Het meten van de temperatuur in composieten en bondlines

Het is al tientallen jaren een probleem om volledig zicht te hebben op een composiet- en/of adhesieve bondline tijdens uitharding. Huidige temperatuursensoren - thermokoppels - zijn te groot om te worden ingebed zonder een defect in het onderdeel te veroorzaken. Zo is het nu alleen mogelijk om de temperatuur aan het oppervlak en de omtrek van onderdelen en gelijmde reparaties af te lezen. Het is moeilijk om de temperatuur van een kleefstof aan de onderkant van een reparatiepleister te kennen, in een dikke romp of vleugelhuidlaminaat of tussen die huiden en dikke stringers. Toch is die temperatuur cruciaal voor een goede harsstroom, bevochtiging en uitharding.

Momenteel compenseert de composietenindustrie deze tekortkoming door maanden en miljoenen dollars te besteden aan testen om ervoor te zorgen dat geschatte tijd- en temperatuurrecepten inderdaad volledig uitharden en de nodige eigenschappen produceren. Desondanks besteden leveranciers nog steeds elk jaar veel manuren en dollars aan het beoordelen en certificeren van onderdelen waar thermokoppels defect raken of waar toonaangevende/achterblijvende thermokoppels voldoende buiten de voorgeschreven grenzen liggen om twijfel te zaaien over eigenschappen en prestaties tijdens de vlucht.

In een poging om dit temperatuurmeetprobleem op te lossen, heeft AvPro ​​Inc. (Norman, OK, VS) het ThermoPulse-systeem ontwikkeld, dat draadloze, externe, in-situ temperatuurbewaking tijdens uitharding mogelijk maakt. Het systeem bestaat uit microdraadsensoren, een zend-/ontvangantenne en een leesbox die antennesignalen verzamelt en software gebruikt om die informatie om te zetten in temperatuurgegevens. De sensoren blijven in het onderdeel ingebed en het systeem kan worden gebruikt met autoclaaf-, oven-, infusie- of harsoverdrachtgietproces (RTM). AvPro ​​heeft al een Fase I Small Business Innovation Research (SBIR)-programma afgerond met de Amerikaanse luchtmacht en voert momenteel een Fase II-inspanning uit, waarbij de bondline-temperaturen direct worden gemeten tijdens composietreparaties en de fabricage van composietonderdelen en de nauwkeurigheid van ThermoPulse wordt geverifieerd via round-robin testen op vier onafhankelijke locaties.

Het potentieel voor deze technologie is aanzienlijk en biedt realtime Industrie 4.0-gegevens voor niet alleen thermohardende composieten, maar ook voor de temperatuurafhankelijke smelt- en kristalliniteitsvorming van thermoplastische materialen. Verder, meting is eigenlijk niet het einddoel van het systeem. ThermoPulse zal uiteindelijk de uithardingscycli beheren op basis van de visco-elastische verandering van het composiet. Uithardingscycli kunnen worden verkort omdat voltooiing kan worden gezien aan de hand van realtime gegevens versus een verouderd tijd-/temperatuurrecept. Uithardingscycli kunnen ook worden geoptimaliseerd, waardoor het gebruik van microgolf- en inductieverwarming mogelijk wordt om een ​​zeer gerichte en bijna onmiddellijke temperatuur te leveren als dat nodig is om snelle uithardingssnelheden te bereiken zonder het composiet te "overkoken".

Macro versus microdraadsensoren

Thermokoppels zijn tegenwoordig de meest voorkomende temperatuursensor die wordt gebruikt bij de verwerking van composieten. Gevormd door twee draden van verschillende metalen die aan één uiteinde zijn verbonden, wekken ze een stroom op met temperatuurverandering. Thermokoppels zijn goedkoop en kunnen nauwkeurige temperatuurmetingen geven, maar ze moeten op een voltmeter worden aangesloten. Hoewel de afzonderlijke draden een zeer kleine diameter kunnen hebben, kan het voltooide, gegevensgenererende samenstel niet worden ingebed in een onderdeel of verbindingslijn zonder de structurele eigenschappen te verminderen en ook problemen met de vacuümzak te veroorzaken (dwz bron van potentiële lekpaden), wat kan leiden tot composiet onderdelen van slechte kwaliteit.

De microdraadsensoren in AvPro's ThermoPulse-systeem hebben daarentegen een diameter van 0,25 mm en een lengte van 32 mm, en hebben met succes de temperatuur gemeten terwijl ze zijn ingebed onder een laminaat van koolstofvezelversterkt polymeer (CFRP) van meer dan 25 mm dik. In lap shear testresultaten zijn coupons met en zonder ingebouwde sensoren in de lijmverbinding niet te onderscheiden. De microdraadsensoren zijn gemaakt van amorfe metaallegeringen, voornamelijk kobalt en ijzer. Hun magnetische eigenschappen zijn uniek. Ten eerste polariseren ze in slechts twee mogelijke toestanden - langs de draadlengte in de ene richting of de tegenovergestelde richting. Bovendien verandert de polariteit bijna onmiddellijk - een Barkhausen-sprong genoemd. Wanneer een wisselend elektromagnetisch veld op een sensor wordt aangelegd, veroorzaken deze Barkhuasen Jumps scherpe spanningspulsen die op afstand met een antenne kunnen worden gedetecteerd. De integraal van elke puls is temperatuurafhankelijk.

Een ander belangrijk onderdeel van dit meetmechanisme is dat de microdraadmetallurgie kan worden aangepast aan een specifieke Curietemperatuur, de temperatuur waarboven de spanningspuls niet langer zal optreden. Let op, dit is een certificeerbare fysieke eigenschap van de vervaardigde microdraad. Precieze temperatuur kan worden geëxtraheerd uit de spanningspuls van de microdraad omdat de grootte van de integraal niet-lineair afneemt naarmate de temperatuur van de microdraad zijn Curietemperatuur nadert (Fig. 2).

De ThermoPulse-antenne zendt dus een laagfrequent elektromagnetisch veld uit om de ingebouwde sensor te ondervragen en ontvangt vervolgens de resulterende spanningspuls, die vervolgens door de leesbox wordt omgezet in een temperatuurmeting op die sensorlocatie.

ThermoPulse-sensoren kalibreren automatisch en bestaan ​​eigenlijk uit drie microdraden die zijn ingekapseld in een stijve buis. (Het is de buis met een diameter van 0,25 mm; elk van de draden heeft een diameter van 0,03 mm.) Eén draad fungeert als de meetdraad en is gelegeerd om een ​​Curie-temperatuur te hebben die ongeveer 50°F/10°C hoger ligt dan de uithardingstemperatuur voor het harssysteem waarvoor de sensor is ontworpen. Een tweede draad wordt de referentiedraad genoemd en is gelegeerd om een ​​Curie-temperatuur te hebben die enkele honderden graden boven de gewenste verblijfstemperatuur ligt, waardoor een constante puls wordt verkregen om tegen te normaliseren. De derde draad, de automatische kalibratiedraad, is gelegeerd voor een Curie-temperatuur boven kamertemperatuur maar aanzienlijk onder de uithardingstemperatuur. Het geeft temperatuurmetingen totdat de bekende Curietemperatuur is bereikt, waarna de puls verdwijnt. Op dat moment wordt de temperatuur van de sensor nauwkeurig gecontroleerd en heeft het ThermoPulse-systeem de kalibratietemperatuur die nodig is om door te gaan met metingen en berekeningen.

SBIR-testen

Na een eerste Fase I SBIR met de luchtmacht te hebben voltooid om de haalbaarheid aan te tonen, zijn AvPro ​​en haar partners nu ongeveer halverwege het fase II-project, ontworpen om de nauwkeurigheid en precisie van het ThermoPulse-systeem te valideren. Dit wordt bereikt door te testen op vier onafhankelijke locaties, elk met 25 ThermoPulse-sensoren en een prototype van een leesbox die is ingebouwd in een soort hot bonder. Hot bonders zijn draagbare, kleine apparatuur ter grootte van een koffer die wordt gebruikt om de toepassing van warmte en vacuüm op een gelijmde composietreparatie te regelen. De vier testlocaties zijn de faciliteiten van AvPro, Abaris Training (Reno, NV, VS), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, VS) en AFLCMC/EZPT-ACO op Hill Air Force Base (nabij Ogden, UT, VS).

AvPro ​​werkt al jaren samen met Abaris Training om haar Material State Management (MSM)-systeem te helpen valideren en verfijnen, terwijl TSI Technologies een belangrijke partner is bij het ontwikkelen en verfijnen van de microdraadsensoren. Hill Air Force Base is de thuisbasis van het Ogden Air Logistics Complex, dat depotonderhoud uitvoert op verschillende wapensystemen van de luchtmacht, en het Air Force Advanced Composites Office (AFLCMC/EZPT-ACO) van het Air Force Life Cycle Management Center, een gecentraliseerde bron voor composiet materialen. Het onderzoeksprogramma wordt geleid door het Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH, VS) en projectmanager Kara Storage, met het oog op de fabricage en reparatie van vliegtuigen.

Elke testlocatie zal 25 gestandaardiseerde gebonden composietreparaties uitvoeren met behulp van een 5-inch diameter sjaalreparatiepatch gemaakt van zes lagen prepreg over een laag filmlijm met een microdraadsensor in de bondline. Bij elk van deze 25 reparaties worden ook thermokoppels gebruikt als controle ter vergelijking met de resultaten van de ThermoPulse-microdraadsensor.

"We hebben alle reparatietests bij 250 ° F voltooid en zijn nu de gegevens aan het analyseren", zegt Tom Rose, president van AvPro. "Tot nu toe zijn de microdraadmetingen binnen ± 5 ° F van de thermokoppelmetingen." Rose zegt dat alle testlocaties CFRP-laminaten en -pleisters gebruiken, behalve Hill AFB, die specifieke redenen heeft om glasvezellaminaten en reparaties te testen. "We beginnen nu met testen met nog eens 100 sensoren voor reparaties van 350 ° F en zullen het SBIR-werk tegen oktober 2019 voltooien."

Een ander doel van deze test is het ontwikkelen van de statistische basis voor een ASTM-methode. ASTM International (West Conshohocken, PA, VS) is een organisatie die industrienormen ontwikkelt, waaronder de meeste testmethoden die worden gebruikt voor composietmaterialen en constructies. "De ASTM-methode voor het meten van de temperatuur in een verbindingslijn tijdens composietreparatie zou ook van toepassing zijn op elke composietverbindingslijn", zegt Rose, "en zal de industrie vertrouwen geven in de nauwkeurigheid van de ThermoPulse-sensoren." Het voltooien van de reparaties voor de SBIR-tests zal ook feedback opleveren voor het verfijnen van het hot bonder-prototype als een temperatuurregelapparaat met gesloten lus. "Ons doel is om de reparatie-uitharding te regelen op basis van temperaturen binnen de hechtlijn", zegt Rose, "met als uiteindelijk doel aanzienlijke tijd- en kostenbesparingen te bieden."

Kuur moderniseren, kwaliteit documenteren

"Deze sensor is ontwikkeld om in ons kuurbeheersysteem te worden opgenomen", legt Rose uit. "Er is niet echt veel fundamentele verandering geweest in de manier waarop we de genezing in composietstructuren beheren." De materiële staatscontrole van AvPro ​​is echter is een belangrijke verandering, wat een van de redenen is waarom de goedkeuring ervan traag is verlopen. "De gemeenschap van lucht- en ruimtevaartcomposieten is zeer conservatief", merkt Lou Dorworth op, een oude instructeur bij Abaris Training. "Het gebruik van AvPro's Material State Management-systeem vereist training en in het begin waren de units niet zo gebruiksvriendelijk als de units die met ThermoPulse werden ontwikkeld." Rose erkent dat het doel van de huidige ontwikkeling is om een ​​commercieel product te hebben dat gemakkelijk te gebruiken is. “We verfijnen ook de software en schalen de draad- en sensorproductie op voor industriële productie. Momenteel voorzien we een kostprijs van $ 25- $ 30 voor elke sensor, wat ongeveer dezelfde prijs is als een thermokoppel."

"Onze eerste prioriteit is om de technologie af te ronden voor commercialisering en industriële productie", zegt Rose. Hij voegt eraan toe dat AvPro ​​verder zal gaan met het opzetten van een ASTM-testmethode; de laatste stap zal zijn om alle aanvullende tests uit te voeren die nodig zijn voor structurele certificering (d.w.z. effecten van programma's voor defecten). "Equivalente resultaten behalen met en zonder de sensor erin is een goed begin", zegt Rose, "maar constructietechnici moeten ervan overtuigd zijn dat de sensoren op kritieke locaties kunnen worden geplaatst en hun vermogen om eigenschappen te bereiken verbeteren, zonder een defect te veroorzaken. ” Zijn doel is om een ​​initiële kwalificatie van het ThermoPulse-systeem na te streven bij een fabrikant van volledig samengestelde lichte sportvliegtuigen (LSA), die over het algemeen een plattere bedrijfsstructuur hebben dan OEM's en grote leveranciers.

Hoewel verandering in het ontwerp en de productie van aerostructuren van composieten notoir duur en traag is, is er nu meer dan ooit een impuls om procesbesturingstechnologieën te implementeren die het tempo van de fabricage van composieten kunnen versnellen. Rose en Dorworth zien het potentieel niet alleen voor de fabricage en reparatie van vliegtuigen, maar voor veel bredere toepassingen, zoals het beheren van temperatuurafhankelijke processen op basis van realtime, in-situ gegevens. "Ons systeem geeft de onderdelenfabrikant de mogelijkheid om zijn eigen uithardingscycli te optimaliseren en deze te correleren met de werkelijke materiaaleigenschappen", zegt Rose. “We hebben nu de mogelijkheid om temperatuur en viscositeit te meten als functie van de tijd in het deel en verbindingslijn. Dat geeft ons de mogelijkheid om echt digitale controle tot stand te brengen en hebben gedocumenteerd vertrouwen in de kwaliteit van onze onderdelen.”