Объединение диэлектрических измерений переменного и постоянного тока для мониторинга отверждения композитов

Я писал о мониторинге отверждения с помощью микропроводных датчиков AvPro ​​(Норман, Оклахома, США) ThermoPulse, которые компания планирует использовать в своих системах управления отверждением, а также о диэлектрических датчиках постоянного тока (DC) Synthesites (Uccle, Бельгия) для внутренних местный мониторинг и оценка Tg в реальном времени. В этом блоге я расскажу о Lambient Technologies (Кембридж, Массачусетс, США) и их истории создания диэлектрических датчиков переменного тока (AC), а также их новейшем приборе LT-440, который объединяет диэлектрический анализ переменного и постоянного тока (DEA). «У обеих технологий есть преимущества и недостатки», - говорит основатель Lambient Хуан Ли. «Объединение измерений переменного и постоянного тока обеспечивает максимально широкий набор инструментов для исследований и разработок, контроля качества и мониторинга на месте во время производства».

История Lambient Technologies

Ли работал в группе исследований и разработок Массачусетского технологического института, занимающейся мониторингом лечения в 1980-х годах. В 1982 году он основал дочернюю компанию Micromet Instruments с целью коммерциализации этой технологии. Микромет приобретался несколько раз. В 2001 году NETZSCH (Зельб, Германия) приобрела Holometrix Micromet и объединила ее с всемирным подразделением компании NETZSCH по термическому анализу.

Однако Ли чувствовал, что Нетч недостаточно развивал технологию, поэтому он покинул бизнес-подразделение Micromet и в 2008 году стал соучредителем Lambient Technologies вместе со Стивом Помероем, ведущим инженером из Micromet Instruments. «После того, как я ушел, Netzsch разработал Epsilon 288, который является хорошим инструментом для мониторинга лечения», - говорит Ли. «Однако Netzsch - большая компания, а DEA - крошечный рынок для них. Наше преимущество в Lambient Technologies - это уникальная глубина знаний благодаря моей роли как одного из создателей технологии ». «Хотя смолы и композиты по-прежнему являются ключевой областью для компании, она не нацелена на какой-либо один тип отрасли», - говорит директор по маркетингу Lambient Technologies Мария С. Ли. «Мы работаем с производителями лака для ногтей, стоматологических материалов и адгезивов, а также с производителями композитных ветровых лопаток и медицинских имплантатов».

Датчики и инструменты Lambient Technologies используются для контроля диэлектрических свойств отверждаемых термореактивных полимеров, включая эпоксидные, акриловые, полиуретановые, полиэфирные, полиимидные и полиамидные материалы, УФ-полимеры, все типы формовочных смесей, а также краски, покрытия и армированные волокном композиты. Их решения дают представление о составе, скорости реакции, вязкости и состоянии отверждения. Они используются для изучения полимерных материалов и оптимизации производственных процессов. Их можно использовать для управления производством полимеров с использованием реакционных сосудов периодического действия и изготовления композитов с использованием печей, автоклавов, прессов и пултрузионных систем.

Наука DEA

Диэлектрический анализ, или DEA, представляет собой метод термического анализа, такой как дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) и динамический механический анализ (DMA), объясняет Хуан Ли, «но он может обеспечить анализ in situ использование датчиков для измерения электрических свойств испытуемого материала. В любой термореактивной смоле происходят две вещи. Ионы текут, но этому будет препятствовать плотность молекулярной сети, которая соответствует состоянию отверждения. Текущие ионы обеспечивают частотно-независимый отклик на электромагнитное поле или сигнал. Вторая активность внутри смолы - это вращение положительных и отрицательных диполей в ответ на одно и то же электромагнитное поле или сигнал. Однако этот отклик зависит от частоты электромагнитного поля. Разделение этих частотно-независимых и зависимых явлений является ключом к различению состояния излечения ».

«В жидкой смоле сопротивление ионному потоку невелико, - говорит Ли (см. Неотвержденный термореактивный материал на диаграмме выше). «По мере застывания смолы сопротивление возрастает. В конце отверждения сопротивление потоку ионов очень велико ». DEA измеряет сопротивление полимера. (отображается как удельное сопротивление ) и емкость (обозначается как диэлектрическая проницаемость ). Удельное сопротивление содержит как частотно-независимый поток ионов, так и частотно-зависимые компоненты вращения диполя. Удельное сопротивление, не зависящее от частоты, известно как ионная вязкость . (см. график ниже) и коррелирует с вязкостью смолы до гелеобразования и с ее модулем после гелеобразования.

Несмотря на то, что не существует диэлектрического события, которое определяет точку гелеобразования, отверждение легко идентифицируется по изменению вязкости ионов со временем ( крутизна ) стремится к нулю. «Гелеобразование - это механическое явление, - объясняет Ли, - поэтому диэлектрические свойства смолы не помогают. Однако это действительно происходит вблизи максимальной скорости реакции, равной наклону пика. В конце отверждения пользователь решает, что полностью отверждено (в зависимости от материала и области применения), а затем определяет наклон, на котором это происходит. Это намного надежнее, чем использовать заданное время и температуру ».

Элементы системы DEA

Системы DEA от Lambient Technologies состоят из нескольких основных элементов. Измерения производятся с помощью диэлектрических датчиков, в том числе датчика температуры, такого как термопара. «Диэлектрические свойства меняются при отверждении и температура », - отмечает Ли. Датчики подключены к оборудованию для мониторинга, которое подключено к портативному компьютеру, на котором установлено программное обеспечение для сбора и анализа данных CureView от Lambient.

Диэлектрические датчики Lambient Technologies могут быть постоянными или одноразовыми. Постоянные датчики встроены в формы или прессы и могут использоваться повторно. Обычно они содержат один или несколько металлических электродов, встроенных в керамическую подложку, термопару и оболочку, которая часто изготавливается из нержавеющей стали. Эти датчики обычно имеют диаметр от 0,25 дюйма до 1 дюйма и могут использоваться при температуре до 250 ° C. Одноразовые датчики используются на поверхности детали и состоят из набора электродов, прикрепленных к тонкой (100 микрометров) гибкой каптоновой подложке. Их можно использовать при температуре до 350 ° C. Lambient поставляет одноразовые датчики Varicon длиной 38 см и датчики Mini-Varicon длиной 3,8 см.

Lambient Technologies также имеет разнообразное оборудование для мониторинга. «Мы начали с лабораторной системы монитора полимеризации диэлектрика LT-451, которая была очень чувствительной и обеспечивала большую гибкость», - говорит Стив Помрой, соучредитель Lambient Technologies и руководитель разработки программного обеспечения. «Нашим клиентам нужна была система, специально предназначенная для обеспечения качества / контроля качества и производства, поэтому мы разработали высокоскоростной монитор полимеризации диэлектрика LTF-631. Каждый LT-451 или LTF-631 имеет до четырех каналов, и каждый канал имеет один вход диэлектрика и один вход термопары. Мы также разработали диэлектрический канал LT-439 специально для контроля качества и производства. Это менее затратно и позволяет использовать несколько инструментов по одному последовательному каналу для крупных объектов, таких как крыло или ветряная лопасть. Он похож на LT-451, но имеет только один канал на устройство ». По его оценкам, 30% инструментов Lambient Technologies используются для исследований и разработок, 50% - для обеспечения качества и контроля качества, а 20% - для производства.

Мониторинг отверждения при переменном и постоянном токе

«В основном мы используем измерения переменного тока, - отмечает Ли, - что означает лишь колебания напряжения сигнала. Оптимальная частота, необходимая для измерения степени отверждения, зависит от того, где вы находитесь в процессе отверждения. Более высокие частоты хороши вначале, но более низкие частоты лучше в конце отверждения, когда материал имеет гораздо более высокий модуль упругости ».

На рис. 4-4 и 4-5 из Технического обзора 3.04 показано искажение измерений ионной вязкости во время 5-минутного отверждения эпоксидной смолы. Это искажение из-за поляризации электрода уменьшается с увеличением частоты.

«Но мы также можем использовать постоянный ток, - продолжает Ли, - который прикладывает фиксированное напряжение (частота =0) и управляет током только в одном направлении - так что это проще. Измерения переменного и постоянного тока хорошо согласуются в конце отверждения, но измерения постоянного тока могут вызвать проблемы в начале отверждения. Между тем, измерения переменного тока в конце отверждения для большинства термореактивных материалов и композитов хороши, но могут занять слишком много времени для некоторых материалов с высоким сопротивлением ». Это связано с тем, что измерения переменного тока в конце отверждения, когда термореактивные материалы имеют самое высокое сопротивление, лучше всего проводить на более низких частотах. «Если вы используете частоту 1 герц, тогда для измерения за 3 цикла потребуется 3 секунды», - объясняет Ли. «Но если вы используете соответственно низкие частоты 0,1 или 0,01 герц, то для измерения потребуется 30 или 300 секунд соответственно. Итак, вот где постоянный ток очень полезен, потому что измерение происходит почти мгновенно. Измерения переменного и постоянного тока имеют преимущества и недостатки ».

«Проблема с измерениями постоянного тока в начале отверждения, похоже, связана с электрохимическим сопротивлением», - говорит Ли. Как поясняется в публикации Lambient Tehnologies «Технический обзор 3.04 - Мониторинг отверждения при переменном и постоянном токе», похоже, что во время измерения постоянного тока в смоле происходит электрохимическая реакция, которая увеличивает сопротивление. Он уменьшается по мере отверждения материала, уменьшая расхождение между измерениями переменного и постоянного тока.

Диэлектрические датчики переменного тока могут выполнять измерения через вакуумные пакеты и съемные пленки, как показано на синей пленке над датчиком, встроенным в плиту пресса внизу.

При измерениях переменного тока существует явление, называемое поляризацией электрода . которые могут создавать блокирующий слой на электродах сенсора во время раннего отверждения. Это может вызвать аномально высокую кажущуюся ионную вязкость (см. Рис. 4-4- и 4-5), но уменьшается с увеличением частоты и не является проблемой для измерений, проводимых на частотах от 1 до 10 килогерц. Однако можно математически восстановить точную информацию об отверждении, используя коррекцию пограничного слоя, также называемую коррекцией поляризации электрода.

Другая ключевая проблема заключается в том, что сигналы переменного тока могут проходить через изоляторы, такие как вакуумные пакеты и съемную пленку, но такие изоляторы блокируют сигналы постоянного тока. Таким образом, это было проблемой для измерений постоянного тока, которые требовали вырезания отверстия, чтобы датчик постоянного тока мог контактировать с полимером. «Вот здесь-то и полезно использовать измерение переменного тока, потому что вы можете разместить датчик практически в любом месте и изменить его положение или использовать набор датчиков для определения фронта потока смолы и отверждения, не затрагивая пленки и вспомогательные материалы», - говорит Ли.

Использование DEA и историй болезни

Lambient Technologies утверждает, что ее инструменты просты в использовании. «Вы устанавливаете датчики для контроля вашего материала, подключаете кабели датчиков к инструменту, начинаете обработку и запускаете программное обеспечение», - говорит Помрой. «Программное обеспечение устанавливает тест по умолчанию для 5-минутной эпоксидной смолы, чтобы подтвердить, что оборудование работает правильно. Мы предоставляем эту эпоксидную смолу, тестовые датчики и краткое руководство, которое шаг за шагом проведет пользователя через этот тест. Мы также предоставляем один день обучения ».

Ли отмечает, что Lambient работает с клиентами, чтобы убедиться, что у них есть необходимое оборудование и знания. Например, как вы защищаете датчики для прессы? Какая оптимальная частота использовать? «Для многих материалов вы можете найти одну частоту, которая будет характеризовать лечение от начала до конца. Для других материалов могут быть две частоты, которые работают лучше. Например, более высокая частота в начале и более низкая частота в конце, когда материал имеет максимальное сопротивление потоку ионов. Это метод проб и ошибок. В LT-451 хорошо то, что вы можете протестировать несколько частот одновременно, чтобы определить, какая из них оптимальна для материала ».

«У нас есть подробные инструкции по применению большинства материалов», - добавляет Помрой. «Мы также опубликовали 300-страничное руководство по DEA и мониторингу лечения, которое размещено на нашем веб-сайте, как и многие другие практические ресурсы. Это то, что в нас уникально. Мы очень прозрачны в отношении науки, чтобы пользователи могли понять, что происходит ».

Пример истории болезни QA / QC: Continental Structural Plastics (CSP, Оберн-Хиллз, штат Мичиган, США) - производитель листового формовочного компаунда (SMC) и формованных деталей из SMC. «Они тестируют каждую партию SMC», - говорит Ли. Этапы процесса включают в себя:предварительный нагрев пресса до температуры испытания; Открытая пресса; Положить в SMC с указанным весом; Закройте кнопку и начните сбор данных; Строятся кривые ионной вязкости, из которых извлекаются критические точки с 1 по 4 и регистрируются данные. «Это делается для каждой партии, чтобы убедиться, что материалы соответствуют спецификациям и отверждаются должным образом».

Датчики Lambient Technologies (слева) можно увидеть на передней и задней части формы для формования эпоксидной смолы (ЭМС) (в центре) и используются для контроля отверждения в литых микросхемах (справа) .

Пример из истории производственного случая включает в себя японского производителя микросхем, использующего эпоксидный компаунд. «Они используют датчики в пресс-форме для пресса для формования эпоксидной смолы», - говорит Ли. «Они отслеживают, когда материал входит и выходит из формы, то есть время заполнения, и как он затвердевает между этими двумя точками, чтобы гарантировать постоянное отверждение. Они анализируют свойства материала на предмет недостаточного или чрезмерного отверждения, что влияет на технологичность изготовления корпуса интегральной схемы. Во время заполнения существует очень узкое окно вязкости, и они хотят это контролировать ».

«Точно так же можно контролировать препрег», - говорит Ли. «Способ отверждения препрега в начале его срока службы отличается от того, как он отверждается в конце срока его эксплуатации. DEA может отслеживать изменения в процессе старения, чтобы контролировать поведение материала от начала до конца каждого рулона препрега ». Следует отметить, что углеродное волокно является проводящим. «Если волокна перекрывают электроды, они закорачивают датчики DEA», - предупреждает он. В этом случае используется фильтр. «Фильтр пропускает смолу через датчики, но изолирует их от углеродного волокна».

LT-440 и будущее лечение

Lambient Technologies утверждает, что LT-440 является первым прибором DEA, который позволяет использовать датчики переменного и постоянного тока. «Цель этой системы - упростить мониторинг отверждения смолы, но мы также разрабатываем новое программное обеспечение, чтобы использовать эти данные для управления температурой и, таким образом, контроля процесса отверждения», - говорит Ли. «Например, используя данные наших датчиков, пресс-форму или пресс можно настроить на открытие в точке CP4 (конец отверждения). Мы можем предоставить клиентам API [интерфейс прикладного программирования] для их оборудования ».

Но как насчет управления переключением между измерениями переменного и постоянного тока? «Дело просто в том, чтобы указать частоту, которую вы хотите использовать», - говорит Ли. «Для измерения постоянного тока вы устанавливаете нулевую частоту. Вам потребуется накопить некоторый опыт, но мы уже обсудили, где переменный ток и постоянный ток имеют преимущества в начале лечения по сравнению с концом лечения, и мы будем дополнять нашу базу знаний, доступную в Интернете ».

«Так много людей используют температуру и время для контроля за излечением, но это уже устарело», - говорит Помрой. «DEA - это гораздо лучший способ контролировать лечение и перестать гадать. DEA предоставляет способ документально подтвердить, что полимер и композит полностью отверждены, и сравнить это отверждение с другими деталями ». Ли соглашается:«Все видят в этом ценность. Но изменить статус-кво сложно ». Однако знания, которые предоставляет DEA, будут важным преимуществом для будущего производства композитов.

Lambient Technologies ссылается на разработку компанией Spirit AeroSystems (Вичита, Канзас, США) и ее предприятия в Прествике, Шотландия, в 2017-2018 годах интеллектуального инструмента с многозонным подогревом, который, как сообщается, может отверждать композитные детали на 40% быстрее и за половину стоимости по сравнению с традиционным автоклавом. процесс:

«Вместо отверждения компонентов при стандартной температуре в течение нескольких часов за раз, теперь мы можем адаптировать время цикла в соответствии с геометрией отдельных деталей», - пояснил Стиви Браун, ведущий инженер Центра передовых технологий Spirit в Прествике. «Автоклав был узким местом на производственных линиях, и его устранение сократит время цикла обработки компонентов, снизит производственные затраты и снизит потребление энергии».

Lambient Technologies демонстрирует конвергенцию технологий (вверху) это может быть реализовано для управления отверждением с помощью многозонного нагреваемого инструмента, который позволяет полностью контролировать процесс отверждения посредством обратной связи в режиме реального времени от мониторинга отверждения. Бразильский производитель ветровых лопастей Tecsis обратился к Lambient Technologies с просьбой разработать прибор DEA для контроля отверждения эпоксидной смолы в 300 точках по длине каждого лопасти (внизу) . Это привело к разработке LT-439.