Combinando sensores dieléctricos AC y DC para monitorización precisa del curado de compuestos

Historia de Lambient Technologies

He escrito sobre monitorización de curado vía sensores de microwire ThermoPulse de AvPro (Norman, Oklahoma, EE. UU.), que pretende usar en sus sistemas de gestión de curado, y también sobre sensores dieléctricos de corriente directa (DC) de Synthesites (Uccle, Bélgica) para monitorización in-situ y evaluación de Tg en tiempo real. En este blog, discutiré Lambient Technologies (Cambridge, Massachusetts, EE. UU.) y su historia en sensores dieléctricos de corriente alterna (AC) así como su último instrumento LT-440 que combina análisis dieléctrico (DEA) AC y DC. "Ambas tecnologías tienen ventajas y desventajas", dice el fundador de Lambient, Huan Lee. "Combinar mediciones AC y DC proporciona el mayor número posible de herramientas para I+D, control de calidad y monitorización in-situ durante fabricación."

Historia de Lambient Technologies

Lee estaba en un grupo de I+D en MIT desarrollando monitorización de curado en los años 80. Fundó una escisión, Micromet Instruments, en 1982 para comercializar esta tecnología. Micromet fue adquirida varias veces. En 2001, NETZSCH (Selb, Alemania) adquirió Holometrix Micromet y la fusionó con su negocio mundial de Análisis Térmico.

Sin embargo, Lee sintió que Netzsch no desarrollaba la tecnología lo suficiente, así que dejó la unidad de negocio Micromet y co-fundó Lambient Technologies en 2008 con Steve Pomeroy, ingeniero líder de Micromet Instruments. "Después de que me fui, Netzsch desarrolló el Epsilon 288, que es un buen instrumento para monitorización de curado", dice Lee. "Sin embargo, Netzsch es una empresa grande y DEA es un mercado minúsculo para ellos. Nuestra ventaja en Lambient Technologies es una profundidad única de conocimiento debido a mi rol como uno de los originadores de la tecnología." Aunque resinas y compuestos continúan siendo un área clave para la empresa, no se dirige a un solo tipo de industria, dice la directora de marketing de Lambient Technologies, Maria S. Lee. "Trabajamos con fabricantes de esmalte de uñas, materiales dentales y adhesivos así como fabricantes de palas eólicas compuestas e implantes médicos."

Los sensores e instrumentos de Lambient Technologies se usan para monitorizar las propiedades dieléctricas de polímeros termoestables en curado incluyendo epoxi, acrílico, poliuretano, poliéster, poliamida y poliamida, polímeros curables UV, todo tipo de compuestos de moldeo así como pinturas, recubrimientos y compuestos reforzados con fibra. Sus soluciones dan información sobre formulación, tasa de reacción, viscosidad y estado de curado. Se usan para estudiar materiales poliméricos y optimizar procesos de fabricación. Pueden usarse para gestionar fabricación de polímeros usando reactores por lotes y fabricación de compuestos usando hornos, autoclaves, prensas y sistemas de pultrusión.

La ciencia del DEA

El análisis dieléctrico, o DEA, es una técnica de análisis térmico como la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y el análisis mecánico dinámico (DMA) explica Huan Lee, "pero puede proporcionar análisis in situ usando sensores para medir las propiedades eléctricas del material bajo prueba. En cualquier resina termoestable, dos cosas ocurren. Los iones fluyen, pero esto será impedido por la rigidez de la red molecular que iguala el estado de curado. Los iones fluyendo proporcionan una respuesta independiente de frecuencia a un campo o señal electromagnética. La segunda actividad dentro de la resina es la rotación de dipolos positivos y negativos en respuesta al mismo campo o señal electromagnética. Sin embargo, esta respuesta depende de la frecuencia del campo electromagnético. Separar estos fenómenos independientes y dependientes de frecuencia es clave para distinguir el estado de curado."

En resina líquida, la resistencia al flujo iónico es baja, dice Lee (ver Termoestable No Curado en diagrama arriba). "A medida que la resina cura, la resistencia sube. Al final del curado, la resistencia al flujo iónico es muy grande." DEA mide la resistencia de un polímero (reportada como resistividad) y capacitancia (reportada como permisividad). La resistividad contiene tanto el componente de flujo iónico independiente de frecuencia como el de rotación de dipolo dependiente de frecuencia. La resistividad independiente de frecuencia se conoce como viscosidad iónica (ver gráfico abajo) y correlaciona con la viscosidad de la resina antes de gelificación y con su módulo después de gelificación.

Aunque no hay evento dieléctrico que identifique el punto de gelificación, el curado se identifica fácilmente donde el cambio de viscosidad iónica con el tiempo (pendiente) se acerca a cero. "La gelificación es un evento mecánico", explica Lee, "así que las propiedades dieléctricas de la resina no ayudan. Sin embargo, ocurre cerca de la tasa de reacción máxima que iguala la pendiente pico. Al final del curado, el usuario decide qué está completamente curado (basado en material y aplicación) y luego identifica la pendiente en la que esto ocurre. Esto es mucho más fiable que usar un tiempo y temperatura fijos."

Elementos del sistema DEA

Los sistemas DEA de Lambient Technologies comprenden unos pocos elementos esenciales. Las mediciones se hacen usando sensores dieléctricos, que incluyen un sensor de temperatura como un termopar. "Las propiedades dieléctricas cambian con el curado y la temperatura", nota Lee. Los sensores se cablean al equipo de monitorización que se conecta a un portátil ejecutando el software CureView de adquisición y análisis de datos de Lambient.

Los sensores dieléctricos de Lambient Technologies pueden ser permanentes o desechables. Los sensores permanentes se embeben en moldes o prensas y pueden reusarse. Típicamente comprenden uno o más electrodos metálicos embebidos en un sustrato cerámico, un termopar y una funda, que a menudo es de acero inoxidable. Estos sensores típicamente van de 0,25 a 1 pulgada de diámetro y pueden usarse hasta 250 °C. Los sensores desechables se usan en la superficie de una pieza y comprenden un array de electrodos unidos a un sustrato Kapton delgado (100 micrómetros), flexible. Pueden usarse hasta 350 °C. Lambient suministra sensores desechables Varicon de 38 cm de largo y sensores Mini-Varicon de 3,8 cm de largo.

Lambient Technologies también tiene una variedad de equipos de monitorización. "Empezamos con el sistema de monitor de curado dieléctrico LT-451 de grado laboratorio, que era muy sensible y ofrecía mucha flexibilidad", dice Steve Pomeroy, co-fundador de Lambient Technologies y líder en desarrollo de software. "Nuestros clientes necesitaban un sistema específicamente dirigido para QA/QC y fabricación, así que desarrollamos el Monitor de Curado Dieléctrico de Alta Velocidad LTF-631. Cada LT-451 o LTF-631 tiene hasta cuatro canales y cada canal tiene una entrada dieléctrica y una de termopar. También desarrollamos el Canal Dieléctrico LT-439 específicamente para QA/QC y fabricación. Es menos costoso y permite múltiples instrumentos en un enlace serial para objetos grandes como un ala o pala eólica. Es similar al LT-451 pero solo tiene un canal por unidad." Estima que el 30% de instrumentos de Lambient Technologies se usan para I+D mientras el 50% para QA/QC y 20% para fabricación.

Monitorización de curado AC y DC

"Principalmente usamos mediciones AC", nota Lee, "lo que solo significa que el voltaje de señal está oscilando. La frecuencia óptima necesaria para medir el estado de curado depende de dónde estás en el proceso de curado. Frecuencias más altas son buenas al principio, pero frecuencias más bajas son mejores al final del curado, cuando el material tiene un módulo mucho más alto."

"Pero también podemos usar DC", continúa Lee, "que aplica un voltaje fijo (frecuencia = 0) y impulsa la corriente solo en una dirección —así que esto es más simple. Las mediciones AC y DC concuerdan bien al final del curado, pero las mediciones DC pueden causar problemas al principio del curado. Mientras tanto, las mediciones AC al final del curado para la mayoría de termoestables y compuestos están bien, pero pueden tardar demasiado para ciertos materiales de alta resistencia." Esto es porque las mediciones AC al final del curado, cuando los materiales termoestables son más altos en resistencia, se toman mejor a frecuencias más bajas. "Si estás usando una frecuencia de 1 hertz entonces la medición a 3 ciclos requiere 3 segundos", explica Lee. "Pero si estás usando frecuencias bajas apropiadas de 0,1 o 0,01 hertz, entonces la medición requiere 30 o 300 segundos, respectivamente. Así que aquí es donde DC es muy útil porque la medición es casi instantánea. Ambas mediciones AC y DC tienen ventajas y desventajas."

"El problema con las mediciones DC al principio del curado parece ligado a resistencia electroquímica", dice Lee. Como se explica en la publicación de Lambient Technologies, "Technical Overview 3.04 – AC and DC Cure Monitoring", parece haber una reacción electroquímica que ocurre en la resina durante la medición DC que añade resistencia. Esto disminuye a medida que el material cura, reduciendo la discrepancia entre mediciones AC y DC.

Los sensores dieléctricos AC pueden medir a través de bolsas de vacío y films de desmoldeo, como se muestra en el film azul sobre un sensor embebido en una platina de prensa en la parte inferior.

Para mediciones AC, hay un fenómeno llamado polarización de electrodo que puede crear una capa de bloqueo a través de electrodos del sensor durante curado temprano. Esto puede causar viscosidades iónicas aparentes anormalmente altas (ver Fig. 4-4 y 4-5) pero disminuye con frecuencia creciente y no es un problema para mediciones tomadas a 1 a 10 kilohercios. Sin embargo, es posible restaurar matemáticamente información precisa sobre curado usando una corrección de capa límite también llamada corrección de polarización de electrodo.

Otro tema clave es que las señales AC pueden pasar a través de aislantes, como bolsas de vacío y film de desmoldeo, pero tales aislantes bloquean señales DC. Esto ha sido así un problema para mediciones DC, que han requerido cortar un agujero para que el sensor DC esté en contacto con el polímero. "Así que aquí es donde usar medición AC es útil porque puedes colocar un sensor casi donde quieras y reposicionarlo o usar un array de sensores para detectar frente de flujo de resina y curado sin afectar los films y materiales auxiliares", dice Lee.

Uso de DEA e historiales de casos

Lambient Technologies afirma que sus instrumentos son fáciles de usar. "Posicionas los sensores para monitorizar tu material, enchufas los cables del sensor al instrumento, inicias tu procesamiento y ejecutas el software", dice Pomeroy. "El software configura una prueba por defecto para epoxi de 5 minutos para confirmar que el equipo funciona correctamente. Proporcionamos este epoxi, sensores de prueba y una guía de inicio rápido que lleva al usuario a través de esta prueba, paso a paso. También proporcionamos un día de formación."

Lee nota que Lambient trabaja con clientes para asegurar que tengan el equipo y conocimiento que necesitan. Por ejemplo, ¿cómo aseguras sensores para la prensa? ¿Cuál es la frecuencia óptima a usar? "Para muchos materiales, puedes encontrar una frecuencia que caracterice el curado de principio a fin. Para otros materiales, puede haber dos frecuencias que funcionen mejor. Por ejemplo, una frecuencia más alta al principio y una más baja al final cuando el material está en su máxima resistencia al flujo iónico. Es cuestión de prueba y error. Lo bueno del LT-451 es que puedes probar múltiples frecuencias a la vez para determinar cuál es óptima para el material."

"Tenemos notas de aplicación extensas en la mayoría de materiales", añade Pomeroy. "También hemos publicado un manual de 300 páginas sobre DEA y monitorización de curado, que está online en nuestra web, como muchos otros recursos prácticos. Eso es lo único sobre nosotros. Somos muy transparentes sobre la ciencia para que los usuarios puedan entender qué está pasando."

Un ejemplo de caso de historia QA/QC es Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Míchigan, EE. UU.), fabricante de compuesto de moldeo en lámina (SMC) y piezas SMC moldeadas. "Prueban cada lote de SMC", dice Lee. Los pasos del proceso incluyen: Precalentar prensa a temperatura de prueba; Abrir prensa; Poner SMC con peso especificado; Cerrar prensa e iniciar adquisición de datos; Se producen curvas de viscosidad iónica de las que se extraen Puntos Críticos 1 a 4 y se registran datos. "Esto se hace para cada lote para asegurar que los materiales cumplen especificaciones y curarán como se espera."

Los sensores de Lambient Technologies (izquierda) pueden verse en el frente y parte trasera del molde de compuesto de moldeo epoxi (EMC) (centro) y se usan para monitorizar curado en chips de circuito moldeados (derecha).

Un ejemplo de caso de historia de fabricación involucra un fabricante japonés de chips de circuito usando compuesto de moldeo epoxi. "Usan sensores en el molde para su prensa de compuesto de moldeo epoxi", dice Lee. "Monitorizan cuándo el material entra y sale del molde, que es el tiempo de llenado, y cómo cura entre esos dos puntos para asegurar que ha curado consistentemente. Están analizando propiedades de materiales para subcurado o sobrecurado, que afecta la fabricabilidad del paquete de circuito integrado. Hay una ventana muy estrecha de viscosidad durante el tiempo de llenado, y quieren monitorizar eso."

"Similarmente, es posible monitorizar preimpregnado", dice Lee. "La forma en que el preimpregnado cura al principio de su vida no es la misma que al final de su límite de vida útil. DEA puede monitorizar cambios con envejecimiento para monitorizar el comportamiento de curado del material de principio a fin de cada rollo de preimpregnado." Una nota aquí es que la fibra de carbono es conductiva. "Si las fibras puentean los electrodos harán cortocircuito en los sensores DEA", advierte. En este caso, se usa un filtro. "El filtro deja pasar la resina a los sensores pero los aísla de la fibra de carbono."

LT-440 y futura gestión de curado

Lambient Technologies reclama que el LT-440 es el primer instrumento DEA que permite uso de sensores tanto AC como DC. "El objetivo de este sistema es hacer fácil monitorizar curado de resina pero también estamos desarrollando nuevo software para usar estos datos para gestionar temperatura y así controlar el proceso de curado", dice Lee. "Por ejemplo, usando datos de nuestros sensores, el molde o prensa podría configurarse para abrir en CP4 (fin de curado). Podemos suministrar a clientes una API [interfaz de programación de aplicaciones] para su equipo."

¿Pero qué hay de gestionar el cambio entre medición AC a DC? "Es meramente una cuestión de especificar la frecuencia que quieres usar", dice Lee. "Para medición DC, configuras frecuencia a cero. Necesitarías desarrollar algo de experiencia, pero ya hemos discutido dónde AC y DC tienen beneficios al principio versus final de curado y estaremos añadiendo a nuestra base de conocimiento, que está disponible online."

"Tanta gente usa temperatura y tiempo para monitorizar curado, pero esto está obsoleto", dice Pomeroy. "DEA es una forma mucho mejor de monitorizar curado y dejar de adivinar. DEA proporciona una forma de documentar que la resina y el compuesto han completado curado y cómo ese curado se compara con cualquier otra parte." Lee está de acuerdo, "Todos ven el valor de ello. Pero es difícil cambiar el status quo." El conocimiento que DEA proporciona, sin embargo, será una ventaja necesaria para el futuro de la fabricación de compuestos.

Lambient Technologies cita a Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, EE. UU.) y su instalación en Prestwick, Escocia, desarrollo 2017-2018 de una herramienta calentada multi-zona inteligente que puede reportadamente curar piezas compuestas 40% más rápido y a la mitad del coste versus un proceso de autoclave tradicional:

"En lugar de curar componentes a una temperatura estándar durante horas, ahora podemos adaptar el tiempo de ciclo para que coincida con geometrías de pieza individuales," explicó Stevie Brown, ingeniero líder en el Centro de Tecnología Avanzada de Spirit en Prestwick. "El autoclave ha sido un cuello de botella en líneas de fabricación, y eliminarlo reducirá tiempos de ciclo para componentes, recortará costes de producción y disminuirá consumo de energía."

Lambient Technologies muestra una convergencia de tecnologías (arriba) que podrían implementarse para gestión de curado usando una herramienta calentada multi-zona que permite control completo del proceso de curado a través de retroalimentación en tiempo real de monitorización de curado. El fabricante brasileño de palas eólicas Tecsis se acercó a Lambient Technologies para desarrollar un instrumento DEA para monitorizar el curado de resina epoxi en 300 puntos a lo largo de la longitud de cada pala (abajo). Esto llevó al desarrollo del LT-439.