Комбинирование AC и DC диэлектрических сенсоров для точного мониторинга отверждения композитов

 

Я писал о мониторинге отверждения через микроволновые сенсоры ThermoPulse компании AvPro (Норман, Оклахома, США), которые она нацеливается использовать в своих системах управления отверждением, и о DC диэлектрических сенсорах Synthesites (Уккле, Бельгия) для in-situ мониторинга и оценки Tg в реальном времени. В этом блоге я обсужу Lambient Technologies (Кеймбридж, Массачусетс, США) и их историю в AC диэлектрических сенсорах, а также их последний прибор LT-440, комбинирующий AC и DC диэлектрический анализ (DEA). «Обе технологии имеют преимущества и недостатки», — говорит основатель Lambient Хуан Ли. «Комбинирование AC и DC измерений обеспечивает максимально возможное количество инструментов для НИОКР, контроля качества и in-situ мониторинга во время производства».

 

История Lambient Technologies

Ли был в НИОКР группе MIT разрабатывающей мониторинг отверждения в 1980-х. Он основал спин-офф Micromet Instruments в 1982 году для коммерциализации этой технологии. Micromet была приобретена несколько раз. В 2001 году NETZSCH (Зельб, Германия) приобрела Holometrix Micromet и объединила ее с мировым бизнесом Термического Анализа NETZSCH.

Однако Ли почувствовал, что Netzsch не развивала технологию достаточно, поэтому он оставил бизнес-юнит Micromet и соосновал Lambient Technologies в 2008 году с Стивом Померой, ведущим инженером из Micromet Instruments. «После моего ухода Netzsch разработала Epsilon 288, который является хорошим прибором для мониторинга отверждения», — говорит Ли. «Однако Netzsch — большая компания и DEA — крошечный рынок для них. Наше преимущество в Lambient Technologies — уникальная глубина знаний из-за моей роли как одного из создателей технологии». Хотя смолы и композиты продолжают быть ключевой областью для компании, она не нацелена на какой-то один тип отрасли, говорит директор по маркетингу Lambient Technologies Мария С. Ли. «Мы работаем с производителями лака для ногтей, стоматологических материалов и клеев, так же как с производителями композитных лопастей ветряков и медицинских имплантов».

Сенсоры и приборы Lambient Technologies используются для мониторинга диэлектрических свойств отверждающихся термореактивных полимеров включая эпоксидные, акриловые, полиуретановые, полиэфирные, полиимидные и полиамидные материалы, UV-отверждающие полимеры, все типы молдинговых композитов, а также красок, покрытий и волокнисто-усиленных композитов. Их решения дают понимание формулировки, скорости реакции, вязкости и состояния отверждения. Они используются для изучения полимерных материалов и оптимизации производственных процессов. Они могут использоваться для управления полимерным производством с использованием батчевых реактивных сосудов и производства композитов с использованием духовок, автоклавов, прессов и пультрузионных систем.

 

Наука DEA

Диэлектрический анализ, или DEA, — термическая аналитическая техника как дифференциальное сканирующее калориметрирование (DSC) и динамический механический анализ (DMA) объясняет Хуан Ли, «но он может предоставлять анализ in situ используя сенсоры для измерения электрических свойств материала под тестом. В любом термореактивном смоле происходят две вещи. Ионы текут, но это будет препятствовано тугоплотностью молекулярной сети, которая равно состоянию отверждения. Текущие ионы предоставляют частотно-независимый отклик на электромагнитное поле или сигнал. Вторая активность внутри смолы — вращение положительных и отрицательных диполей в ответ на то же электромагнитное поле или сигнал. Однако этот отклик зависит от частоты электромагнитного поля. Разделение этих частотно-независимых и -зависимых феноменов ключево для различия состояния отверждения».

В жидкой смоле сопротивление ионному течению низкое, говорит Ли (см. Неотвержденная Термореактивная на диаграмме выше). «По мере отверждения смолы сопротивление растет. В конце отверждения сопротивление ионному течению очень большое». DEA измеряет сопротивление полимера (сообщается как сопротивляемость) и емкость (сообщается как проницаемость). Сопротивляемость содержит как частотно-независимый ионный поток, так и частотно-зависимый компонент вращения диполей. Частотно-независимая сопротивляемость известна как ионная вязкость (см. график ниже) и коррелирует с вязкостью смолы до геляции и с ее модулем после геляции.

 

Хотя нет диэлектрического события, идентифицирующего точку геляции, отверждение легко идентифицируется там, где изменение ионной вязкости во времени (наклон) приближается к нулю. «Геляция — механическое событие», — объясняет Ли, «поэтому диэлектрические свойства смолы не помогают. Однако она происходит рядом с максимальной скоростью реакции, что равно пиковому наклону. В конце отверждения пользователь решает, что полностью отверждено (на основе материала и применения) и затем идентифицирует наклон, при котором это происходит. Это намного более надежно, чем использование установленного времени и температуры».

 

Элементы DEA системы

DEA системы Lambient Technologies состоят из нескольких основных элементов. Измерения выполняются с использованием диэлектрических сенсоров, которые включают температурный сенсор такой как термопара. «Диэлектрические свойства меняются с отверждением и температурой», — отмечает Ли. Сенсоры подключены кабелем в мониторинговое оборудование, которое подключено к ноутбуку, запускающему программное обеспечение Lambient CureView для приобретения и анализа данных.

Диэлектрические сенсоры Lambient Technologies могут быть постоянными или одноразовыми. Постоянные сенсоры встраиваются в формы или прессы и могут быть повторно использованы. Они обычно состоят из одного или более металлических электродов, встроенных в керамический субстрат, термопару и оболочку, которая часто нержавеющая сталь. Эти сенсоры обычно варьируются от 0,25 дюйма до 1 дюйма в диаметре и могут использоваться до 250 °C. Одноразовые сенсоры используются на поверхности детали и состоят из массива электродов, связанных на тонком (100 микрометров) гибком субстрате Kapton. Они могут использоваться до 350 °C. Lambient поставляет одноразовые сенсоры Varicon длиной 38 сантиметров и Mini-Varicon сенсоры длиной 3,8 сантиметра.

Lambient Technologies также имеет множество мониторингового оборудования. «Мы начали с лабораторной системы LT-451 Dielectric Cure Monitor, которая была очень чувствительной и предлагала много гибкости», — говорит Стив Померой, сооснователь и лидер разработки ПО Lambient Technologies. «Наши клиенты нуждались в системе, специально нацеленной на QA/QC и производство, поэтому мы разработали LTF-631 High Speed Dielectric Cure Monitor. Каждый LT-451 или LTF-631 имеет до четырех каналов и каждый канал имеет один диэлектрический и один термопарный вход. Мы также разработали LT-439 Dielectric Channel специально для QA/QC и производства. Он менее дорог и позволяет множественные приборы на одном серийном линке для больших объектов таких как крыло или лопасть ветряка. Он похож на LT-451 но только имеет один канал на единицу». Он оценивает, что 30% приборов Lambient Technologies используются для НИОКР, 50% для QA/QC и 20% для производства.

 

AC и DC мониторинг отверждения

«Мы в основном используем AC измерения», — отмечает Ли, «что просто означает, что напряжение сигнала осциллирует. Оптимальная частота, необходимая для измерения состояния отверждения, зависит от того, где вы находитесь в процессе отверждения. Более высокие частоты хороши в начале, но более низкие частоты лучше в конце отверждения, когда материал имеет намного более высокий модуль».

Рис. 4-4 и 4-5 из Технического обзора 3.04 показывающие искажение измерений ионной вязкости во время отверждения 5-минутной эпоксидной смолы. Это искажение из-за поляризации электродов уменьшается с увеличением частоты.

«Но мы также можем использовать DC», — продолжает Ли, «который применяет фиксированное напряжение (частота = 0) и водит ток только в одном направлении — так что это проще. AC и DC измерения хорошо согласуются в конце отверждения, но DC измерения могут вызывать проблемы в начале отверждения. В то же время, AC измерения в конце отверждения для большинства термореактивных смол и композитов нормальны, но могут занимать слишком много времени для определенных высокоомных материалов». Это потому что AC измерения в конце отверждения, когда термореактивные материалы наиболее высоки в сопротивлении, лучше брать на более низких частотах. «Если вы используете частоту 1 герц, то измерение на 3 цикла требует 3 секунд», — объясняет Ли. «Но если вы используете соответствующе низкие частоты 0,1 или 0,01 герца, то измерение требует 30 или 300 секунд соответственно. Так вот здесь DC очень полезен, потому что измерение почти мгновенное. И AC, и DC измерения имеют преимущества и недостатки».

«Проблема с DC измерениями в начале отверждения, кажется, связана с электрохимическим сопротивлением», — говорит Ли. Как объяснено в публикации Lambient Technologies, «Технический обзор 3.04 – AC и DC мониторинг отверждения», кажется, есть электрохимическая реакция, которая происходит в смоле во время DC измерения, которая добавляет сопротивление. Это уменьшается по мере отверждения материала, снижая расхождение между AC и DC измерениями.

AC диэлектрические сенсоры могут измерять через вакуумные мешки и отделительные пленки, как показано в синей пленке над сенсором, встроенным в пресс-платину внизу.

Для AC измерений существует феномен, называемый электродная поляризация, который может создавать блокирующий слой через электроды сенсора в начале отверждения. Это может вызывать аномально высокие видимые ионные вязкости (см. Рис. 4-4 и 4-5) но уменьшается с увеличением частоты и не является проблемой для измерений, взятых на 1–10 кГц. Однако возможно математически восстановить точную информацию об отверждении с использованием коррекции граничного слоя, также называемой коррекцией электродной поляризации.

Другой ключевой вопрос в том, что AC сигналы могут проходить через изоляторы, такие как вакуумные мешки и отделительная пленка, но такие изоляторы блокируют DC сигналы. Это было проблемой для DC измерений, которые требовали вырезания отверстия, чтобы DC сенсор был в контакте с полимером. «Так что это где использование AC измерения полезно, потому что вы можете разместить сенсор почти везде, где хотите и репозиционировать его или использовать массив сенсоров для обнаружения фронта потока смолы и отверждения без воздействия на пленки и вспомогательные материалы», — говорит Ли.

 

Использование DEA и истории случаев

Lambient Technologies утверждает, что ее приборы легки в использовании. «Вы позиционируете сенсоры для мониторинга вашего материала, вставляете кабели сенсоров в прибор, запускаете свою обработку и запускаете ПО», — говорит Померой. «ПО устанавливает тест по умолчанию для 5-минутной эпоксидной смолы для подтверждения, что оборудование работает правильно. Мы предоставляем эту смолу, тестовые сенсоры и краткое руководство, которое ведет пользователя через этот тест шаг за шагом. Мы также предоставляем один день обучения».

Ли отмечает, что Lambient работает с клиентами для обеспечения того, что у них есть оборудование и знания, которые им нужны. Например, как закрепить сенсоры для пресса? Какая оптимальная частота использовать? «Для многих материалов вы можете найти одну частоту, которая будет характеризовать отверждение от начала до конца. Для других материалов может быть две частоты, которые работают лучше. Например, более высокая частота в начале и более низкая частота в конце, когда материал на своем высшем сопротивлении ионному течению. Это вопрос проб и ошибок. Хорошая вещь о LT-451 в том, что вы можете тестировать множественные частоты одновременно, чтобы определить, какая оптимальна для материала».

«У нас обширные прикладные заметки по большинству материалов», — добавляет Померой. «Мы также опубликовали 300-страничное руководство по DEA и мониторингу отверждения, которое онлайн на нашем сайте, как и многие другие практические ресурсы. Это то, что уникально в нас. Мы очень прозрачны о науке, так что пользователи могут понимать, что происходит».

Пример истории случая QA/QC — Continental Structural Plastics (CSP, О번 Хиллс, Мичиган, США) производитель листого молдингового композита (SMC) и отлитых SMC деталей. «Они тестируют каждую партию SMC», — говорит Ли. Шаги процесса включают: Предварительный нагрев пресса до тестовой температуры; Открытие пресса; Положение SMC с указанным весом; Закрытие пресса и запуск приобретения данных; Кривые ионной вязкости производятся, из которых Критические Точки 1 через 4 извлекаются и данные логируются. «Это делается для каждой партии чтобы убедиться, что материалы соответствуют спецификациям и отвердятся как ожидается».

Сенсоры Lambient Technologies (слева) можно видеть на передней и задней части формы эпоксидного молдингового композита (EMC) (центр) и используются для мониторинга отверждения в отлитых чипах схем (справа).

Пример истории случая производства включает японского производителя чипов схем, использующего эпоксидный молдинговый композит. «Они используют сенсоры в форме для своего пресса эпоксидного молдингового композита», — говорит Ли. «Они мониторят когда материал входит и выходит из формы, что является временем заполнения, и как он отверждается между этими двумя точками чтобы убедиться, что он отвердело последовательно. Они анализируют материальные свойства для недоведения или переведения, что влияет на производительность интегрированного схемного пакета. Есть очень узкое окно вязкости во время времени заполнения, и они хотят мониторить это».

«Аналогично, возможно мониторить препрег», — говорит Ли. «То, как препрег отверждается в начале своей жизни, не то же самое, как в конце своего предела outlife. DEA может мониторить изменения со старением для мониторинга поведения отверждения материала от начала до конца каждого рулона препрега». Одно примечание здесь: углеродное волокно проводящее. «Если волокна замыкают электроды они закоротят DEA сенсоры», — предупреждает он. В этом случае используется фильтр. «Фильтр пропускает смолу через сенсоры но изолирует их от углеродного волокна».

 

LT-440 и будущее управления отверждением

Lambient Technologies заявляет, что LT-440 — первый DEA прибор, позволяющий использование обоих AC и DC сенсоров. «Цель этой системы — сделать легким мониторинг отверждения смолы, но мы также разрабатываем новое ПО для использования этих данных для управления температурой и тем самым контроля процесса отверждения», — говорит Ли. «Например, используя данные от наших сенсоров, форма или пресс могут быть установлены на открытие на CP4 (конец отверждения). Мы можем поставлять клиентам API [интерфейс программирования приложений] для их оборудования».

Но как насчет управления переключением между AC и DC измерениями? «Это просто вопрос спецификации частоты, которую вы хотите использовать», — говорит Ли. «Для DC измерения вы устанавливаете частоту в ноль. Вам понадобится развить некоторый опыт, но мы уже обсудили, где AC и DC имеют преимущества в начале против конца отверждения и мы будем добавлять к нашей базе знаний, которая доступна онлайн».

«Так многие люди используют температуру и время для мониторинга отверждения, но это устарело», — говорит Померой. «DEA — намного лучший способ мониторить отверждение и перестать гадать. DEA предоставляет способ документировать, что смола и композит завершили отверждение и как это отверждение сравнивается с любой другой деталью». Ли соглашается, «Все видят ценность этого. Но трудно изменить статус-кво». Знания, которые предоставляет DEA, однако, будут преимуществом, необходимым для будущего производства композитов.

Lambient Technologies цитирует Spirit AeroSystems (Уичита, Канзас, США) и ее объект в Прествике, Шотландия, разработку 2017-2018 года интеллектуального, многозонного нагреваемого инструмента, который, как сообщается, может отверждать композитные детали на 40% быстрее и за половину стоимости против традиционного автоклавного процесса:

"Вместо отверждения компонентов на стандартной температуре часами за раз, мы теперь можем адаптировать время цикла под индивидуальные геометрии деталей," объяснил Стив Браун, ведущий инженер в Advanced Technology Centre Spirit в Прествике. "Автоклав был узким местом в производственных линиях, и его устранение сократит циклы времени для компонентов, снизит производственные затраты и уменьшит потребление энергии."

Lambient Technologies показывает сходимость технологий (верх) которая может быть реализована для управления отверждением с использованием многозонного нагреваемого инструмента, позволяющего полный контроль процесса отверждения через обратную связь в реальном времени от мониторинга отверждения. Бразильский производитель лопастей ветряков Tecsis обратился к Lambient Technologies для разработки DEA прибора для мониторинга отверждения эпоксидной смолы в 300 точках вдоль длины каждой лопасти (низ). Это привело к разработке LT-439.