Combinando Sensores Dielétricos AC e DC para Monitoramento Preciso de Cura de Compósitos

Histórico da Lambient Technologies

Escrevi sobre monitoramento de cura via sensores de microwire ThermoPulse da AvPro (Norman, Oklahoma, EUA), que visa usar em seus sistemas de gerenciamento de cura, e também sobre sensores dielétricos de corrente contínua (DC) da Synthesites (Uccle, Bélgica) para monitoramento in-situ e avaliação de Tg em tempo real. Neste blog, discutirei a Lambient Technologies (Cambridge, Massachusetts, EUA) e sua história em sensores dielétricos de corrente alternada (AC) bem como seu mais recente instrumento LT-440 que combina análise dielétrica (DEA) AC e DC. "Ambas as tecnologias têm vantagens e desvantagens", diz o fundador da Lambient, Huan Lee. "Combinar medições AC e DC fornece o maior número possível de ferramentas para P&D, controle de qualidade e monitoramento in-situ durante a manufatura."

Lee estava em um grupo de P&D no MIT desenvolvendo monitoramento de cura nos anos 1980. Ele fundou uma spin-off, Micromet Instruments, em 1982 para comercializar esta tecnologia. A Micromet foi adquirida várias vezes. Em 2001, a NETZSCH (Selb, Alemanha) adquiriu a Holometrix Micromet e a fundiu com o negócio mundial de Análise Térmica da NETZSCH.

No entanto, Lee sentiu que a Netzsch não estava desenvolvendo a tecnologia suficientemente, então ele deixou a unidade de negócios Micromet e co-fundou a Lambient Technologies em 2008 com Steve Pomeroy, um engenheiro líder da Micromet Instruments. "Depois que saí, a Netzsch desenvolveu o Epsilon 288, que é um bom instrumento para monitoramento de cura", diz Lee. "No entanto, a Netzsch é uma grande empresa e DEA é um mercado minúsculo para eles. Nossa vantagem na Lambient Technologies é uma profundidade única de conhecimento devido ao meu papel como um dos originadores da tecnologia." Embora resinas e compósitos continuem sendo uma área chave para a empresa, ela não visa nenhum tipo específico de indústria, diz a diretora de marketing da Lambient Technologies, Maria S. Lee. "Trabalhamos com fabricantes de esmalte de unha, materiais dentários e adesivos, bem como fabricantes de compósitos de pás eólicas e implantes médicos."

Sensores e instrumentos da Lambient Technologies são usados para monitorar propriedades dielétricas de polímeros termofixos de cura incluindo epóxi, acrílico, poliuretano, poliéster, poliamida e poliamida materiais, polímeros de cura UV, todos os tipos de compostos de moldagem, bem como tintas, revestimentos e compósitos reforçados com fibra. Suas soluções dão insight em formulação, taxa de reação, viscosidade e estado de cura. São usados para estudar materiais poliméricos e para otimizar processos de manufatura. Podem ser usados para gerenciar manufatura de polímeros usando vasos de reação em lote e fabricação de compósitos usando fornos, autoclaves, prensas e sistemas de pultrusão.

A Ciência da DEA

Análise dielétrica, ou DEA, é uma técnica de análise térmica como calorimetria de varredura diferencial (DSC) e análise mecânica dinâmica (DMA) explica Huan Lee, "mas pode fornecer análise in situ usando sensores para medir as propriedades elétricas do material sob teste. Em qualquer resina termofixa, duas coisas estão ocorrendo. Íons estão fluindo, mas isso será impedido pela rigidez da rede molecular que iguala o estado de cura. Íons fluindo fornecem uma resposta independente de frequência a um campo ou sinal eletromagnético. A segunda atividade dentro da resina é a rotação de dipolos positivos e negativos em resposta ao mesmo campo ou sinal eletromagnético. No entanto, esta resposta depende da frequência do campo eletromagnético. Separar estes fenômenos independentes e dependentes de frequência é chave para distinguir o estado de cura."

Em resina líquida, a resistência ao fluxo de íons é baixa, diz Lee (ver Termofixo Não Curado no diagrama acima). "À medida que a resina cura, a resistência sobe. No final da cura, a resistência ao fluxo de íons é muito grande." DEA mede a resistência de um polímero (reportada como resistividade) e capacitância (reportada como permissividade). Resistividade contém tanto os componentes de fluxo de íons independente de frequência quanto rotação de dipolo dependente de frequência. Resistividade independente de frequência é conhecida como viscosidade iônica (ver gráfico abaixo) e correlaciona com a viscosidade da resina antes da gelificação e com seu módulo após a gelificação.

Embora não haja evento dielétrico que identifique o ponto de gelificação, a cura é prontamente identificada onde a mudança de viscosidade iônica com o tempo (inclinação) se aproxima de zero. "Gelificação é um evento mecânico", explica Lee, "então, propriedades dielétricas da resina não ajudam. No entanto, ocorre perto da taxa máxima de reação que iguala a inclinação do pico. No final da cura, o usuário decide o que é totalmente curado (baseado no material e aplicação) e então identifica a inclinação na qual isso ocorre. Isso é muito mais confiável do que usar um tempo e temperatura definidos."

Elementos do Sistema DEA

Sistemas DEA da Lambient Technologies compreendem alguns elementos essenciais. Medições são feitas usando sensores dielétricos, que incluem um sensor de temperatura como um termopar. "Propriedades dielétricas mudam com cura e temperatura", nota Lee. Os sensores são conectados por cabo ao equipamento de monitoramento que é conectado a um laptop rodando o software de aquisição e análise de dados CureView da Lambient.

Sensores dielétricos da Lambient Technologies podem ser permanentes ou descartáveis. Sensores permanentes são embutidos em moldes ou prensas e podem ser reutilizados. Tipicamente compreendem um ou mais eletrodos metálicos embutidos em um substrato cerâmico, um termopar e uma bainha, que é frequentemente aço inoxidável. Estes sensores tipicamente variam de 0,25 a 1 polegada de diâmetro e podem ser usados até 250°C. Sensores descartáveis são usados na superfície de uma peça e compreendem uma array de eletrodos ligados a um substrato Kapton fino (100 micrômetros), flexível. Podem ser usados até 350°C. A Lambient fornece sensores descartáveis Varicon que são 38 centímetros de comprimento e sensores Mini-Varicon que são 3,8 centímetros de comprimento.

A Lambient Technologies também tem uma variedade de equipamentos de monitoramento. "Começamos com o sistema LT-451 Dielectric Cure Monitor de grau laboratorial, que era muito sensível e oferecia muita flexibilidade", diz Steve Pomeroy, co-fundador da Lambient Technologies e líder em desenvolvimento de software. "Nossos clientes precisavam de um sistema especificamente direcionado para QA/QC e manufatura, então desenvolvemos o LTF-631 High Speed Dielectric Cure Monitor. Cada LT-451 ou LTF-631 tem até quatro canais e cada canal tem uma entrada dielétrica e um termopar. Também desenvolvemos o LT-439 Dielectric Channel especificamente para QA/QC e manufatura. É menos caro e permite múltiplos instrumentos em um link serial para objetos grandes como uma asa ou pá eólica. É similar ao LT-451 mas tem apenas um canal por unidade." Ele estima que 30% dos instrumentos da Lambient Technologies são usados para P&D enquanto 50% são usados para QA/QC e 20% para manufatura.

Monitoramento de Cura AC e DC

"Nós primariamente usamos medições AC", nota Lee, "o que apenas significa que a voltagem do sinal está oscilando. A frequência ótima necessária para medir o estado de cura depende de onde você está no processo de cura. Frequências mais altas são boas no início, mas frequências mais baixas são melhores no final da cura, quando o material tem um módulo muito mais alto."

"Mas também podemos usar DC", Lee continua, "que aplica uma voltagem fixa (frequência = 0) e impulsiona a corrente apenas em uma direção — então isso é mais simples. Medições AC e DC concordam bem no final da cura, mas medições DC podem causar problemas no início da cura. Enquanto isso, medições AC no final da cura para a maioria dos termofixos e compósitos estão bem, mas podem levar muito tempo para certos materiais de alta resistência." Isso é porque medições AC no final da cura, quando materiais termofixos estão mais altos em resistência, são melhores tomadas em frequências mais baixas. "Se você está usando uma frequência de 1 hertz então medição em 3 ciclos requer 3 segundos", explica Lee. "Mas se você está usando frequências apropriadamente baixas de 0,1 ou 0,01 hertz, então medição requer 30 ou 300 segundos, respectivamente. Então, aqui é onde DC é muito útil porque a medição é quase instantânea. Ambas as medições AC e DC têm vantagens e desvantagens."

"O problema com medições DC no início da cura parece ligado à resistência eletroquímica", diz Lee. Como explicado na publicação da Lambient Technologies, "Visão Técnica 3.04 – Monitoramento de Cura AC e DC", parece haver uma reação eletroquímica que acontece na resina durante medição DC que adiciona resistência. Isso diminui à medida que o material cura, reduzindo a discrepância entre medições AC e DC.

Sensores dielétricos AC podem medir através de bolsas a vácuo e filmes de liberação, como mostrado no filme azul sobre um sensor embutido em um platô de prensa na parte inferior.

Para medições AC, há um fenômeno chamado polarização de eletrodo que pode criar uma camada de bloqueio através dos eletrodos do sensor durante cura inicial. Isso pode causar viscosidades iônicas aparentes anormalmente altas (ver Fig. 4-4 e 4-5) mas diminui com frequência crescente e não é um problema para medições tomadas a 1 a 10 quilohertz. No entanto, é possível restaurar matematicamente informação precisa sobre cura usando uma correção de camada de fronteira também chamada correção de polarização de eletrodo.

Outra questão chave é que sinais AC podem passar através de isolantes, como bolsas a vácuo e filme de liberação, mas tais isolantes bloqueiam sinais DC. Isso tem sido assim um problema para medições DC, que requerem um furo a ser cortado para que o sensor DC possa estar em contato com o polímero. "Então é aqui onde usar medição AC é útil porque você pode colocar um sensor quase em qualquer lugar que quiser e reposicioná-lo ou usar uma array de sensores para detectar frente de fluxo de resina e cura sem afetar os filmes e materiais auxiliares", diz Lee.

Usando DEA e Históricos de Casos

A Lambient Technologies afirma que seus instrumentos são fáceis de usar. "Você posiciona os sensores para monitorar seu material, conecta os cabos do sensor no instrumento, inicia seu processamento e roda o software", diz Pomeroy. "O software configura um teste padrão para epóxi de 5 minutos para confirmar que o equipamento está funcionando corretamente. Fornecemos este epóxi, sensores de teste e um guia de início rápido que leva o usuário através deste teste, passo a passo. Também fornecemos um dia de treinamento."

Lee nota que a Lambient trabalha com clientes para garantir que eles tenham o equipamento e conhecimento que precisam. Por exemplo, como você fixa sensores para a prensa? Qual é a frequência ótima para usar? "Para muitos materiais, você pode encontrar uma frequência que caracterizará a cura do início ao fim. Para outros materiais, pode haver duas frequências que funcionam melhor. Por exemplo, uma frequência mais alta no início e uma frequência mais baixa no final quando o material está em sua resistência mais alta ao fluxo de íons. É uma questão de tentativa e erro. A coisa boa sobre o LT-451 é que você pode testar múltiplas frequências de uma vez para determinar qual é ótima para o material."

"Temos notas de aplicação extensivas na maioria dos materiais", adiciona Pomeroy. "Também publicamos um manual de 300 páginas sobre DEA e monitoramento de cura, que está online em nosso site, assim como muitos outros recursos práticos. Isso é o que é único sobre nós. Somos muito transparentes sobre a ciência para que usuários possam entender o que está acontecendo."

Um exemplo de histórico de caso QA/QC é a Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan, EUA), um fabricante de composto de moldagem em folha (SMC) e peças SMC moldadas. "Eles testam cada lote de SMC", diz Lee. As etapas do processo incluem: Pré-aquecer prensa à temperatura de teste; Abrir prensa; Colocar SMC com peso especificado; Fechar prensa e iniciar aquisição de dados; Curvas de viscosidade iônica são produzidas das quais Pontos Críticos 1 a 4 são extraídos e dados são registrados. "Isso é feito para cada lote para garantir que os materiais conformam às especificações e curarão como esperado."

Sensores da Lambient Technologies (esquerda) podem ser vistos na frente e traseira do molde de composto de moldagem epóxi (EMC) (centro) e são usados para monitorar cura em chips de circuito moldados (direita).

Um exemplo de histórico de caso de manufatura envolve um fabricante japonês de chips de circuito usando composto de moldagem epóxi. "Eles usam sensores no molde para sua prensa de composto de moldagem epóxi", diz Lee. "Eles monitoram quando o material entra e sai do molde, que é o tempo de enchimento, e como cura entre aqueles dois pontos para garantir que curou consistentemente. Eles estão analisando propriedades de material para subcura ou supercura, que afeta a fabricabilidade do pacote de circuito integrado. Há uma janela muito estreita de viscosidade durante o tempo de enchimento, e eles querem monitorar isso."

"Similarmente, é possível monitorar pré-impregnado", diz Lee. "A forma como o pré-impregnado cura no início de sua vida não é a mesma de como faz no final de seu limite de outlife. DEA pode monitorar mudanças com envelhecimento para monitorar o comportamento de cura do material do início ao fim de cada rolo de pré-impregnado." Uma nota aqui é que fibra de carbono é condutiva. "Se as fibras pontearem os eletrodos elas farão curto-circuito nos sensores DEA", ele avisa. Neste caso, um filtro é usado. "O filtro deixa a resina passar pelos sensores mas os isola da fibra de carbono."

LT-440 e Futuro Gerenciamento de Cura

A Lambient Technologies afirma que o LT-440 é o primeiro instrumento DEA a permitir uso de sensores AC e DC. "O objetivo deste sistema é tornar fácil monitorar cura de resina mas também estamos desenvolvendo novo software para usar estes dados para gerenciar temperatura e assim controlar o processo de cura", diz Lee. "Por exemplo, usando os dados de nossos sensores, o molde ou prensa poderia ser definido para abrir no CP4 (fim da cura). Podemos fornecer aos clientes uma API [interface de programação de aplicativos] para seu equipamento."

Mas e sobre gerenciar a troca entre medição AC para DC? "É meramente uma questão de especificar a frequência que você quer usar", diz Lee. "Para medição DC, você define frequência para zero. Você precisaria desenvolver alguma experiência, mas já discutimos onde AC e DC têm benefícios no início versus final da cura e estaremos adicionando à nossa base de conhecimento, que está disponível online."

"Tantas pessoas usam temperatura e tempo para monitorar cura, mas isso é ultrapassado", diz Pomeroy. "DEA é uma maneira muito melhor de monitorar cura e parar de adivinhar. DEA fornece uma maneira de documentar que a resina e o compósito completaram a cura e como aquela cura se compara a qualquer outra peça." Lee concorda, "Todos veem o valor disso. Mas é difícil mudar o status quo." O conhecimento que a DEA fornece, no entanto, será uma vantagem necessária para o futuro da manufatura de compósitos.

A Lambient Technologies cita a Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas, EUA) e sua instalação em Prestwick, Escócia, desenvolvimento de 2017-2018 de uma ferramenta aquecida multi-zona inteligente que supostamente pode curar peças compósitos 40% mais rápido e a metade do custo versus um processo de autoclave tradicional:

"Em vez de curar componentes a uma temperatura padrão por horas a fio, agora podemos adaptar o tempo de ciclo para corresponder a geometrias individuais de peças," explicou Stevie Brown, engenheiro líder no Centro de Tecnologia Avançada da Spirit em Prestwick. "O autoclave tem sido um gargalo em linhas de manufatura, e removê-lo reduzirá tempos de ciclo para componentes, cortará custos de produção e diminuirá consumo de energia."

A Lambient Technologies mostra uma convergência de tecnologias (topo) que poderia ser implementada para gerenciamento de cura usando uma ferramenta aquecida multi-zona que permite controle completo do processo de cura através de feedback em tempo real de monitoramento de cura. Fabricante brasileiro de pás eólicas Tecsis abordou a Lambient Technologies para desenvolver um instrumento DEA para monitorar a cura de resina epóxi em 300 pontos ao longo do comprimento de cada pá (base). Isso levou ao desenvolvimento do LT-439.