Messung der Temperatur in Verbundwerkstoffen und Bondlines

Die vollständige Sichtbarkeit einer Komposit- und/oder Adhäsivfuge während der Aushärtung ist seit Jahrzehnten ein Problem. Aktuelle Temperatursensoren – Thermoelemente – sind zu groß, um eingebettet zu werden, ohne einen Defekt im Teil zu verursachen. Somit ist es nur noch möglich, die Temperatur an der Oberfläche und am Umfang von Teilen und geklebten Reparaturen abzulesen. Es ist schwierig, die Temperatur eines Klebstoffs an der Unterseite eines Reparaturflickens, in einem dicken Rumpf- oder Flügelhautlaminat oder zwischen diesen Häuten und dicken Stringern zu bestimmen. Diese Temperatur ist jedoch entscheidend für das richtige Fließen, Benetzen und Aushärten des Harzes.

Gegenwärtig kompensiert die Verbundwerkstoffindustrie diesen Mangel, indem sie Monate und Millionen von Dollar für Tests aufwendet, um sicherzustellen, dass die geschätzten Zeit- und Temperaturrezepturen tatsächlich vollständig aushärten und die erforderlichen Eigenschaften erzeugen. Trotzdem wenden Zulieferer jedes Jahr viele Arbeitsstunden und Dollar auf, um Teile zu überprüfen und zu zertifizieren, bei denen Thermoelemente versagen oder bei denen voreilende/nacheilende Thermoelemente ausreichend außerhalb der vorgeschriebenen Grenzen liegen, um Zweifel an den Eigenschaften und der Flugleistung aufzubringen.

Um dieses Temperaturmessproblem zu lösen, hat AvPro ​​Inc. (Norman, OK, USA) das ThermoPulse-System entwickelt, das eine drahtlose Fernüberwachung der Temperatur vor Ort während der Aushärtung ermöglicht. Das System umfasst Mikrodrahtsensoren, eine Sende-/Empfangsantenne und eine Lesebox, die Antennensignale sammelt und diese Informationen mithilfe von Software in Temperaturdaten umwandelt. Die Sensoren bleiben im Teil eingebettet und das System kann mit Autoklaven-, Ofen-, Infusions- oder Harztransferpressverfahren (RTM) verwendet werden. AvPro ​​hat bereits ein Phase-I-Small Business Innovation Research (SBIR)-Programm mit der US Air Force abgeschlossen und führt derzeit eine Phase-II-Anstrengung durch, bei der die Klebefugentemperaturen während der Reparaturen von Verbundwerkstoffen und der Herstellung von Verbundteilen direkt gemessen und die Genauigkeit von ThermoPulse mittels Ringversuch überprüft wird Tests an vier unabhängigen Standorten.

Das Potenzial dieser Technologie ist beträchtlich und bietet Echtzeit-Industrie-4.0-Daten nicht nur für duroplastische Verbundwerkstoffe, sondern auch für die temperaturabhängige Schmelz- und Kristallinitätsbildung von Thermoplast Materialien. Außerdem Messung ist eigentlich nicht das Endziel des Systems. ThermoPulse verwaltet letztendlich die Härtungszyklen basierend auf der viskoelastischen Veränderung des Komposits. Aushärtungszyklen können verkürzt werden, da der Abschluss anhand von Echtzeitdaten im Vergleich zu einem alten Zeit-/Temperaturrezept angezeigt werden kann. Die Härtungszyklen können auch optimiert werden, wodurch die Verwendung von Mikrowellen- und Induktionserwärmung ermöglicht wird, um bei Bedarf eine sehr gezielte und nahezu augenblickliche Temperatur zu liefern, um schnelle Härtungsraten zu erzielen, ohne den Verbundstoff zu „überkochen“.

Makro vs. Mikrodrahtsensoren

Thermoelemente sind heute die am häufigsten verwendeten Temperatursensoren in der Verarbeitung von Verbundwerkstoffen. Sie bestehen aus zwei an einem Ende verbundenen Drähten aus unterschiedlichen Metallen und erzeugen bei Temperaturänderung einen Strom. Thermoelemente sind kostengünstig und können genaue Temperaturmesswerte liefern, müssen jedoch an ein Voltmeter angeschlossen werden. Auch wenn die einzelnen Drähte einen sehr kleinen Durchmesser haben können, kann die fertige, datenerzeugende Baugruppe nicht in ein Teil oder eine Verbindungslinie eingebettet werden, ohne die strukturellen Eigenschaften zu beeinträchtigen und auch Vakuumbeutelherausforderungen (dh eine Quelle potenzieller Leckpfade) zu stellen, die zu Kompositteile von schlechter Qualität.

Im Gegensatz dazu haben die Mikrodrahtsensoren im ThermoPulse-System von AvPro ​​einen Durchmesser von 0,25 mm und eine Länge von 32 mm und haben erfolgreich die Temperatur gemessen, während sie unter einem mehr als 25 mm dicken kohlenstofffaserverstärkten Polymerlaminat (CFK) eingebettet waren. Bei den Überlappungsschertestergebnissen sind Coupons mit und ohne eingebettete Sensoren in der Klebfuge nicht zu unterscheiden. Die Mikrodrahtsensoren bestehen aus amorphen Metalllegierungen, hauptsächlich Kobalt und Eisen. Ihre magnetischen Eigenschaften sind einzigartig. Erstens polarisieren sie nur in zwei möglichen Zuständen – entlang der Drahtlänge in eine Richtung oder in die entgegengesetzte Richtung. Darüber hinaus ändert sich die Polarität fast augenblicklich – als Barkhausen-Sprung bezeichnet. Wenn ein elektromagnetisches Wechselfeld an einen Sensor angelegt wird, verursachen diese Barkhuasen-Sprünge scharfe Spannungsimpulse, die mit einer Antenne aus der Ferne erfasst werden können. Das Integral jedes Impulses ist temperaturabhängig.

Eine weitere Schlüsselkomponente dieses Messmechanismus besteht darin, dass die Mikrodraht-Metallurgie auf eine bestimmte Curie-Temperatur zugeschnitten werden kann, d. h. die Temperatur, oberhalb derer der Spannungsimpuls nicht mehr auftritt. Beachten Sie, dass dies eine zertifizierbare physikalische Eigenschaft des hergestellten Mikrodrahts ist. Die genaue Temperatur kann aus dem Spannungsimpuls des Mikrodrahts extrahiert werden, da die Größe des Integrals nichtlinear abnimmt, wenn sich die Temperatur des Mikrodrahts seiner Curie-Temperatur nähert (Abb. 2).

Daher sendet die ThermoPulse-Antenne ein niederfrequentes elektromagnetisches Feld aus, um den eingebetteten Sensor abzufragen, und empfängt dann den resultierenden Spannungsimpuls, der dann von der Lesebox in eine Temperaturmessung an dieser Sensorposition umgewandelt wird.

ThermoPulse-Sensoren sind selbstkalibrierend und bestehen eigentlich aus drei Mikrodrähten, die in einem starren Rohr gekapselt sind. (Das Rohr hat einen Durchmesser von 0,25 mm; jeder der Drähte hat einen Durchmesser von 0,03 mm.) Ein Draht fungiert als Messdraht und ist legiert, um eine Curie-Temperatur von ungefähr 50 °F/10 °C über der Aushärtungstemperatur für das Harzsystem zu haben, für das der Sensor ausgelegt ist. Ein zweiter Draht wird als Referenzdraht bezeichnet und ist legiert, um eine Curie-Temperatur von mehreren hundert Grad über der gewünschten Verweiltemperatur zu haben, wodurch ein konstanter Impuls zur Normalisierung bereitgestellt wird. Der dritte Draht, der als Autokalibrierungsdraht bezeichnet wird wird für eine Curie-Temperatur über der Raumtemperatur, aber deutlich unter der Härtungstemperatur legiert. Es liefert Temperaturmesswerte, bis seine bekannte Curie-Temperatur erreicht ist, woraufhin sein Puls verschwindet. In diesem Moment wird die Temperatur des Sensors genau überprüft und das ThermoPulse-System hat die erforderliche Kalibriertemperatur, um mit Messungen und Berechnungen fortzufahren.

SBIR-Tests

Nachdem AvPro ​​und seine Partner eine erste Phase-I-SBIR mit der Air Force abgeschlossen haben, um die Machbarkeit zu demonstrieren, befinden sich AvPro ​​und seine Partner nun ungefähr in der Mitte des Phase-II-Projekts, das die Genauigkeit und Präzision des ThermoPulse-Systems validieren soll. Dies wird durch Tests an vier unabhängigen Standorten erreicht, die jeweils 25 ThermoPulse-Sensoren und eine Prototyp-Lesebox verwenden, die in eine Art Hot Bonder integriert sind. Hot Bonder sind tragbare, kleine Geräte in Koffergröße, mit denen die Anwendung von Wärme und Vakuum auf eine geklebte Kompositreparatur gesteuert wird. Die vier Teststandorte sind die Einrichtungen von AvPro, Abaris Training (Reno, NV, USA), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, USA) und AFLCMC/EZPT-ACO auf der Hill Air Force Base (in der Nähe von Ogden, UT, USA).

AvPro ​​arbeitet seit Jahren mit Abaris Training zusammen, um sein Material State Management (MSM)-System zu validieren und zu verfeinern, während TSI Technologies ein wichtiger Partner bei der Entwicklung und Verfeinerung der Mikrodrahtsensoren ist. Die Hill Air Force Base beherbergt den Ogden Air Logistics Complex, der Depotwartungen an mehreren Air Force-Waffensystemen durchführt, und das Air Force Advanced Composites Office (AFLCMC/EZPT-ACO) des Air Force Life Cycle Management Center, eine zentrale Ressource für Feldeinsätze Kompositmaterialien. Das Forschungsprogramm wird vom Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH, US) und dem Projektmanager Kara Storage mit Blick auf die Herstellung und Reparatur von Flugzeugen geleitet.

Jede Teststelle wird 25 standardisierte geklebte Verbundreparaturen mit einem 5 Zoll Durchmesser Schalreparaturflicken aus sechs Lagen Prepreg über einer Schicht Klebstofffilm mit einem Mikrodrahtsensor in der Klebelinie durchführen. Bei jeder dieser 25 Reparaturen werden auch Thermoelemente als Kontrolle zum Vergleich mit den Ergebnissen des ThermoPulse-Mikrodrahtsensors verwendet.

„Wir haben alle Reparaturtests zur Aushärtung bei 250 °F abgeschlossen und analysieren jetzt die Daten“, sagt AvPro-Präsident Tom Rose. „Bisher liegen die Mikrodrahtmessungen innerhalb von ±5°F von den Thermoelementmessungen.“ Rose sagt, dass alle Teststandorte CFK-Laminate und -Patches verwenden, mit Ausnahme von Hill AFB, die spezifische Gründe für das Testen von Glasfaserlaminaten und Reparaturen hat. „Wir beginnen jetzt mit den Tests mit weiteren 100 Sensoren für 350°F-Reparaturen und werden die SBIR-Arbeiten bis Oktober 2019 abschließen.“

Ein weiteres Ziel dieser Prüfung ist es, die statistische Grundlage für eine ASTM-Methode zu entwickeln. ASTM International (West Conshohocken, PA, USA) ist eine Organisation, die Industriestandards entwickelt, einschließlich der meisten Testmethoden, die für Verbundwerkstoffe und -strukturen verwendet werden. „Die ASTM-Methode zur Messung der Temperatur in einer Klebefuge während einer Kompositreparatur würde auch für jede Komposit-Klebefuge gelten“, sagt Rose, „und wird der Industrie Vertrauen in die Genauigkeit der ThermoPulse-Sensoren geben.“ Der Abschluss der Reparaturen für die SBIR-Tests wird auch Feedback für die Verfeinerung des Hot Bonder-Prototyps als geschlossenes Temperaturregelgerät liefern. „Unser Ziel ist es, die Aushärtung der Reparatur basierend auf den Temperaturen innerhalb der Klebefuge zu steuern“, sagt Rose, „mit dem ultimativen Ziel, erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen zu erzielen.“

Kur modernisieren, Qualität dokumentieren

„Dieser Sensor wurde entwickelt, um in unser Cure-Management-System einzuspeisen“, erklärt Rose. „Es hat sich wirklich nicht viel grundlegend geändert in der Art und Weise, wie wir die Härtung in Verbundstrukturen verwalten.“ Die Materialzustandskontrolle von AvPro ​​ist jedoch ist eine bedeutende Änderung, die ein Grund für die langsame Einführung ist. „Die Gemeinschaft der Verbundwerkstoffe für die Luft- und Raumfahrt ist sehr konservativ“, sagt Lou Dorworth, langjähriger Ausbilder bei Abaris Training. „Die Verwendung des Material State Management-Systems von AvPro ​​erforderte Schulungen und die Geräte waren anfangs nicht so benutzerfreundlich wie die mit ThermoPulse entwickelten.“ Rose erkennt an, dass das Ziel der aktuellen Entwicklung darin besteht, ein kommerzielles Produkt bereitzustellen, das einfach zu verwenden ist. „Außerdem verfeinern wir die Software und skalieren die Draht- und Sensorfertigung für die industrielle Produktion. Derzeit rechnen wir mit Kosten von 25 bis 30 US-Dollar für jeden Sensor, was ungefähr dem Preis eines Thermoelements entspricht.“

„Unsere erste Priorität besteht darin, die Technologie für die Kommerzialisierung und industrielle Produktion fertig zu stellen“, sagt Rose. Er fügt hinzu, dass AvPro ​​als nächstes mit der Etablierung einer ASTM-Testmethode voranschreiten wird; Der letzte Schritt besteht darin, alle zusätzlichen Prüfungen durchzuführen, die für die strukturelle Zertifizierung erforderlich sind (d. h. Auswirkungen von Fehlerprogrammen). „Gleichwertige Ergebnisse mit und ohne eingeklebten Sensor zu erhalten, ist ein guter Anfang“, sagt Rose, „aber die Bauingenieure müssen davon überzeugt sein, dass die Sensoren an kritischen Stellen platziert werden und ihre Fähigkeit zur Erreichung von Eigenschaften verbessern können, ohne einen Defekt zu verursachen. ” Sein Ziel ist es, eine Erstqualifizierung des ThermoPulse-Systems bei einem All-Composite Light Sport Aircraft (LSA)-Hersteller zu verfolgen, der tendenziell eine flachere Unternehmensstruktur hat als OEMs und große Tier-Zulieferer.

Obwohl Veränderungen in der Konstruktion und Produktion von Verbundwerkstoff-Flugzeugstrukturen notorisch teuer und langsam sind, gibt es heute mehr denn je Nachdruck, Prozesssteuerungstechnologien zu implementieren, die das Tempo der Verbundwerkstoff-Herstellung beschleunigen können. Rose und Dorworth sehen das Potenzial nicht nur für die Herstellung und Reparatur von Flugzeugen, sondern für viel breitere Anwendungen wie die Verwaltung temperaturabhängiger Prozesse auf der Grundlage von Echtzeit-In-Situ-Daten. „Unser System gibt dem Teilehersteller die Möglichkeit, seine eigenen Härtungszyklen zu optimieren und diese mit den tatsächlichen Materialeigenschaften zu korrelieren“, sagt Rose. „Wir haben jetzt die Möglichkeit, Temperatur und Viskosität als Funktion der Zeit in zu messen der Teil und Bindungslinie. Das gibt uns die Möglichkeit, eine echte digitale Kontrolle aufzubauen und ein dokumentiertes Vertrauen in die Qualität unserer Teile zu haben.“