Medición de temperatura dentro de materiales compuestos y líneas de unión

Tener visibilidad completa de una línea de unión adhesiva y / o compuesta durante el curado ha sido un problema durante décadas. Los sensores de temperatura actuales (termopares) son demasiado grandes para integrarse sin causar un defecto en la pieza. Por lo tanto, ahora solo es posible leer la temperatura en la superficie y el perímetro de las piezas y las reparaciones adheridas. Es difícil saber la temperatura de un adhesivo en la parte inferior de un parche de reparación, dentro de un fuselaje grueso o laminado de revestimiento de ala o entre esos revestimientos y larguerillos gruesos. Sin embargo, esa temperatura es crucial para el flujo, humectación y curado adecuados de la resina.

Actualmente, la industria de los compuestos compensa esta deficiencia gastando meses y millones de dólares en pruebas para garantizar que las recetas de tiempo y temperatura estimados completen el curado y produzcan las propiedades necesarias. A pesar de esto, los proveedores siguen gastando muchas horas de trabajo y dólares cada año revisando y certificando piezas donde fallan los termopares o donde los termopares delanteros / retardados están lo suficientemente fuera de los límites prescritos para arrojar dudas sobre las propiedades y el rendimiento en vuelo.

En un esfuerzo por resolver este problema de medición de temperatura, AvPro ​​Inc. (Norman, OK, EE. UU.) Ha desarrollado el sistema ThermoPulse, que permite el control de temperatura in situ, remoto e inalámbrico durante el curado. El sistema comprende sensores de microalambres, una antena de transmisión / recepción y una caja de lectura que recolecta las señales de la antena y usa software para convertir esa información en datos de temperatura. Los sensores permanecen incrustados en la pieza y el sistema se puede utilizar con procesamiento de autoclave, horno, infusión o moldeo por transferencia de resina (RTM). AvPro ​​ya completó un programa de Fase I de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR) con la Fuerza Aérea de los EE. UU. Y actualmente está realizando un esfuerzo de Fase II, midiendo directamente las temperaturas de la línea de unión durante las reparaciones de compuestos y la fabricación de piezas de compuestos y verificando la precisión de ThermoPulse mediante round-robin. pruebas en cuatro sitios independientes.

El potencial de esta tecnología es significativo, ya que ofrece datos de la Industria 4.0 en tiempo real no solo para compuestos termoendurecibles, sino también para la fusión dependiente de la temperatura y la formación de cristalinidad de termoplástico materiales. Además, medición en realidad, no es el objetivo final del sistema. ThermoPulse finalmente gestionará los ciclos de curado en función del cambio viscoelástico del compuesto. Los ciclos de curado se pueden acortar porque la finalización se puede ver a partir de datos en tiempo real frente a una receta de tiempo / temperatura heredada. Los ciclos de curado también se pueden optimizar, lo que permite el uso de microondas y calentamiento por inducción para brindar una temperatura altamente específica y casi instantánea según sea necesario para lograr velocidades de curado rápidas sin "sobrecocinar" el compuesto.

Sensores macro frente a microcables

Los termopares son el sensor de temperatura más común utilizado en el procesamiento de compuestos en la actualidad. Formados por dos alambres de diferentes metales unidos en un extremo, generan una corriente con cambio de temperatura. Los termopares son económicos y pueden proporcionar lecturas de temperatura precisas, pero deben conectarse a un voltímetro. A pesar de que los cables individuales pueden tener un diámetro muy pequeño, el ensamblaje generador de datos completo no se puede incrustar en una pieza o línea de unión sin reducir las propiedades estructurales y también plantear desafíos de bolsa de vacío (es decir, fuente de posibles rutas de fuga) que pueden conducir a piezas compuestas de mala calidad.

Por el contrario, los sensores de microalambres del sistema ThermoPulse de AvPro ​​tienen 0,25 mm de diámetro y 32 mm de largo, y han medido la temperatura con éxito mientras estaban incrustados debajo de un laminado de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) de más de 25 mm de espesor. En los resultados de la prueba de cizallamiento por solape, los cupones con y sin sensores incrustados en la línea de unión adhesiva son indistinguibles. Los sensores de microalambres están hechos de aleaciones de metales amorfos, principalmente cobalto y hierro. Sus propiedades magnéticas son únicas. Primero, polarizan en solo dos estados posibles:a lo largo de la longitud del cable en una dirección o en la dirección opuesta. Además, la polaridad cambia casi instantáneamente, lo que se conoce como salto de Barkhausen. Cuando se aplica un campo electromagnético alterno a un sensor, estos saltos de Barkhuasen provocan pulsos de voltaje agudos que se pueden detectar de forma remota con una antena. La integral de cada pulso depende de la temperatura.

Otro componente clave de este mecanismo de medición es que la metalurgia de los microalambres se puede adaptar a una temperatura de Curie específica, que es la temperatura por encima de la cual ya no se producirá el pulso de voltaje. Tenga en cuenta que esta es una propiedad física certificable del microalambre fabricado. La temperatura precisa se puede extraer del pulso de voltaje del microalambre porque la magnitud de la integral disminuye de manera no lineal a medida que la temperatura del microalambre se acerca a su temperatura de Curie (Fig. 2).

Por lo tanto, la antena ThermoPulse envía un campo electromagnético de baja frecuencia para interrogar al sensor integrado y luego recibe el pulso de voltaje resultante, que luego es convertido por la caja del lector en una medición de temperatura en la ubicación del sensor.

Los sensores ThermoPulse se calibran automáticamente y en realidad están formados por tres microhilos encapsulados en un tubo rígido. (Es el tubo que tiene 0,25 mm de diámetro; cada uno de los cables tiene 0,03 mm de diámetro). Un cable funciona como cable de medición y está aleado para tener una temperatura de Curie de aproximadamente 50 ° F / 10 ° C por encima de la temperatura de curado para el sistema de resina para el que está diseñado el sensor. Un segundo cable se denomina cable de referencia y está aleado para tener una temperatura de Curie varios cientos de grados por encima de la temperatura de permanencia deseada, proporcionando un pulso constante contra el que normalizar. El tercer cable, llamado cable de autocalibración se alea para una temperatura de Curie por encima de la temperatura ambiente pero significativamente por debajo de la temperatura de curado. Proporcionará lecturas de temperatura hasta que se alcance su temperatura de Curie conocida, momento en el que su pulso desaparecerá. En ese instante, la temperatura del sensor se verifica con precisión y el sistema ThermoPulse tiene la temperatura de calibración necesaria para proceder con las mediciones y los cálculos.

Prueba SBIR

Habiendo completado un SBIR de Fase I inicial con la Fuerza Aérea para demostrar la viabilidad, AvPro ​​y sus socios están ahora aproximadamente a la mitad del proyecto de Fase II, diseñado para validar la exactitud y precisión del sistema ThermoPulse. Esto se logra mediante pruebas en cuatro sitios independientes, cada uno con 25 sensores ThermoPulse y una caja de lector prototipo incorporada en un tipo de adhesivo en caliente. Los hot bonders son equipos portátiles del tamaño de una maleta pequeña que se utilizan para controlar la aplicación de calor y vacío a una reparación compuesta adherida. Los cuatro sitios de prueba son las instalaciones de AvPro, Abaris Training (Reno, NV, EE. UU.), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, EE. UU.) Y AFLCMC / EZPT-ACO en Hill Air Force Base (cerca de Ogden, UT, EE. UU.).

AvPro ​​ha trabajado con Abaris Training durante años para ayudar a validar y perfeccionar su sistema de gestión de estado de materiales (MSM), mientras que TSI Technologies es un socio clave en el desarrollo y perfeccionamiento de los sensores de microalambres. La Base de la Fuerza Aérea Hill alberga el Complejo de Logística Aérea de Ogden, que realiza el mantenimiento del depósito en varios sistemas de armas de la Fuerza Aérea, y la Oficina de Compuestos Avanzados de la Fuerza Aérea del Centro de Gestión del Ciclo de Vida de la Fuerza Aérea (AFLCMC / EZPT-ACO), un recurso centralizado para materiales compuestos. El programa de investigación está dirigido por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL, Wright-Patterson, OH, EE. UU.) Y el gerente de proyecto Kara Storage, con miras a las aplicaciones de fabricación y reparación de aeronaves.

Cada sitio de prueba completará 25 reparaciones de compuestos adheridos estandarizados utilizando un parche de reparación de bufanda de 5 pulgadas de diámetro hecho de seis capas de preimpregnado sobre una capa de adhesivo de película con un sensor de microalambres en la línea de unión. Cada una de estas 25 reparaciones también utilizará termopares como control para comparar con los resultados del sensor de microalambres ThermoPulse.

"Hemos completado todas las pruebas de reparación de curado a 250 ° F y ahora estamos analizando los datos", dice el presidente de AvPro, Tom Rose. "Hasta ahora, las medidas de los microalambres están dentro de ± 5 ° F de las medidas del termopar". Rose dice que todos los sitios de prueba están utilizando laminados y parches de CFRP, excepto Hill AFB, que tiene razones específicas para probar laminados y reparaciones de fibra de vidrio. "Ahora estamos comenzando a probar con 100 sensores adicionales para reparaciones a 350 ° F y completaremos el trabajo SBIR en octubre de 2019".

Otro objetivo de esta prueba es desarrollar la base estadística para un método ASTM. ASTM International (West Conshohocken, PA, EE. UU.) Es una organización que desarrolla estándares de la industria, incluida la mayoría de los métodos de prueba utilizados para materiales y estructuras compuestos. "El método ASTM para medir la temperatura en una línea de unión durante la reparación de compuestos también se aplicaría a cualquier línea de unión de compuestos", dice Rose, "y le dará a la industria confianza en la precisión de los sensores ThermoPulse". Completar las reparaciones para las pruebas SBIR también proporcionará retroalimentación para refinar el prototipo de bonder en caliente como un dispositivo de control de temperatura de circuito cerrado. "Nuestro objetivo es controlar el curado de reparación en función de las temperaturas dentro de la línea de unión", dice Rose, "con el objetivo final de proporcionar ahorros significativos de tiempo y costos".

Modernización de la curación, documentación de la calidad

“Este sensor fue desarrollado para alimentar nuestro sistema de gestión de curado”, explica Rose. "Realmente no ha habido muchos cambios fundamentales en la forma en que manejamos la curación en estructuras compuestas". El control del estado del material de AvPro, sin embargo, es un cambio significativo, que es una de las razones por las que su adopción ha sido lenta. “La comunidad de compuestos aeroespaciales es muy conservadora”, señala Lou Dorworth, instructor de Abaris Training desde hace mucho tiempo. "El uso del sistema de gestión de estado de materiales de AvPro ​​ha requerido capacitación y, inicialmente, las unidades no eran tan fáciles de usar como las que se estaban desarrollando con ThermoPulse". Rose reconoce que el objetivo del desarrollo actual es tener un producto comercial que sea fácil de usar. “También estamos refinando el software y escalando la fabricación de cables y sensores para la producción industrial. Actualmente, estamos proyectando un costo de $ 25 a $ 30 por cada sensor, que es aproximadamente el mismo precio que un termopar ”.

“Nuestra primera prioridad es finalizar la tecnología para la comercialización y la producción industrial”, dice Rose. Agrega que AvPro ​​seguirá adelante con el establecimiento de un método de prueba ASTM; el paso final será realizar cualquier prueba adicional que se requiera para la certificación estructural (es decir, los efectos de los programas de defectos). “Obtener resultados equivalentes con y sin el sensor conectado es un buen comienzo”, dice Rose, “pero los ingenieros de estructuras deben estar convencidos de que los sensores se pueden colocar en ubicaciones críticas y mejorar su capacidad para lograr propiedades sin crear un defecto. " Su objetivo es obtener una calificación inicial del sistema ThermoPulse en un fabricante de aviones deportivos ligeros (LSA) totalmente compuestos, que tienden a tener una estructura corporativa más plana que los OEM y los grandes proveedores de nivel.

Aunque el cambio en el diseño y la producción de aeroestructuras de compuestos es notoriamente caro y lento, ahora hay más ímpetu que nunca para implementar tecnologías de control de procesos que puedan acelerar el ritmo de fabricación de compuestos. Rose y Dorworth ven el potencial no solo para la fabricación y reparación de aeronaves, sino también para aplicaciones mucho más amplias, como la gestión de procesos dependientes de la temperatura basados ​​en datos in situ en tiempo real. “Nuestro sistema le da al fabricante de piezas el poder de optimizar sus propios ciclos de curado y correlacionarlos con las propiedades reales del material”, dice Rose. “Ahora tenemos la capacidad de medir la temperatura y la viscosidad en función del tiempo en la parte y Bondline. Eso nos da la capacidad de establecer verdaderamente un control digital y tener una confianza documentada en la calidad de nuestras piezas ”.