Точный мониторинг температуры внутри композитных структур и клейвых швов

Долгое время полная видимость температуры внутри композита или клейвого шва при отверждении была проблемой. Термопары слишком велики для вмонтирования без дефекта. Можно измерять только поверхность и периметр. Температура клея в глубине ремонтного накладки, внутри толстого ламината фюзеляжа/крыла или между обшивкой и стропилами — критична для течения смолы, смачивания и отверждения.

Индустрия компенсирует это месяцами и миллионами долларов тестов, чтобы убедиться, что рецепты время/температура дают нужные свойства. Тем не менее, поставщики тратят огромные ресурсы на перепроверку деталей, где термопары вышли за допуски, ставя под сомнение качество.

Система ThermoPulse от AvPro Inc.

Для решения проблемы AvPro Inc. (Норман, Оклахома, США) разработала ThermoPulse — систему беспроводного дистанционного in-situ мониторинга температуры при отверждении. Состоит из микропроволочных датчиков, антенны приема/передачи и блока чтения с ПО, преобразующим сигналы в температурные данные. Датчики остаются в детали, система работает в автоклаве, печи, инфузии, RTM. AvPro завершила Фазу I SBIR с ВВС США, сейчас выполняет Фазу II — прямое измерение температур швов при ремонте и изготовлении, верификация round-robin тестами на 4 независимых площадках.

Потенциал велик: реальные данные Industry 4.0 не только для термореактивов, но и для термопластиков (плавление, кристаллизация). Конечная цель — управление циклом отверждения на основе вязкоупругих изменений материала. Циклы можно сократить (видно завершение в реальном времени) и оптимизировать (микроволновая/индукционная нагрев для быстрых скоростей без перегрева).

Макро- vs микропроволочные датчики

Термопары — стандарт. Два провода разных металлов, соединенных на конце, генерируют ток при изменении Т. Дешевы, точны, но сборка не вмонтируется без потери свойств и проблем с вакуумным мешком (утечки).

Микропроволочные датчики ThermoPulse: 0,25 мм диаметром, 32 мм длины, успешно измеряли Т под CFRP ламинатом >25 мм. В тестах на сдвиг пробы с и без датчиков неразличимы. Из аморфных сплавов (Co, Fe). Уникальные магнитные свойства: поляризация только в двух состояниях (вдоль провода в одну или другую сторону), полярность меняется мгновенно — прыжок Баркгаузена. При переменном ЭМ-поле прыжки вызывают резкие напряженные импульсы, детектируемые антенной удаленно. Интеграл импульса зависит от температуры.

Ключ: металлургия микропроволоки настраивается под конкретную Кюриеву температуру (Т, выше которой импульс исчезает). Это сертифицируемое физическое свойство. Точная Т извлекается из нелинейного уменьшения интеграла при приближении к Т Кюри.

Антенна посылает НЧ ЭМ-поле, опрашивает датчик, получает импульс, блок чтения конвертирует в Т в точке датчика.

Конструкция датчика и автокалибровка

Датчик — 3 микропроволоки (каждая 0,03 мм) в жесткой трубке (0,25 мм):

• Измерительная проволока — Т Кюри ~10 °C выше Т отверждения смолы.
• Референсная проволока — Т Кюри на сотни градусов выше, дает постоянный импульс для нормализации.
• Автокалибровочная проволока — Т Кюри выше комнатной, но значительно ниже Т отверждения. Её импульс исчезает при достижении известной Т Кюри — момент точной верификации температуры для калибровки системы.

Тестирование SBIR

Фаза II (~половина пройдена) валидирует точность на 4 сайтах по 25 датчиков и прототип блока в горячем бондере (портфеле для контроля тепла/вакуума при ремонте). Сайты: AvPro, Abaris Training (Рено), TSI Technologies (Уичита), Hill AFB (Огден).

Abaris — партнер по Material State Management (MSM), TSI — по датчикам, Hill AFB — депо-обслуживание и AFLCMC/EZPT-ACO. Руководит AFRL (Райт-Петтерсон), менеджер Кара Сторидж.

Каждый сайт: 25 стандартных ремонтов шарфированным накладкой (6 слоев препрег + клеевая пленка, датчик в шве) + термопары-контроль.

«Завершили все тесты на 250 °F, анализируем данные. Пока микропроволочные измерения в пределах ±5 °F от термопар», — президент AvPro Том Роуз. Hill AFB тестирует стекловолокно. Сейчас стартуют тесты на 350 °F (100 датчиков), завершение к октябрю 2019.

Цель — статистическая база для метода ASTM. ASTM разрабатывает стандарты для композитов. Метод измерения Т в шве при ремонте применим к любому композитному шву, даст уверенность в точности. Также обратная связь для улучшения прототипа горячего бондера как замкнутого контура управления Т.

«Цель — управлять отверждением ремонта по температуре в шве, для значительной экономии времени и денег», — Роуз.

Модернизация отверждения, документирование качества

«Датчик разработан для нашей системы управления отверждением. Фундаментальных изменений в управлении отверждением не было. Аэрокосмическое сообщество консервативно», — Лу Дорворт, инструктор Abaris. Роуз: цель — коммерческий продукт, простой в использовании. Уточняют ПО, масштабируют производство проводов/датчиков. Прогноз стоимости $25–30 за датчик — как термопара.

Приоритет — финализация для коммерциализации и серийного производства. Далее — установление метода ASTM, затем тесты для структурной сертификации (программы влияния дефектов). «Эквивалентные результаты с/без датчика — хороший старт, но инженерам структур нужно убедиться, что датчики в критических точках улучшают достижение свойств без дефектов». Цель — первичная квалификация у производителя полностью композитного легкого спортивного самолета (LSA) — более плоская структура.

Хотя изменения в аэрокосмических композитах дороги и медленны, сейчас больше стимулов для внедрения технологий процессного контроля, ускоряющих производство. Роуз и Дорворт видят потенциал не только в авиации, но и в управлении температурозависимыми процессами по реальным in-situ данным.

«Наша система дает производителю возможность оптимизировать свои циклы отверждения и коррелировать их с реальными свойствами. Теперь мы можем измерять температуру и вязкость как функцию времени ВНУТРИ детали И шва. Это дает возможность настоящей цифровой контроля и документированной уверенности в качестве деталей», — Роуз.