Monitorización precisa de temperatura dentro de estructuras compuestas y líneas de unión adhesivas

Tener visibilidad total dentro de un compuesto y/o línea de unión adhesiva durante el curado ha sido un problema durante décadas. Los sensores de temperatura actuales —termopares— son demasiado grandes para ser embebidos sin causar un defecto en la pieza. Así, ahora solo es posible leer temperatura en la superficie y perímetro de piezas y reparaciones unidas. Es difícil conocer la temperatura de un adhesivo en el fondo de un parche de reparación, dentro de un laminado grueso de piel de fuselaje o ala o entre esas pieles y largueros gruesos. Sin embargo, esa temperatura es crucial para el flujo, humectación y curado adecuados de la resina.

Actualmente, la industria de compuestos compensa esta deficiencia dedicando meses y millones de dólares en pruebas para asegurar que las recetas estimadas de tiempo y temperatura completan efectivamente el curado y producen las propiedades necesarias. A pesar de esto, los proveedores aún dedican muchas horas-hombre y dólares cada año revisando y certificando piezas donde fallan termopares o donde termopares adelantados/retrasados están suficientemente fuera de los límites prescritos como para dudar de 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 monitorización inalámbrica, remota e in-situ de temperatura durante el curado. El sistema comprende sensores de microhilo, una antena transmisora/receptora y una caja lectora que recoge señales de la antena y usa software para convertir esa información en datos de temperatura. Los sensores permanecen embebidos en la pieza y el sistema puede usarse con procesos de autoclave, horno, infusión o moldeo por transferencia de resina (RTM). AvPro ya ha completado un programa Fase I de Investigación de Innovación en Pequeñas Empresas (SBIR) con la Fuerza Aérea de EE. UU. y está realizando actualmente un esfuerzo Fase II, midiendo directamente temperaturas de líneas de unión durante reparaciones compuestas y fabricación de piezas compuestas y verificando la precisión de ThermoPulse mediante pruebas round-robin en cuatro sitios independientes.

El potencial de esta tecnología es significativo, ofreciendo datos en tiempo real Industria 4.0 no solo para compuestos termofijos, sino también para la fusión dependiente de temperatura y formación de cristalinidad de materiales termoplásticos. Además, la medición no es realmente el objetivo final del sistema. ThermoPulse gestionará finalmente ciclos de curado basados en el cambio viscoelástico del compuesto. Los ciclos de curado pueden acortarse porque la finalización puede verse desde datos en tiempo real vs. una receta legada de tiempo/temperatura. Los ciclos de curado también pueden optimizarse, permitiendo el uso de calefacción por microondas e inducción para entregar temperatura altamente dirigida e instantánea según se necesite para lograr tasas de curado rápidas sin "sobrecocinar" el compuesto.

Sensores macro vs. microhilo

Los termopares son el sensor de temperatura más usado en procesamiento de compuestos hoy. Formados por dos hilos de metales diferentes unidos en un extremo, generan corriente con cambio de temperatura. Los termopares son económicos y pueden dar lecturas precisas de temperatura, pero deben enchufarse a un voltímetro. Aunque los hilos individuales puedan tener diámetro muy pequeño, el conjunto completo generador de datos no puede embeberse en una pieza o línea de unión sin reducir propiedades estructurales y plantear desafíos de bolsa de vacío (p.ej., fuente de posibles fugas) que pueden llevar a piezas compuestas de mala calidad.

En contraste, los sensores de microhilo en el sistema ThermoPulse de AvPro tienen 0,25 mm de diámetro y 32 mm de largo, y han medido temperatura con éxito mientras estaban embebidos bajo un laminado de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) de más de 25 mm de espesor. En resultados de prueba de cizalla lap, cupones con y sin sensores embebidos en la línea de unión adhesiva son indistinguibles. Los sensores de microhilo están hechos de aleaciones metálicas amorfas, principalmente cobalto y hierro. Sus propiedades magnéticas son únicas. Primero, se polarizan solo en dos estados posibles —a lo largo del hilo en una dirección, o la dirección opuesta. Además, la polaridad cambia casi instantáneamente —lo que se llama salto de Barkhausen. Cuando se aplica un campo electromagnético alterno a un sensor, estos saltos de Barkhausen causan pulsos de voltaje agudos que pueden detectarse remotamente con una antena. La integral de cada pulso es dependiente de la temperatura.

Un componente clave más de este mecanismo de medición es que la metalurgia del microhilo puede adaptarse a una temperatura de Curie específica, que es la temperatura por encima de la cual el pulso de voltaje ya no ocurre. Nota: esta es una propiedad física certificable del microhilo fabricado. La temperatura precisa puede extraerse del pulso de voltaje del microhilo porque la magnitud de la integral disminuye no-linealmente a medida que la temperatura del microhilo se acerca a su temperatura de Curie (Fig. 2).

Así, la antena ThermoPulse envía un campo electromagnético de baja frecuencia para interrogar el sensor embebido y luego recibe el pulso de voltaje resultante, que es convertido por la caja lectora en una medición de temperatura en esa ubicación del sensor.

Los sensores ThermoPulse son autocalibrantes y están compuestos en realidad de tres microhilos encapsulados en un tubo rígido. (Es el tubo el que tiene 0,25 mm de diámetro; cada hilo tiene 0,03 mm de diámetro.) Un hilo funciona como hilo de medición y está aleado para tener una temperatura de Curie aproximadamente 50°F/10°C por encima de la temperatura de curado para el sistema de resina para el que se diseña el sensor. Un segundo hilo se denomina hilo 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 para normalizar. El tercer hilo, llamado hilo de autocalibración, está aleado para una temperatura de Curie por encima de temperatura ambiente pero significativamente por debajo de la temperatura de curado. Proporcionará lecturas de temperatura hasta que se alcance su conocida temperatura de Curie, momento en 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 mediciones y cálculos.

Pruebas SBIR

Habiendo completado un SBIR Fase I inicial con la Fuerza Aérea para demostrar factibilidad, AvPro y sus socios están ahora aproximadamente a mitad del proyecto Fase II, diseñado para validar la precisión y exactitud del sistema ThermoPulse. Esto se logra mediante pruebas en cuatro sitios independientes, cada uno usando 25 sensores ThermoPulse y una caja lectora prototipo incorporada en un tipo de hot bonder. Los hot bonders son equipos portátiles, tamaño maletín pequeño, usados para controlar la aplicación de calor y vacío a una reparación compuesta unida adhesivamente. 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 Base Aérea Hill (cerca de Ogden, UT, EE. UU.).

AvPro ha trabajado con Abaris Training por años para ayudar a validar y refinar su sistema de Gestión de Estado de Material (MSM), mientras TSI Technologies es socio clave en desarrollo y refinamiento de sensores de microhilo. La Base Aérea Hill alberga el Complejo Logístico Aéreo de Ogden, que realiza mantenimiento de 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 en servicio. El programa de investigación es liderado por el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL, Wright-Patterson, OH, EE. UU.) y la gestora de proyecto Kara Storage, con vista a aplicaciones de fabricación y reparación de aeronaves.

Cada sitio de prueba completará 25 reparaciones compuestas unidas estandarizadas usando un parche de reparación scarf de 5 pulgadas de diámetro hecho de 6 capas de preimpregnado sobre una capa de adhesivo en film con un sensor de microhilo en la línea de unión. Cada una de estas 25 reparaciones también usará termopares como control para comparar con resultados de sensores de microhilo ThermoPulse.

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

Otro objetivo de estas pruebas es desarrollar la base estadística para un método ASTM. ASTM International (West Conshohocken, PA, EE. UU.) es una organización que desarrolla estándares industriales, incluyendo la mayoría de métodos de prueba usados para materiales y estructuras compuestas. "El método ASTM para medir temperatura en una línea de unión durante reparación compuesta también se aplicaría a cualquier línea de unión compuesta", dice Rose, "y dará a la industria confianza en la precisión de los sensores ThermoPulse". Completar las reparaciones para las pruebas SBIR también dará retroalimentación para refinar el prototipo de hot bonder como dispositivo de control de temperatura de lazo cerrado. "Nuestro objetivo es controlar el curado de la reparación basado en temperaturas dentro de la línea de unión", dice Rose, "con el objetivo final de proporcionar ahorros significativos de tiempo y coste".

Modernizando el curado, documentando calidad

"Este sensor se desarrolló para alimentar nuestro sistema de gestión de curado", explica Rose. "Realmente no ha habido mucho cambio fundamental en cómo gestionamos el curado en estructuras compuestas". El control de estado de material de AvPro, sin embargo, sí es un cambio significativo, que es una razón por la que su adopción ha sido lenta. "La comunidad aeroespacial de compuestos es muy conservadora", señala Lou Dorworth, instructor de larga data en Abaris Training. "Usar el sistema de Gestión de Estado de Material de AvPro requirió entrenamiento y, inicialmente, las unidades no eran tan amigables como las que se desarrollan con ThermoPulse". Rose reconoce que el objetivo del desarrollo actual es tener un producto comercial fácil de usar. "También estamos refinando el software y escalando la fabricación de hilos y sensores para producción industrial. Actualmente, proyectamos un coste de $25-30 por sensor, que es aproximadamente el mismo precio que un termopar".

"Nuestra primera prioridad es finalizar la tecnología para comercialización y producción industrial", dice Rose. Añade que AvPro avanzará luego estableciendo un método de prueba ASTM; el paso final será realizar cualquier prueba adicional requerida para certificación estructural (p.ej., programas de efectos de defectos). "Obtener resultados equivalentes con y sin el sensor unido es un buen inicio", dice Rose, "pero los ingenieros de estructuras tienen que convencerse de que los sensores pueden colocarse en ubicaciones críticas y mejorar su capacidad para lograr propiedades, sin crear un defecto". Su objetivo es perseguir una calificación inicial del sistema ThermoPulse en un fabricante de aeronaves deportivas ligeras (LSA) totalmente compuestas, que tienden a tener estructura corporativa más plana que OEMs y grandes proveedores de Nivel 1.

Aunque el cambio en diseño y producción de aeroestructuras compuestas es notoriamente costoso y lento, hay más impulso ahora que nunca para implementar tecnologías de control de proceso que puedan acelerar el ritmo de fabricación de compuestos. Rose y Dorworth ven el potencial no solo para fabricación y reparación de aeronaves, sino para aplicaciones mucho más amplias como gestión de procesos dependientes de temperatura basados en datos in-situ en tiempo real. "Nuestro sistema da al fabricante de piezas el poder de optimizar sus propios ciclos de curado y correlacionarlos a propiedades materiales reales", dice Rose. "Ahora tenemos la capacidad de medir temperatura y viscosidad como función del tiempo en la pieza y línea de unión. Eso nos da la capacidad de establecer control digital real y tener confianza documentada en la calidad de nuestras piezas".