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Medindo a temperatura dentro de compósitos e linhas de adesão


Ter visibilidade total em uma linha de união composta e / ou adesiva durante a cura tem sido um problema por décadas. Sensores de temperatura atuais - termopares - são muito grandes para serem incorporados sem causar defeito na peça. Assim, agora só é possível ler a temperatura na superfície e no perímetro de peças e reparos colados. É difícil saber a temperatura de um adesivo na parte inferior de um remendo de reparo, dentro de uma fuselagem espessa ou laminado de pele de asa ou entre essas películas e longarinas grossas. Ainda assim, essa temperatura é crucial para o fluxo adequado da resina, umedecimento e cura.

Atualmente, a indústria de compósitos compensa essa deficiência gastando meses e milhões de dólares em testes para garantir que as receitas de tempo e temperatura estimadas realmente completem a cura e produzam as propriedades necessárias. Apesar disso, os fornecedores ainda gastam muitas horas de trabalho e dólares a cada ano revisando e certificando peças onde termopares falham ou onde termopares de avanço / atraso estão suficientemente fora dos limites prescritos para lançar dúvidas sobre as propriedades e o desempenho em vôo.

Em um esforço para resolver este problema de medição de temperatura, a AvPro ​​Inc. (Norman, OK, EUA) desenvolveu o sistema ThermoPulse, que permite o monitoramento remoto sem fio da temperatura in-situ durante a cura. O sistema compreende sensores de microfio, uma antena de transmissão / recepção e uma caixa de leitura que coleta os sinais da antena e usa um software para converter essas informações em dados de temperatura. Os sensores permanecem embutidos na peça e o sistema pode ser usado com processamento em autoclave, forno, infusão ou moldagem por transferência de resina (RTM). A AvPro ​​já concluiu um programa de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) de Fase I com a Força Aérea dos EUA e está atualmente realizando um esforço de Fase II, medindo diretamente as temperaturas da linha de adesão durante os reparos e fabricação de peças compostas e verificando a precisão do ThermoPulse via round-robin testes em quatro locais independentes.

O potencial desta tecnologia é significativo, oferecendo dados da Indústria 4.0 em tempo real não apenas para compósitos termofixos, mas também a fusão dependente da temperatura e a formação de cristalinidade do termoplástico materiais. Além disso, medição na verdade, não é o objetivo final do sistema. Em última análise, o ThermoPulse gerenciará os ciclos de cura com base na alteração viscoelástica do composto. Os ciclos de cura podem ser encurtados porque a conclusão pode ser vista a partir de dados em tempo real em comparação com uma receita de tempo / temperatura legada. Os ciclos de cura também podem ser otimizados, permitindo o uso de micro-ondas e aquecimento por indução para fornecer temperatura altamente direcionada e quase instantânea, conforme necessário, para atingir taxas de cura rápidas sem "cozinhar demais" o composto.

Sensores macro vs. microfios


Os termopares são os sensores de temperatura mais comuns usados ​​no processamento de compósitos atualmente. Formados por dois fios de metais diferentes unidos em uma extremidade, eles geram uma corrente com a mudança de temperatura. Os termopares são baratos e podem fornecer leituras de temperatura precisas, mas devem ser conectados a um voltímetro. Mesmo que os fios individuais possam ter um diâmetro muito pequeno, o conjunto completo de geração de dados não pode ser incorporado em uma peça ou linha de união sem reduzir as propriedades estruturais e também apresentar desafios de bolsa de vácuo (ou seja, fonte de caminhos de vazamento em potencial) que podem levar a peças compostas de baixa qualidade.

Em contraste, os sensores de microfio no sistema ThermoPulse da AvPro ​​têm 0,25 mm de diâmetro e 32 mm de comprimento e mediram a temperatura com sucesso enquanto embutidos sob um laminado de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) com mais de 25 mm de espessura. Nos resultados do teste de cisalhamento, os cupons com e sem sensores embutidos na linha de união adesiva são indistinguíveis. Os sensores de microfios são feitos de ligas metálicas amorfas, principalmente cobalto e ferro. Suas propriedades magnéticas são únicas. Primeiro, eles polarizam em apenas dois estados possíveis - ao longo do comprimento do fio em uma direção ou na direção oposta. Além disso, a polaridade muda quase instantaneamente - conhecido como Salto de Barkhausen. Quando um campo eletromagnético alternado é aplicado a um sensor, esses saltos Barkhuasen causam pulsos de tensão nítidos que podem ser detectados remotamente com uma antena. A integral de cada pulso depende da temperatura.

Mais um componente chave para este mecanismo de medição é que a metalurgia do microfio pode ser adaptada a uma temperatura Curie específica, que é a temperatura acima da qual o pulso de tensão não ocorrerá mais. Observe que esta é uma propriedade física certificável do microfio fabricado. A temperatura precisa pode ser extraída do pulso de tensão do microfio porque a magnitude da integral diminui de forma não linear conforme a temperatura do microfio se aproxima de sua temperatura de Curie (Fig. 2).

Assim, a antena ThermoPulse envia um campo eletromagnético de baixa frequência para interrogar o sensor embutido e, em seguida, recebe o pulso de tensão resultante, que é então convertido pela caixa do leitor em uma medição de temperatura naquele local do sensor.

Os sensores ThermoPulse são autocalibrados e, na verdade, compostos de três microfios encapsulados em um tubo rígido. (É o tubo que tem 0,25 mm de diâmetro; cada um dos fios tem 0,03 mm de diâmetro.) Um fio funciona como o fio de medição e é ligado para ter uma temperatura de Curie de aproximadamente 50 ° F / 10 ° C acima da temperatura de cura para o sistema de resina para o qual o sensor foi projetado. Um segundo fio é denominado fio de referência e é ligado para ter uma temperatura de Curie várias centenas de graus acima da temperatura de parada desejada, fornecendo um pulso constante para normalização. O terceiro fio, chamado de fio de autocalibração, é ligado para uma temperatura de Curie acima da temperatura ambiente, mas significativamente abaixo da temperatura de cura. Ele fornecerá leituras de temperatura até que sua Temperatura Curie conhecida seja atingida, ponto em que seu pulso desaparecerá. Nesse instante, a temperatura do sensor é verificada com precisão e o sistema ThermoPulse tem a temperatura de calibração necessária para prosseguir com as medições e cálculos.

Teste SBIR


Tendo concluído a Fase I SBIR inicial com a Força Aérea para demonstrar a viabilidade, a AvPro ​​e seus parceiros estão agora quase na metade do projeto de Fase II, projetado para validar a exatidão e precisão do sistema ThermoPulse. Isso está sendo alcançado por meio de testes em quatro locais independentes, cada um usando 25 sensores ThermoPulse e uma caixa de leitor de protótipo incorporada em um tipo de adesivo quente. Os aglutinantes a quente são equipamentos portáteis do tamanho de uma pequena mala, usados ​​para controlar a aplicação de calor e vácuo em um reparo de compósito colado. Os quatro locais de teste são as instalações da AvPro, Abaris Training (Reno, NV, EUA), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, EUA) e AFLCMC / EZPT-ACO na Base Aérea de Hill (perto de Ogden, UT, EUA).

A AvPro ​​trabalhou com a Abaris Training por anos para ajudar a validar e refinar seu sistema de gerenciamento de estado de material (MSM), enquanto a TSI Technologies é um parceiro-chave no desenvolvimento e refinamento dos sensores de microfios. A Base Aérea de Hill abriga o Complexo de Logística Aérea de Ogden, que realiza manutenção de depósitos em vários sistemas de armas da Força Aérea, e o Escritório de Compósitos Avançados da Força Aérea do Centro de Gerenciamento do Ciclo de Vida da Força Aérea (AFLCMC / EZPT-ACO), um recurso centralizado para o campo materiais compósitos. O programa de pesquisa é liderado pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL, Wright-Patterson, OH, EUA) e pelo gerente de projetos Kara Storage, com vistas a aplicações de fabricação e reparo de aeronaves.

Cada local de teste completará 25 reparos padronizados de compósitos colados usando um patch de reparo de lenço de 5 polegadas de diâmetro feito de seis camadas de prepreg sobre uma camada de adesivo de filme com um sensor de microfio na linha de união. Cada um desses 25 reparos também usará termopares como um controle para comparação com os resultados do sensor de microfio ThermoPulse.

“Concluímos todos os testes de reparo de cura a 250 ° F e agora estamos analisando os dados”, disse o presidente da AvPro, Tom Rose. “Até agora, as medições do microfio estão dentro de ± 5 ° F das medições do termopar.” Rose diz que todos os locais de teste estão usando laminados e patches CFRP, exceto para Hill AFB, que tem razões específicas para testar laminados de fibra de vidro e reparos. “Agora estamos começando os testes com 100 sensores adicionais para reparos a 350 ° F e concluiremos o trabalho do SBIR em outubro de 2019.”

Outro objetivo deste teste é desenvolver a base estatística para um método ASTM. ASTM International (West Conshohocken, PA, EUA) é uma organização que desenvolve padrões da indústria, incluindo a maioria dos métodos de teste usados ​​para estruturas e materiais compostos. “O método ASTM para medir a temperatura em uma linha de adesão durante o reparo de composto também se aplica a qualquer linha de ligação composta”, diz Rose, “e dará à indústria a confiança na precisão dos sensores ThermoPulse.” A conclusão dos reparos para o teste SBIR também fornecerá feedback para refinar o protótipo do hot bonder como um dispositivo de controle de temperatura de circuito fechado. “Nosso objetivo é controlar a cura do reparo com base nas temperaturas dentro da linha de adesão”, diz Rose, “com o objetivo final de fornecer economia significativa de tempo e custo”.

Modernizando a cura, documentando a qualidade


“Este sensor foi desenvolvido para alimentar nosso sistema de gerenciamento de cura”, explica Rose. “Realmente não houve muitas mudanças fundamentais na maneira como estamos gerenciando a cura em estruturas compostas.” O controle de estado do material da AvPro, no entanto, é uma mudança significativa, razão pela qual sua adoção tem sido lenta. “A comunidade de compostos aeroespaciais é muito conservadora”, observa Lou Dorworth, instrutor de longa data da Abaris Training. “Usar o sistema de gerenciamento de estado do material da AvPro ​​exigia treinamento e, inicialmente, as unidades não eram tão amigáveis ​​ao usuário quanto as que estavam sendo desenvolvidas com o ThermoPulse.” Rose reconhece que o objetivo do desenvolvimento atual é ter um produto comercial fácil de usar. “Também estamos refinando o software e dimensionando a fabricação de fios e sensores para a produção industrial. Atualmente, estamos projetando um custo de $ 25- $ 30 para cada sensor, que é quase o mesmo preço de um termopar. ”

“Nossa primeira prioridade é finalizar a tecnologia para comercialização e produção industrial”, diz Rose. Ele acrescenta que a AvPro ​​seguirá em frente com o estabelecimento de um método de teste ASTM; a etapa final será realizar quaisquer testes adicionais necessários para a certificação estrutural (ou seja, efeitos de programas de defeitos). “Obter resultados equivalentes com e sem o sensor conectado é um bom começo”, diz Rose, “mas os engenheiros de estruturas precisam estar convencidos de que os sensores podem ser colocados em locais críticos e melhorar sua capacidade de obter propriedades, sem criar um defeito. ” Seu objetivo é buscar uma qualificação inicial do sistema ThermoPulse em um fabricante de aeronaves leves esportivas (LSA), que tendem a ter uma estrutura corporativa mais plana do que OEMs e grandes fornecedores de nível.

Embora a mudança no projeto e na produção de aeroestruturas de compósitos seja notoriamente cara e lenta, há mais ímpeto agora do que nunca para implementar tecnologias de controle de processo que podem acelerar o ritmo de fabricação de compósitos. Rose e Dorworth veem o potencial não apenas para a fabricação e reparo de aeronaves, mas para aplicações muito mais amplas, como o gerenciamento de processos dependentes de temperatura com base em dados in-situ em tempo real. “Nosso sistema está dando ao fabricante de peças o poder de otimizar seus próprios ciclos de cura e correlacioná-los às propriedades reais do material”, diz Rose. “Agora temos a capacidade de medir a temperatura e a viscosidade em função do tempo em a parte e bondline. Isso nos dá a capacidade de estabelecer um controle digital verdadeiramente e ter confiança documentada na qualidade de nossas peças. ”

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