Präzise Temperaturüberwachung im Inneren von Composite-Strukturen und Klebverbindungen

Volle Transparenz in ein Composite und/oder eine Klebverbindung während des Aushärtens ist seit Jahrzehnten ein Problem. Aktuelle Temperatursensoren – Thermoelemente – sind zu groß, um eingebettet zu werden, ohne einen Defekt im Bauteil zu verursachen. Daher ist es bisher nur möglich, Temperaturen an Oberflächen und Rändern von Bauteilen und geklebten Reparaturen zu messen. Die Temperatur des Klebstoffs am Boden einer Reparaturstelle, im Inneren dicker Rumpf- oder Tragflächenlaminate oder zwischen diesen Skins und dicken Stringern bleibt unbekannt. Doch genau diese Temperatur ist entscheidend für korrekten Harzfluss, Benetzung und Aushärtung.

Derzeit kompensiert die Composite-Industrie diesen Mangel, indem sie Monate und Millionen Dollar in Tests investiert, um sicherzustellen, dass geschätzte Zeit-Temperatur-Rezepte den Aushärtungsprozess tatsächlich abschließen und die notwendigen Eigenschaften erzeugen. Trotz alledem investieren Zulieferer jährlich viele Arbeitsstunden und Dollar in die Prüfung und Zertifizierung von Bauteilen, bei denen Thermoelemente versagen oder führende/nachlaufende Thermoelemente ausreichend außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen, um Zweifel an Eigenschaften und Flugleistung zu säen.

Lösung: ThermoPulse-System

Um dieses Temperaturmessproblem zu lösen, hat AvPro Inc. (Norman, OK, USA) das ThermoPulse-System entwickelt, das drahtlose, ferngesteuerte In-situ-Temperaturüberwachung während des Aushärtens ermöglicht. Das System besteht aus Mikrodrahtsensoren, einer Sende-/Empfangsantenne und einer Leseeinheit, die Antennensignale erfasst und per Software in Temperaturdaten umwandelt. Die Sensoren verbleiben im Bauteil; das System ist nutzbar für Autoklav, Ofen, Infusion oder RTM (Resin Transfer Molding). AvPro hat bereits ein Phase-I-SBIR-Programm (Small Business Innovation Research) mit der US Air Force abgeschlossen und führt derzeit Phase II durch – direkte Messung von Klebverbindungstemperaturen während Composite-Reparaturen und -Fertigung sowie Verifizierung der ThermoPulse-Genauigkeit via Round-Robin-Tests an vier unabhängigen Standorten.

Das Potenzial ist signifikant: Echtzeit-Industrie-4.0-Daten nicht nur für duroplastische Composites, sondern auch für temperaturabhängiges Schmelzen und Kristallinitätsbildung thermoplastischer Materialien. Zudem ist Messung nicht das Endziel. ThermoPulse wird letztlich Aushärtezyklen basierend auf der viskoelastischen Veränderung des Composites steuern. Aushärtezyklen können verkürzt werden, da Abschluss durch Echtzeitdaten sichtbar wird statt über Legacy-Zeit/Temperatur-Rezepte. Zyklen können optimiert werden, was Mikrowellen- und Induktionserwärmung für hochgezielte, nahezu augenblickliche Temperaturzufuhr ermöglicht – schnelle Aushärteraten ohne „Überkochen“ des Composites.

Makro- vs. Mikrodrahtsensoren

Thermoelemente sind heute die gängigsten Temperatursensoren in der Composite-Verarbeitung. Zwei Drähte verschiedener Metalle, an einem Ende verbunden, erzeugen Strom bei Temperaturänderung. Thermoelemente sind kostengünstig und liefern genaue Messwerte, müssen aber an ein Voltmeter angeschlossen werden. Auch wenn Einzeldrähte sehr klein sein können, kann die fertige, datengenerierende Baugruppe nicht in Bauteil oder Klebverbindung eingebettet werden, ohne Struktureigenschaften zu mindern und Vakuumbeutel-Herausforderungen (potenzieller Leckpfad) zu schaffen, die zu minderer Composite-Qualität führen können.

Im Gegensatz dazu haben die Mikrodrahtsensoren im ThermoPulse-System 0,25 mm Durchmesser und 32 mm Länge und haben erfolgreich Temperaturen gemessen, während sie unter einem CFRP-Laminat (Carbon-Fiber-Reinforced Polymer) > 25 mm Dicke eingebettet waren. In Scherzugversuchen waren Proben mit und ohne eingebettete Sensoren in der Klebverbindung nicht unterscheidbar. Die Mikrodrahtsensoren bestehen aus amorphen Metalllegierungen, hauptsächlich Kobalt und Eisen. Ihre magnetischen Eigenschaften sind einzigartig: Sie polarisieren nur in zwei möglichen Zuständen – entlang der Drahtlänge in die eine oder entgegengesetzte Richtung. Zudem wechselt die Polarität nahezu instantan – Barkhausen-Sprung genannt. Wird ein wechselndes elektromagnetisches Feld auf einen Sensor angewendet, erzeugen diese Barkhausen-Sprünge scharfe Spannungspulse, die ferngesteuert mit einer Antenne detektiert werden können. Das Integral jedes Pulses ist temperaturabhängig.

Ein weiterer Schlüssel: Die Mikrodraht-Metallurgie kann auf eine spezifische Curie-Temperatur abgestimmt werden – die Temperatur, oberhalb derer der Spannungspuls nicht mehr auftritt. Dies ist eine zertifizierbare physikalische Eigenschaft des hergestellten Mikrodrahts. Präzise Temperatur lässt sich aus dem Spannungspuls extrahieren, da die Größe des Integrals nichtlinear abnimmt, je mehr sich die Mikrodrahttemperatur der Curie-Temperatur nähert (Abb. 2).

Die ThermoPulse-Antenne sendet ein niederfrequentes elektromagnetisches Feld zur Abfrage des eingebetteten Sensors und empfängt den resultierenden Spannungspuls, der dann von der Leseeinheit in eine Temperaturmessung an dieser Sensorposition umgewandelt wird.

ThermoPulse-Sensoren sind autokalibrierend und bestehen aus drei Mikrodrähten, gekapselt in einem starren Rohr (Rohr: 0,25 mm Ø; Einzeldrähte: 0,03 mm Ø). Ein Draht fungiert als Messdraht, legiert auf Curie-Temperatur ca. 50 °F / 10 °C über der Aushärtetemperatur des Harzsystems. Ein zweiter als Referenzdraht, Curie-Temperatur mehrere hundert Grad über der Dwell-Temperatur – liefert konstanten Pulse zur Normalisierung. Der dritte, Autokalibrierdraht, Curie-Temperatur über Raumtemperatur, aber signifikant unter Aushärtetemperatur. Liefert Messwerte bis Erreichen seiner bekannten Curie-Temperatur, dann verschwindet sein Puls. In diesem Moment ist die Sensortemperatur präzise verifiziert und das System hat die Kalibriertemperatur für Messungen und Berechnungen.

SBIR-Tests

Nach Abschluss der initialen Phase-I-SBIR mit der Air Force zur Machbarkeitsdemonstration befinden sich AvPro und Partner etwa in der Mitte des Phase-II-Projekts, designed zur Validierung von Genauigkeit und Präzision. Erreicht durch Tests an vier unabhängigen Standorten, jeweils mit 25 ThermoPulse-Sensoren und Prototyp-Leseeinheit, integriert in einen Hot Bonder. Hot Bonder sind tragbare, kofferähnliche Geräte zur Steuerung von Wärme und Vakuum bei klebenden Composite-Reparaturen. Die vier Teststandorte: AvPro-Einrichtungen, Abaris Training (Reno, NV), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS), AFLCMC/EZPT-ACO auf Hill Air Force Base (bei Ogden, UT).

Abaris Training validiert seit Jahren AvPros Material State Management (MSM); TSI Technologies ist Schlüsselpartner für Mikrodrahtsensoren. Hill AFB beherbergt Ogden Air Logistics Complex (Depotwartung mehrerer Waffensysteme) und Air Force Life Cycle Management Center's Air Force Advanced Composites Office (zentrale Ressource für eingesetzte Composite-Materialien). Forschungsprogramm geleitet von Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH) und Projektmanagerin Kara Storage – Blick auf Flugzeugfertigung und -reparatur.

Jeder Standort führt 25 standardisierte geklebte Composite-Reparaturen durch: 5-Zoll-Durchmesser-Schrägreparaturflicken aus sechs Lagen Prepreg über einer Lage Filmkleber mit Mikrodrahtsensor in der Klebverbindung. Jede Reparatur nutzt auch Thermoelemente als Kontrolle zum Vergleich.

„Wir haben alle 250 °F-Aushärtetests abgeschlossen und analysieren nun die Daten. Bisher liegen Mikrodrahtmessungen innerhalb von ±5 °F der Thermoelementmessungen“, sagt AvPro-Präsident Tom Rose. „Alle Standorte nutzen CFRP-Laminate und -Flicken außer Hill AFB, das spezifische Gründe für Glasfaserlaminate und -reparaturen hat. Wir starten nun Tests mit zusätzlichen 100 Sensoren für 350 °F-Reparaturen und beenden SBIR-Arbeiten bis Oktober 2019.“

Ein weiteres Ziel: statistische Basis für ASTM-Norm entwickeln. ASTM International (West Conshohocken, PA) entwickelt Industriestandards, einschließlich der meisten Testmethoden für Composite-Materialien und -Strukturen. „Die ASTM-Methode für Temperaturmessung in Klebverbindungen während Composite-Reparatur würde auch auf jede Composite-Klebverbindung anwendbar sein und der Industrie Vertrauen in die Genauigkeit der ThermoPulse-Sensoren geben“, so Rose. Abschluss der Reparaturen für SBIR-Tests liefert auch Feedback zur Verfeinerung des Hot-Bonder-Prototyps als Closed-Loop-Temperaturregelung. „Ziel: Reparaturaushärtung basierend auf Temperaturen in der Klebverbindung steuern – mit ultimativem Ziel signifikanter Zeit- und Kosteneinsparungen.“

Modernisierung der Aushärtung, Dokumentation der Qualität

„Dieser Sensor wurde entwickelt, um in unser Cure-Management-System einzuspeisen. Es gab kaum fundamentalen Wandel in der Art, wie wir Aushärtung in Composite-Strukturen managen“, erklärt Rose. „Die Luftfahrt-Composite-Community ist sehr konservativ“, ergänzt Lou Dorworth, langjähriger Ausbilder bei Abaris Training. „AvPros Material State Management erforderte Training, und anfangs waren Geräte nicht so benutzerfreundlich wie die mit ThermoPulse entwickelten.“ Rose räumt ein: Ziel aktueller Entwicklung ist kommerzielles Produkt, einfach zu bedienen. „Wir verfeinern Software und skalieren Draht- und Sensorfertigung für industrielle Produktion. Aktuell projizieren wir 25–30 $ pro Sensor – etwa Thermoelement-Preis.“

„Erste Priorität: Technologie für Kommerzialisierung und industrielle Produktion finalisieren“, sagt Rose. Nächster Schritt: ASTM-Testmethode etablieren; finaler Schritt: weitere Tests für strukturelle Zertifizierung (Defekteffekt-Programme). „Äquivalente Ergebnisse mit und ohne Sensor in der Klebung sind guter Start, aber Struktur-Ingenieure müssen überzeugt werden, dass Sensoren an kritischen Stellen platziert werden können und die Fähigkeit zur Eigenschaftserreichung verbessern, ohne Defekt zu schaffen.“ Ziel: initiale Qualifizierung bei einem Ganz-Composite-LSA-Hersteller (Light Sport Aircraft) – flachere Hierarchien als OEMs und große Tier-Zulieferer.

Obwohl Wandel in Composite-Luftfahrtstrukturen notorisch teuer und langsam ist, gibt es nun mehr Antrieb denn je für Prozesskontrolltechnologien, die Composite-Fertigung beschleunigen. Rose und Dorworth sehen Potenzial nicht nur für Flugzeugbau und -reparatur, sondern weitreichendere Anwendungen: Steuerung temperaturabhängiger Prozesse basierend auf Echtzeit-In-situ-Daten. „Unser System gibt dem Teilehersteller die Macht, eigene Aushärtezyklen zu optimieren und diese mit tatsächlichen Materialeigenschaften zu korrelieren. Wir können jetzt Temperatur und Viskosität als Funktion der Zeit im Bauteil und in der Klebverbindung messen. Das ermöglicht echte digitale Kontrolle und dokumentiertes Vertrauen in die Qualität unserer Teile.“