Nauwkeurige temperatuurbewaking binnen composietstructuren en lijmlaagverbindingen

Volledige zichtbaarheid in een composiet en/of lijmlaagverbinding tijdens harden is al decennialang een kwestie. Huidige temperatuursensoren – thermocouples – zijn te groot om in te sluiten zonder een defect in het onderdeel te veroorzaken. Het is daarom nu alleen mogelijk om temperatuur op het oppervlak en de omtrek van onderdelen en gerepareerde verbindingen te meten. Het is moeilijk om de temperatuur van een lijmiddel op de bodem van een reparatieplak, binnen een dikke vlieghuid- of vleugelvlak laminaat of tussen die vellen en dikke stringers te weten. Toch is die temperatuur cruciaal voor juiste harsstroom, benetting en harding.

Momenteel compenseert de composietenindustrie deze tekortkoming door maanden en miljoenen dollars te besteden aan testen om te garanderen dat geschatte tijd- en temperatuurrecepten de harding wel afmaken en de benodigde eigenschappen produceren. Ondanks dit besteden leveranciers nog steeds veel bemanningsuren en dollars elk jaar aan het beoordelen en certificeren van onderdelen waar thermocouples falen of waar voorop-/achterloopende thermocouples voldoende buiten voorgeschreven grenzen liggen om twijfel te wekken over eigenschappen en vluchtprestaties.

In een poging om dit temperatuurmeetprobleem op te lossen, heeft AvPro Inc. (Norman, OK, VS) het ThermoPulse-systeem ontwikkeld, dat draadloze, remote, in-situ temperatuurbewaking tijdens harding mogelijk maakt. Het systeem bestaat uit microwiresensoren, een zend/ontvang-antenne en een readerbox die antennesignalen verzamelt en software gebruikt om die informatie om te zetten in temperatuurdata. De sensoren blijven in het onderdeel ingesloten en het systeem kan gebruikt worden met autoclave, oven, infusie of resin transfer molding (RTM) verwerking. AvPro heeft al een Fase I Small Business Innovation Research (SBIR) programma met de Amerikaanse Luchtmacht voltooid en voert momenteel een Fase II-uitvoering uit, direct metend bondlinetemperaturen tijdens composietreparaties en composietonderdeelfabricatie en de nauwkeurigheid van ThermoPulse verifierend via round-robin testen op vier onafhankelijke sites.

De potentie van deze technologie is significant, biedend real-time Industrie 4.0 data voor niet alleen thermohardende composieten, maar ook de temperatuurafhankelijke smelt- en kristalliniteitvorming van thermoplastische materialen. Verder is meting eigenlijk niet het einddoel van het systeem. ThermoPulse zal uiteindelijk hardingscycli managen op basis van de viscoelastische verandering van het composiet. Hardingscycli kunnen verkort worden omdat voltooiing zichtbaar is vanuit real-time data vs. een legacy tijd/temperatuur recept. Hardingscycli kunnen ook geoptimaliseerd worden, wat het gebruik van microgolf- en inductieverhitting mogelijk maakt om hoogst gerichte en vrijwel instantane temperatuur te leveren zoals nodig om snelle hardingssnelheden te bereiken zonder het composiet "over te koken".

Macro vs. microwiresensoren

Thermocouples zijn de meest gebruikte temperatuursensor in composietverwerking vandaag. Gevormd door twee draden van verschillende metalen samengevoegd aan één uiteinde, genereren ze een stroom bij temperatuurverandering. Thermocouples zijn goedkoop en kunnen nauwkeurige temperatuurmeteringen leveren, maar ze moeten aangesloten worden op een voltmeter. Hoewel de individuele draden een heel kleine diameter kunnen hebben, kan de voltooide, data-genererende assemblage niet in een onderdeel of lijmlaag ingesloten worden zonder structurele eigenschappen te reduceren en ook vacuümzak-uitdagingen te poseren (d.w.z. bron van potentiële lekkagepaden) wat kan leiden tot slechte kwaliteit composietonderdelen.

In tegenstelling tot thermocouples zijn de microwiresensoren in AvPro's ThermoPulse-systeem 0,25 mm in diameter en 32 mm lang, en hebben met succes temperatuur gemeten terwijl ingesloten onder een koolstofvezel-versterkte polymer (CFRP) laminaat van meer dan 25 mm dik. In lap-scheertestresultaten zijn coupons met en zonder ingesloten sensoren in de lijmlaag ononderscheidbaar. De microwiresensoren 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 één richting, of de tegenovergestelde richting. Verder verandert de polariteit vrijwel instantaneus – aangeduid als een Barkhausen-sprong. Wanneer een wisselend elektromagnetisch veld wordt toegepast op een sensor, veroorzaken deze Barkhausen-sprongen scherpe spanningspulsen die remote gedetecteerd kunnen worden met een antenne. De integraal van elke puls is temperatuurafhankelijk.

Nog een sleutelcomponent van dit meetmechanisme is dat de microwire-metallurgie aangepast kan worden aan een specifieke Curie-temperatuur, wat de temperatuur is boven welke de spanningspuls niet meer zal optreden. Let op, dit is een certificeerbare fysieke eigenschap van de geproduceerde microwire. Nauwkeurige temperatuur kan geëxtraheerd worden uit de microwire's spanningspuls omdat de grootte van de integraal niet-lineair afneemt naarmate de microwire's temperatuur zijn Curie-temperatuur benadert (Fig. 2).

Dus stuurt de ThermoPulse-antenne een laagfrequent elektromagnetisch veld uit om de ingesloten sensor te interrgeren en ontvangt dan de resulterende spanningspuls, die vervolgens door de readerbox wordt omgezet in een temperatuurmetering op die sensorlocatie.

ThermoPulse-sensoren zijn autokalibrerend en bestaan eigenlijk uit drie microwires ingekapseld in een starre buis. (Het is de buis die 0,25 mm in diameter is; elke van de draden is 0,03 mm in diameter.) Een draad fungeert als de meetdraad en is gelegeerd om een Curie-temperatuur van ongeveer 50°F/10°C boven de hardingtemperatuur voor het harssysteem waarvoor de sensor ontworpen is. Een tweede draad wordt de referentiedraad genoemd en is gelegeerd om een Curie-temperatuur van enkele honderd graden boven de gewenste dwelttemperatuur, wat een constante puls levert om te normaliseren tegen. De derde draad, de autokalibratiedraad, is gelegeerd voor een Curie-temperatuur boven kamertemperatuur maar significant onder de hardingtemperatuur. Het zal temperatuurmeteringen leveren totdat zijn bekende Curie-temperatuur bereikt is, waarna zijn puls verdwijnt. Op dat moment wordt de temperatuur van de sensor nauwkeurig geverifieerd en heeft het ThermoPulse-systeem de kalibratietemperatuur nodig om door te gaan met metingen en berekeningen.

SBIR-testen

Na voltooiing van een initiële Fase I SBIR met de Luchtmacht om haalbaarheid te demonstreren, zijn AvPro en zijn partners nu ongeveer halverwege het Fase II-project, ontworpen om de nauwkeurigheid en precisie van het ThermoPulse-systeem te valideren. Dit wordt bereikt door testen op vier onafhankelijke sites, elk met 25 ThermoPulse-sensoren en een prototype readerbox geïntegreerd in een soort hot bonder. Hot bonders zijn draagbare, kleine koffer-grootte apparatuur gebruikt om de toepassing van warmte en vacuüm aan een gelijmd composietreparatie te controleren. De vier testlocaties zijn AvPro's faciliteiten, Abaris Training (Reno, NV, VS), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, VS) en AFLCMC/EZPT-ACO op Hill Air Force Base (bij Ogden, UT, VS).

AvPro heeft jarenlang samengewerkt met Abaris Training om het Material State Management (MSM)-systeem te valideren en te verfijnen, terwijl TSI Technologies een sleutelpartner is in de ontwikkeling en verfijning van de microwiresensoren. Hill Air Force Base is de thuishaven van het Ogden Air Logistics Complex, dat depotonderhoud uitvoert op verschillende Luchtmacht-wapensystemen, en het Air Force Life Cycle Management Center's Air Force Advanced Composites Office (AFLCMC/EZPT-ACO), een gecentraliseerde bron voor operationele composietmaterialen. Het onderzoeksprogramma wordt geleid door het Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH, VS) en projectmanager Kara Storage, met een blik op vliegtuigfabricage en reparatietoepassingen.

Elke testlocatie zal 25 gestandaardiseerde gelijmde composietreparaties voltooien met een 5-inch diameter schaarpreparatieplak gemaakt van zes lagen prepreg over een laag filmlijmiddel met een microwiresensor in de lijmlaag. Elke van deze 25 reparaties zal ook thermocouples gebruiken als controle voor vergelijking met ThermoPulse microwiresensorresultaten.

"We hebben alle 250°F-hardingsreparatietesten voltooid en analyseren nu de data," zegt AvPro-president Tom Rose. "Tot nu toe liggen de microwiremetingen binnen ±5°F van de thermocouplemetingen." Rose zegt dat alle testlocaties CFRP-laminaten en plakken gebruiken behalve Hill AFB, die specifieke redenen heeft voor testen met glasvezel-laminaten en reparaties. "We beginnen nu met testen met een additionele 100 sensoren voor 350°F reparaties en zullen het SBIR-werk voor oktober 2020 voltooien."

Een ander doel van deze testen is het ontwikkelen van de statistische basis voor een ASTM-methode. ASTM International (West Conshohocken, PA, VS) is een organisatie die industrienormen ontwikkelt, inclusief de meeste testmethoden voor composietmaterialen en structuren. "De ASTM-methode voor het meten van temperatuur in een lijmlaag tijdens composietreparatie zou ook op elke composietlijmlaag van toepassing zijn," zegt Rose, "en zal de industrie vertrouwen geven in de nauwkeurigheid van de ThermoPulse-sensoren." Het voltooien van de reparaties voor de SBIR-testen zal ook feedback leveren voor het verfijnen van de hot bonder-prototype als een gesloten-lus temperatuurcontrole-apparaat. "Ons doel is om de reparatieharding te controleren op basis van temperaturen binnen de lijmlaag," zegt Rose, "met als uiteindelijke doel significante tijd- en kostenbesparing."

Moderniseren van harding, documenteren van kwaliteit

"Deze sensor is ontwikkeld om in ons hardingmanagementsysteem te voeden," legt Rose uit. "Er is eigenlijk niet veel fundamentele verandering geweest in de manier waarop we harding in composietstructuren managen." AvPro's materiaaltoestandscontrole is wel een significante verandering, wat een reden is waarom de adoptie langzaam is geweest. "De luchtvaart-composietgemeenschap is erg conservatief," merkt Lou Dorworth, langjarige instructeur bij Abaris Training, op. "Het gebruik van AvPro's Material State Management systeem vereiste training en initieel waren de units niet zo gebruiksvriendelijk als die nu met ThermoPulse ontwikkeld worden." 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 voor industriële productie. Momenteel projecteren we een kosten van $25-$30 per sensor, wat ruwweg dezelfde prijs is als een thermocouple."

"Onze eerste prioriteit is de technologie te finaliseren voor commercialisatie en industriële productie," zegt Rose. Hij voegt toe dat AvPro vervolgens voort zal gaan met het vestigen van een ASTM-testmethode; de laatste stap zal zijn om eventuele additionele testen uit te voeren die vereist zijn voor structurele certificering (d.w.z. effecten van defecten programma's). "Gelijkwaardige resultaten met en zonder de sensor ingelijmd is een goede start," zegt Rose, "maar structuuringenieurs moeten overtuigd worden dat de sensoren op kritische locaties geplaatst kunnen worden en hun vermogen verbeteren om eigenschappen te bereiken, zonder een defect te creëren." Zijn doel is om een initiële kwalificatie van het ThermoPulse-systeem te achtervolgen bij een all-composiet licht sportvliegtuig (LSA) fabrikant, die neigen tot een plattere corporatestructuur dan OEMs en grote Tier-leveranciers.

Hoewel verandering in composiet luchtvaartstructuurontwerp en -productie berucht duur en traag is, is er nu meer impuls dan ooit om procescontrole-technologieën te implementeren die de composietfabricage kunnen versnellen. Rose en Dorworth zien potentieel niet alleen voor vliegtuigfabricage en reparatie, maar voor veel bredere toepassingen zoals het managen van temperatuurafhankelijke processen op basis van real-time, in-situ data. "Ons systeem geeft de onderdelenfabrikant de macht om zijn eigen hardingscycli te optimaliseren en die te correleren met daadwerkelijke materiaaleigenschappen," zegt Rose. "We hebben nu de mogelijkheid om temperatuur en viscositeit als functie van tijd in het onderdeel en de lijmlaag te meten. Dat geeft ons de mogelijkheid om échte digitale controle te vestigen en gedocumenteerd vertrouwen te hebben in de kwaliteit van onze onderdelen."