en -afhankelijke fenomenen is cruciaal om de uithardingstoestand te onderscheiden."

In vloeibare hars, is de weerstand aan ionenstroom laag, zegt Lee (zie Ongecureerde Thermohardende in diagram bovenaan). "Naarmate de hars uithardt, gaat de weerstand omhoog. Aan het einde van de uitharding, is de weerstand aan ionenstroom erg groot." DEA meet een polymere weerstand (gerapporteerd als resistiviteit) en capaciteit (gerapporteerd als permittiviteit). Resistiviteit bevat zowel de frequentie-onafhankelijke ionenstroom als frequentie-afhankelijke dipoolrotatie componenten. Frequentie-onafhankelijke resistiviteit is bekend als ionviscositeit (zie grafiek onder) en correleert met de harsviscositeit voor gelatie en met de modulus na gelatie.

Hoewel er geen dielectrisch evenement is dat het punt van gelatie identificeert, is uitharding gemakkelijk geïdentificeerd waar de verandering van ionviscositeit met tijd (helling) naar nul benadert. "Gelatie is een mechanisch evenement," legt Lee uit, "dus, dielectrische eigenschappen van de hars helpen niet. Echter, het treedt op nabij de maximale reactiesnelheid wat gelijk is aan de piekhelling. Aan het einde van de uitharding, besluit de gebruiker wat volledig gecureerd is (gebaseerd op het materiaal en de toepassing) en identificeert dan de helling waarop dit optreedt. Dit is veel betrouwbaarder dan het gebruik van een vaste tijd en temperatuur."

DEA Systeemelementen

Lambient Technologies DEA systemen omvatten een paar essentiële elementen. Metingen worden gemaakt met dielectrische sensoren, die een temperatuursensor zoals een thermocouple omvatten. "Dielectrische eigenschappen veranderen met uitharding en temperatuur," merkt Lee op. De sensoren zijn bekabeld in de monitoringapparatuur die verbonden is met een laptop die Lambient's CureView data acquisitie- en analysesoftware draait.

Lambient Technologies dielectrische sensoren kunnen permanent of eenmalig zijn. Permanente sensoren zijn ingevormd in vormen of pressen en kunnen hergebruikt worden. Ze bestaan typisch uit een of meer metallische elektroden ingebed in een keramisch substraat, een thermocouple en een afdekbuis, die vaak roestvrij staal is. Deze sensoren variëren typisch van 0,25-inch tot 1-inch in diameter en kunnen gebruikt worden tot 250°C. Eenmalige sensoren worden op een deeloppervlak gebruikt en bestaan uit een array van elektroden gebonden op een dunne (100 micrometer), flexibele Kapton substraten. Ze kunnen gebruikt worden tot 350°C. Lambient levert Varicon eenmalige sensoren die 38 centimeter lang zijn en Mini-Varicon sensoren die 3,8 centimeter lang zijn.

Lambient Technologies heeft ook een verscheidenheid aan monitoringapparatuur. "We begonnen met de LT-451 Dielectric Cure Monitor lab-grade systeem, wat erg gevoelig was en veel flexibiliteit bood," zegt Steve Pomeroy, Lambient Technologies co-founder en lead in softwareontwikkeling. "Onze klanten hadden een systeem specifiek gericht op QA/QC en productie nodig, dus we ontwikkelden de LTF-631 High Speed Dielectric Cure Monitor. Elke LT-451 of LTF-631 heeft tot vier kanalen en elk kanaal heeft één dielectrische en één thermocouple input. We ontwikkelden ook de LT-439 Dielectric Channel specifiek voor QA/QC en productie. Het is goedkoper en stelt meerdere instrumenten op één seriële link in voor grote objecten zoals een vleugel of windturbineblad. Het is vergelijkbaar met de LT-451 maar heeft slechts één kanaal per unit." Hij schat dat 30% van Lambient Technologies instrumenten gebruikt wordt voor R&D, 50% voor QA/QC en 20% voor productie.

AC en DC Uithardingsmonitoring

"We gebruiken primair AC metingen," merkt Lee op, "wat betekent dat de signaalspanning oscilleert. De optimale frequentie nodig om de uithardingstoestand te meten hangt af van waar je in het uithardingsproces bent. Hogere frequenties zijn goed aan het begin, maar lagere frequenties zijn beter aan het einde van de uitharding, wanneer het materiaal een veel hogere modulus heeft."

"Maar we kunnen ook DC gebruiken," gaat Lee verder, "wat een vaste spanning toepast (frequentie = 0) en de stroom alleen in één richting dryft — dus dit is simpeler. AC en DC metingen stemmen goed overeen aan het einde van de uitharding, maar DC metingen kunnen problemen veroorzaken aan het begin van de uitharding. Tegenovergesteld, AC metingen aan het einde van de uitharding voor de meeste thermohardende materialen en composieten zijn prima, maar kunnen te lang duren voor bepaalde hoge-weerstand materialen." Dit is omdat AC metingen aan het einde van de uitharding, wanneer thermohardende materialen het hoogst in weerstand zijn, het best genomen worden bij lagere frequenties. "Als je een frequentie van 1 hertz gebruikt, vereist meting bij 3 cycli 3 seconden," legt Lee uit. "Maar als je geschikt lage frequenties van 0,1 of 0,01 hertz gebruikt, vereist meting 30 of 300 seconden, respectievelijk. Dus, hier is waar DC erg nuttig is omdat de meting bijna direct is. Zowel AC als DC metingen hebben voordelen en nadelen."

"Het probleem met DC metingen aan het begin van de uitharding lijkt gebonden aan electrochemische weerstand," zegt Lee. Zoals uitgelegd in de Lambient Technologies publicatie, "Technical Overview 3.04 – AC and DC Cure Monitoring", lijkt er een electrochemische reactie te gebeuren in de hars tijdens DC meting die weerstand toevoegt. Dit neemt af naarmate het materiaal uithardt, wat de discrepantie tussen AC en DC metingen vermindert.

AC dielectrische sensoren kunnen meten door vacuumzakken en losfilms heen, zoals getoond in de blauwe film over een sensor ingevormd in een persplaat aan de onderkant.

Voor AC metingen, is er een fenomeen genaamd elektrodepolarisatie wat een blokkerende laag over sensor elektrodes kan creëren tijdens vroege uitharding. Dit kan abnormaal hoge schijnbare ionviscositeiten veroorzaken (zie Fig. 4-4 en 4-5) maar neemt af met toenemende frequentie en is geen kwestie voor metingen genomen op 1 tot 10 kilohertz. Echter, het is mogelijk om accurate informatie over uitharding wiskundig te herstellen met een grenslaagcorrectie ook wel elektrodepolarisatiecorrectie genoemd.

Een ander sleutelkwestie is dat AC signalen door isolatoren kunnen passeren, zoals vacuumzakken en losfilm, maar dergelijke isolatoren blokkeren DC signalen. Dit is dus een kwestie geweest voor DC metingen, die een gat vereisten om te snijden zodat de DC sensor in contact kan zijn met het polymere. "Dus dit is waar het gebruik van AC meting nuttig is omdat je een sensor bijna overal kunt plaatsen en het kunt herpositioneren of een array van sensoren kunt gebruiken om harsstroomfront en uitharding te detecteren zonder de films en hulpmaterialen te beïnvloeden," zegt Lee.

DEA Gebruik en Case Histories

Lambient Technologies bewerkt dat zijn instrumenten makkelijk te gebruiken zijn. "Je positioneert de sensoren om je materiaal te monitoren, plug de sensorkabels in het instrument, start je verwerking en draai de software," zegt Pomeroy. "De software stelt een standaardtest in voor 5-minuten epoxy om te bevestigen dat de apparatuur correct werkt. We leveren deze epoxy, testsensoren en een quick-start gids die de gebruiker door deze test leidt, stap-voor-stap. We bieden ook één dag training."

Lee merkt op dat Lambient met klanten werkt om ervoor te zorgen dat ze de apparatuur en kennis hebben die ze nodig hebben. Bijvoorbeeld, hoe beveilig je sensoren voor de pers? Wat is de optimale frequentie om te gebruiken? "Voor veel materialen kun je één frequentie vinden die de uitharding van begin tot einde karakteriseert. Voor andere materialen, kunnen er twee frequenties zijn die beter werken. Bijvoorbeeld, een hogere frequentie aan het begin en een lagere frequentie aan het einde wanneer het materiaal op zijn hoogste weerstand aan ionenstroom is. Het is een kwestie van trial and error. Het leuke aan de LT-451 is dat je meerdere frequenties tegelijk kunt testen om te bepalen welke optimaal is voor het materiaal."

"We hebben uitgebreide applicatienotities op de meeste materialen," voegt Pomeroy toe. "We hebben ook een 300-pagina handboek over DEA en uithardingsmonitoring gepubliceerd, wat online beschikbaar is op onze website, alsook veel andere praktische bronnen. Dat is wat uniek is aan ons. We zijn erg transparant over de wetenschap zodat gebruikers kunnen begrijpen wat er gebeurt."

Een voorbeeld van een QA/QC case history is Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, VS) een fabrikant van sheet molding compound (SMC) en gemoldede SMC onderdelen. "Ze testen elke batch SMC," zegt Lee. De processtappen omvatten: Pers voorverwarmen tot testtemperatuur; Pers openen; SMC met gespecificeerd gewicht plaatsen; Pers sluiten en data acquisitie starten; Ionviscositeitscurves worden geproduceerd waaruit Critical Points 1 tot 4 geëxtraheerd worden en data gelogd. "Dit wordt voor elke batch gedaan om te zorgen dat de materialen voldoen aan specificaties en zullen uitharden zoals verwacht."

Een voorbeeld van een productie case history betreft een Japanse circuitchipfabrikant die epoxy molding compound gebruikt. "Ze gebruiken sensoren in de vorm voor hun epoxy molding compound pers," zegt Lee. "Ze monitoren wanneer het materiaal de vorm binnenkomt en verlaat, wat de vultijd is, en hoe het uithardt tussen die twee punten om te garanderen dat het consistent gecureerd is. Ze analyseren materiaaleigenschappen voor onder-uitharding of over-uitharding, wat de fabricageerbaarheid van het geïntegreerde circuitpakket beïnvloedt. Er is een erg smal venster van viscositeit tijdens vultijd, en ze willen dat monitoren."

"Op dezelfde manier is het mogelijk om prepreg te monitoren," zegt Lee. "De manier waarop prepreg uithardt aan het begin van zijn leven is niet hetzelfde als hoe het dat aan het einde van zijn outlife limiet doet. DEA kan veranderingen met veroudering monitoren om het materiaal's uithardingsgedrag van begin tot einde van elke prepreg rol te monitoren." Een opmerking hier is dat koolstofvezel geleidend is. "Als de vezels de elektroden overbruggen zullen ze de DEA sensoren kortsluiten," waarschuwt hij. In dit geval wordt een filter gebruikt. "Het filter laat hars door de sensoren maar isoleert ze van de koolstofvezel."

LT-440 en Toekomstige Cure Management

Lambient Technologies bewerkt dat de LT-440 het eerste DEA instrument is dat het gebruik van zowel AC als DC sensoren mogelijk maakt. "Het doel van dit systeem is om het makkelijk te maken om harsuitharding te monitoren maar we ontwikkelen ook nieuwe software om deze data te gebruiken om temperatuur te managen en dus het uithardingsproces te controleren," zegt Lee. "Bijvoorbeeld, gebruikmakend van de data van onze sensoren, kan de vorm of pers ingesteld worden om open te gaan op CP4 (einde van uitharding). We kunnen klanten een API [application programming interface] leveren voor hun apparatuur."

Maar wat over het managen van de switch tussen AC naar DC meting? "Het is slechts een kwestie van de frequentie specificeren die je wilt gebruiken," zegt Lee. "Voor DC meting, stel je frequentie in op nul. Je zou enige ervaring moeten ontwikkelen, maar we hebben al besproken waar AC en DC voordelen hebben aan het begin versus einde van uitharding en we zullen toevoegen aan onze knowledge base, die online beschikbaar is."

"Zoveel mensen gebruiken temperatuur en tijd om uitharding te monitoren, maar dit is verouderd," zegt Pomeroy. "DEA is een veel betere manier om uitharding te monitoren en te stoppen met gokken. DEA biedt een manier om te documenteren dat de hars en het composiet uitharding voltooid hebben en hoe die uitharding zich vergeleken met elk ander deel." Lee stemt in, "Iedereen ziet de waarde ervan. Maar het is moeilijk de status quo te veranderen." De kennis die DEA levert, zal echter een voordeel zijn dat nodig is voor de toekomst van composietproductie.

Lambient Technologies citeert Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, VS) en zijn Prestwick, Schotland faciliteit's 2017-2018 ontwikkeling van een intelligente, multi-zone verwarmde tool die naar verluidt composietonderdelen 40% sneller en tegen half de kosten kan uitharden versus een traditioneel autoklaafproces:

"In plaats van componenten te curen op een standaardtemperatuur urenlang, kunnen we nu de cyclus tijd afstemmen op individuele deelgeometrieën," legde Stevie Brown, lead engineer bij Spirit's Advanced Technology Centre in Prestwick, uit. "De autoklaaf is een knelpunt geweest in productielijnen, en het verwijderen ervan zal cyclus tijden voor componenten verminderen, productiekosten verlagen en energieverbruik verminderen."

Lambient Technologies toont een convergentie van technologieën (boven) die geïmplementeerd kunnen worden voor cure management met behulp van een multi-zone, verwarmde tool die complete controle van het uithardingsproces via real-time feedback van uithardingsmonitoring mogelijk maakt. Brasiliaanse windturbinebladfabrikant Tecsis benaderde Lambient Technologies om een DEA instrument te ontwikkelen om de uitharding van epoxyhars op 300 plekken langs de lengte van elk blade te monitoren (onder). Dit leidde tot de ontwikkeling van de LT-439.