Измерение температуры внутри композитов и клеевых линий

Полная видимость линии соединения композита и / или клея во время отверждения была проблемой на протяжении десятилетий. Текущие датчики температуры - термопары - слишком велики, чтобы их можно было встроить без повреждения детали. Таким образом, теперь можно считывать температуру только на поверхности и по периметру деталей и при ремонте со склеиванием. Трудно определить температуру клея на дне ремонтной заплатки, внутри толстого ламината фюзеляжа или обшивки крыла или между этими обшивками и толстыми стрингерами. Тем не менее, эта температура имеет решающее значение для правильного течения, смачивания и отверждения смолы.

В настоящее время промышленность композитов компенсирует этот недостаток, тратя месяцы и миллионы долларов на тестирование, чтобы убедиться, что расчетные значения времени и температуры действительно полностью отверждаются и дают необходимые свойства. Несмотря на это, поставщики по-прежнему тратят много человеко-часов и долларов каждый год на проверку и сертификацию деталей, где термопары выходят из строя или где опережающие / запаздывающие термопары находятся за пределами установленных границ, чтобы поставить под сомнение свойства и летные характеристики.

Пытаясь решить эту проблему измерения температуры, AvPro ​​Inc. (Норман, Оклахома, США) разработала систему ThermoPulse, которая обеспечивает беспроводной, удаленный мониторинг температуры на месте во время отверждения. Система включает микропроволочные датчики, передающую / приемную антенну и блок считывания, который собирает антенные сигналы и использует программное обеспечение для преобразования этой информации в данные о температуре. Датчики остаются встроенными в деталь, и систему можно использовать в автоклаве, сушильном шкафу, инфузии или формовании с переносом смолы (RTM). AvPro ​​уже завершила программу исследований инноваций малого бизнеса (SBIR) в рамках Фазы I совместно с ВВС США и в настоящее время выполняет Фазу II, непосредственно измеряя температуру соединения во время ремонта композитных материалов и изготовления композитных деталей, а также проверяя точность ThermoPulse с помощью циклического перебора. тестирование на четырех независимых сайтах.

Потенциал этой технологии значительный, поскольку она предлагает данные Industry 4.0 в реальном времени не только для термореактивных композитов, но также для зависимого от температуры образования расплава и кристалличности термопласта материалы. Кроме того, измерение на самом деле не является конечной целью системы. В конечном итоге ThermoPulse будет управлять циклами отверждения на основе изменения вязкоупругости композита. Циклы отверждения можно сократить, поскольку о завершении можно судить по данным в реальном времени по сравнению с устаревшим рецептом времени / температуры. Циклы отверждения также можно оптимизировать, что позволяет использовать микроволновый и индукционный нагрев для обеспечения точной и почти мгновенной температуры, необходимой для достижения высоких скоростей отверждения без «переваривания» композита.

Макросенсоры и микропроволочные датчики

Термопары - наиболее распространенный датчик температуры, используемый сегодня при обработке композитов. Образованные двумя проволоками из разных металлов, соединенными на одном конце, они генерируют ток при изменении температуры. Термопары недороги и могут обеспечивать точные показания температуры, но их необходимо подключать к вольтметру. Даже несмотря на то, что отдельные провода могут иметь очень малый диаметр, завершенный блок генерации данных не может быть встроен в деталь или соединительную линию без ухудшения структурных свойств, а также создания проблем с вакуумным мешком (т. Е. Источника потенциальных путей утечки), которые могут привести к некачественные композитные детали.

Напротив, микропроволочные датчики в системе AvPro ​​ThermoPulse имеют диаметр 0,25 мм и длину 32 мм и успешно измеряют температуру, будучи встроенными под ламинат из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) толщиной более 25 мм. По результатам испытаний на сдвиг внахлест купоны со встроенными датчиками в клеевой слой и без них неразличимы. Микропроволочные датчики изготавливаются из аморфных металлических сплавов, в основном кобальта и железа. Их магнитные свойства уникальны. Во-первых, они поляризуются только в двух возможных состояниях - по длине провода в одном направлении или в противоположном. Кроме того, полярность меняется почти мгновенно - это называется прыжком Баркгаузена. Когда к датчику прикладывается переменное электромагнитное поле, эти скачки Бархуасена вызывают резкие импульсы напряжения, которые можно обнаружить дистанционно с помощью антенны. Интеграл каждого импульса зависит от температуры.

Еще одним ключевым компонентом этого механизма измерения является то, что металлургия микропровода может быть адаптирована к определенной температуре Кюри, то есть температуре, выше которой импульс напряжения больше не возникает. Обратите внимание:это подтвержденное физическое свойство производимого микропровода. Точная температура может быть получена из импульса напряжения микропровода, поскольку величина интеграла нелинейно уменьшается по мере приближения температуры микропровода к температуре Кюри (рис. 2).

Таким образом, антенна ThermoPulse излучает низкочастотное электромагнитное поле для опроса встроенного датчика, а затем принимает результирующий импульс напряжения, который затем преобразуется блоком считывателя в измерение температуры в месте расположения датчика.

Датчики ThermoPulse проходят автокалибровку и фактически состоят из трех микропроводов, заключенных в жесткую трубку. (Это трубка диаметром 0,25 мм; каждая проволока имеет диаметр 0,03 мм.) Одна проволока выполняет функцию измерительной проволоки . и легирован таким образом, чтобы температура Кюри была примерно на 50 ° F / 10 ° C выше температуры отверждения системы смол, для которой разработан датчик. Второй провод называется контрольным проводом . и легирован так, чтобы иметь температуру Кюри на несколько сотен градусов выше желаемой температуры выдержки, обеспечивая постоянный импульс для нормализации. Третий провод, называемый проводом автокалибровки, легирован для температуры Кюри выше комнатной, но значительно ниже температуры отверждения. Он будет обеспечивать показания температуры до тех пор, пока не будет достигнута его известная температура Кюри, после чего его импульс исчезнет. В этот момент температура датчика точно проверяется, и система ThermoPulse имеет калибровочную температуру, необходимую для проведения измерений и расчетов.

Тестирование SBIR

Завершив первоначальный этап I SBIR с участием ВВС США для демонстрации осуществимости, AvPro ​​и его партнеры сейчас примерно на полпути к этапу II проекта, предназначенного для проверки точности и точности системы ThermoPulse. Это достигается путем тестирования на четырех независимых объектах, на каждом из которых используется 25 датчиков ThermoPulse и прототип считывающего устройства, встроенного в устройство горячего склеивания. Аппараты для горячего склеивания - это портативное оборудование размером с небольшой чемодан, используемое для управления воздействием тепла и вакуума на ремонт клеевого композитного материала. Четыре испытательных полигона - это объекты AvPro, Abaris Training (Рино, Невада, США), TSI Technologies Inc. (Уичито, Канзас, США) и AFLCMC / EZPT-ACO на базе ВВС Хилл (недалеко от Огдена, Юта, США).

AvPro ​​много лет сотрудничает с Abaris Training, чтобы помочь в проверке и совершенствовании своей системы управления состоянием материалов (MSM), а TSI Technologies является ключевым партнером в разработке и совершенствовании микропроводных датчиков. База ВВС Хилл является домом для Авиационного логистического комплекса Огден, который выполняет техническое обслуживание нескольких систем вооружения ВВС, а также Управления перспективных композитов ВВС Центра управления жизненным циклом ВВС (AFLCMC / EZPT-ACO), централизованного ресурса для полевых композитные материалы. Исследовательская программа возглавляется Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL, Райт-Паттерсон, Огайо, США) и менеджером проекта Кара Складом с целью разработки и ремонта самолетов.

На каждом испытательном участке будет выполнено 25 стандартных ремонтов склеенных композитов с использованием заплатки для ремонта косынки диаметром 5 дюймов, сделанной из шести слоев препрега поверх слоя клеящей пленки с микропроволочным датчиком в линии склеивания. В каждом из этих 25 ремонтов также будут использоваться термопары в качестве контроля для сравнения с результатами микропроволочного датчика ThermoPulse.

«Мы завершили все тесты на ремонт при температуре 250 ° F и сейчас анализируем данные», - говорит президент AvPro ​​Том Роуз. «Пока что измерения микропровода находятся в пределах ± 5 ° F от измерений термопары». Роуз говорит, что все испытательные площадки используют ламинаты и заплатки из углепластика, за исключением Hill AFB, у которого есть особые причины для тестирования и ремонта ламината из стекловолокна. «Сейчас мы начинаем испытания с дополнительными 100 датчиками для ремонта при температуре 350 ° F и завершим работы по SBIR к октябрю 2019 года».

Другой целью этого тестирования является разработка статистической основы для метода ASTM. ASTM International (Вест Коншохокен, Пенсильвания, США) - это организация, которая разрабатывает отраслевые стандарты, включая большинство методов испытаний, используемых для композитных материалов и конструкций. «Метод ASTM для измерения температуры в зоне соединения во время ремонта композитом также применим к любой линии соединения композита, - говорит Роуз, - и даст отрасли уверенность в точности датчиков ThermoPulse». Завершение ремонта для испытаний SBIR также обеспечит обратную связь для доработки прототипа горячего склеивания в качестве устройства контроля температуры с замкнутым контуром. «Наша цель - контролировать ремонтное отверждение в зависимости от температуры в пределах линии склеивания, - говорит Роуз, - с конечной целью обеспечить значительную экономию времени и средств».

Модернизация лечения, документирование качества

«Этот датчик был разработан для использования в нашей системе управления отверждением», - объясняет Роуз. «На самом деле не произошло серьезных изменений в том, как мы лечим композитные конструкции». Однако контроль состояния материалов AvPro ​​ является существенное изменение, которое является одной из причин, почему его внедрение было медленным. «Сообщество аэрокосмических композитов очень консервативно, - отмечает Лу Дорворт, давний инструктор Abaris Training. «Использование системы управления состоянием материалов AvPro ​​потребовало обучения, и поначалу устройства не были такими удобными для пользователя, как те, которые разрабатывались с помощью ThermoPulse». Роуз признает, что целью текущих разработок является создание коммерческого продукта, который был бы простым в использовании. «Мы также дорабатываем программное обеспечение и масштабируем производство проводов и датчиков для промышленного производства. В настоящее время мы прогнозируем стоимость каждого датчика в размере 25-30 долларов США, что примерно соответствует цене термопары ».

«Нашей первоочередной задачей является доработка технологии для коммерциализации и промышленного производства», - говорит Роуз. Он добавляет, что AvPro ​​в следующий раз продвинется вперед с установлением метода испытаний ASTM; заключительный шаг будет заключаться в проведении любых дополнительных испытаний, необходимых для структурной сертификации (т. е. воздействия программ дефектов). «Получение эквивалентных результатов с подключенным датчиком и без него - хорошее начало, - говорит Роуз, - но инженеры-конструкторы должны быть уверены в том, что датчики можно размещать в критических местах и ​​улучшать их способность достигать свойств, не создавая дефектов. ” Его цель - пройти начальную квалификацию системы ThermoPulse у производителя полностью композитных легких спортивных самолетов (LSA), который, как правило, имеет более плоскую корпоративную структуру, чем OEM-производители и крупные поставщики.

Хотя изменения в проектировании и производстве композитных аэроструктур, как известно, являются дорогостоящими и медленными, сейчас есть больше стимулов, чем когда-либо, для внедрения технологий управления процессами, которые могут ускорить темпы производства композитов. Роуз и Дорворт видят потенциал не только для производства и ремонта самолетов, но и для гораздо более широких приложений, таких как управление процессами, зависящими от температуры, на основе данных в реальном времени на месте. «Наша система дает производителю деталей возможность оптимизировать свои собственные циклы отверждения и соотносить их с фактическими свойствами материала», - говорит Роуз. «Теперь у нас есть возможность измерять температуру и вязкость как функцию времени в часть и линия облигаций. Это дает нам возможность по-настоящему установить цифровой контроль и документально подтвердить качество наших деталей ».