Sensores Dielétricos DC Avançados para Monitoramento em Tempo Real de Produção de Compósitos

À medida que fabricantes buscam simultaneamente reduzir custo e aumentar taxa para produção de peças compósitas, a capacidade de ver dentro de processos de moldagem em tempo real e monitorar fluxo de resina, viscosidade, temperatura, pressão e Tg/estado de cura torna-se um diferencial. A Synthesites (Uccle, Bélgica) desenvolveu esta capacidade. Baseado em resultados relatados pelo Centro Aeroespacial Alemão (DLR, Stade) e Centro Nacional de Compósitos (NCC, Bristol, Reino Unido), esta tecnologia tem potencial para reduzir tempos de ciclo em até 50%, com decisões de cura baseadas em Tg e grau de cura por resina e peça vs. períodos de tempo conservadores baseados em estudos genéricos de material. É, de fato, progresso rumo à produção Compósitos 4.0, usando dados de sensores para controlar processos e equipamentos, e também melhorar simulação e design.

Relatei primeiro sobre a Synthesites via projeto OPTO-Light (veja "Termoplásticos sobremoldados termofixos, ciclo de 2 minutos, uma célula"). Na verdade, a capacidade de unir termoplásticos a termofixos no OPTO-Light sem superfícies ablacionadas a laser foi possível usando sensores in-mold para pressão, temperatura, resistividade de corrente contínua (DCR) e análise dielétrica (DEA). Sensores DCR foram fornecidos pela Synthesites e os para DEA pela Netzsch (Selb, Alemanha). Ambos são sensores dielétricos que medem propriedades elétricas da resina. Discutirei a história e diferenças nestas tecnologias abaixo.

A tecnologia que a Synthesites desenvolveu com uma gama de clientes comerciais é impressionante, incluindo produção industrial de pás de vento e asas infundidas com resina para o C-Series, agora Airbus 220. Também foi demonstrada para uma gama de materiais e processos, incluindo pré-impregnado curado em autoclave, infusão de resina e moldagem por transferência de resina de alta pressão (HP-RTM).

História de DEA e sensores AC vs. DC

"A ideia de monitoramento de cura é bastante antiga", explica Dr. Nikos Pantelelis, diretor da Synthesites. "Nos anos 1980, o método de sensoriamento dielétrico era considerado mais maduro que outros, como fibras ópticas. MIT (Massachusetts Institute of Technology) trabalhou nisso e tentou implementá-lo em produção. Esta tecnologia é o que a Netzsch comprou e usa hoje."

A Synthesites foi estabelecida em 2008. "Desenvolvemos nossa tecnologia do zero usando sensores elétricos com corrente contínua, não corrente alternada", relata Pantelelis. "Para nós, a desvantagem de usar sensores dielétricos AC convencionais é a exigência de excitar a resina em uma gama de frequências e então medir a resposta de impedância para vários sinais. Não é apenas desafiador processar todos estes dados, mas à medida que a resina muda de líquido para sólido, você precisa focar em diferentes frequências de sinal para obter a informação correta."

Pantelelis diz que sensores DC da Synthesites podem medir condutividade muito baixa e resistividade alta, "o que é necessário para medir a transformação de resinas durante cura." Ele afirma que usar DEA convencional em apenas uma frequência para torná-lo mais simples não dá dados precisos. "Não temos múltiplas frequências mas simplesmente aplicamos uma tensão constante. A desvantagem é que esta abordagem é muito estreita, significando que funciona bem para aplicações muito específicas como cura de resina mas não para tudo. No entanto, comparando o desempenho de nosso equipamento ao DEA convencional, o nosso pode medir toda a gama de cura mesmo em temperaturas mais baixas. Empresas fornecendo instrumentos e serviços fora de compósitos não gostam de nossa abordagem porque tem parâmetros limitados para ajustar."

Isso não é problema para a Synthesites porque ela mirou especificamente compósitos. "Nossa abordagem funciona bem em uma ampla gama de resinas e processos compósitos, incluindo termofixos, RTM, pré-impregnado e até termoplásticos reativos como Elium." (Elium é o termoplástico de baixa viscosidade da Arkema (Colombes, França) que pode ser processado usando infusão de resina.)

Se DEA usando DC era conhecido nos anos 1960, por que sensores AC foram favorecidos nos anos 1980 em diante? "Trinta anos atrás, a tecnologia para DEA usando sensores DC não era tão desenvolvida", aponta Pantelelis. "Mas avançamos nossa abordagem para entregar medições muito suaves e precisas para produção industrial. Demonstramos e continuamos a desenvolver nossos sistemas com clientes como GE Aviation (Batesville e Ellisville, Mississippi, EUA) e Bombardier que estão processando peças grandes com moldagem de resina líquida. Nossos sistemas também são usados diariamente em produção de pás de vento e demonstraram capacidade para produção industrial de laminados de pré-impregnado curado em autoclave."

Controle de Processo

Pantelelis explica como sensores DC da Synthesites são apenas uma parte de um sistema integrado para monitorar processamento e cura de compósitos. "Medimos diretamente resistência e temperatura, e a partir disto calculamos online viscosidade, grau de gelificação e grau de cura. Usamos sensores in-mold duráveis mas também sensores de gate e sensores in-line para entradas, saídas e linhas de alimentação de resina, bem como sensores descartáveis em peças. Você usa os sensores apenas onde precisa deles."

Sensores de temperatura são detectores de temperatura de resistência de platina (RTDs), que oferecem precisão muito maior (dentro de 0,1°C) que termopares, bem como estabilidade por anos versus deriva de medição possível com termopares. RTDs são equipamento padrão em muitas aplicações industriais. Sensores de gate (veja diagrama de controle de processo abaixo) são binários, reportando fluxo de resina como ligado ou desligado, embora haja uma segunda versão que também pode reportar viscosidade. A Synthesites desenvolveu sensores para uso com fibra de carbono sem risco de corrosão galvânica, sensores que podem ser usados através de bolsa a vácuo e sensores in-mold moldados para combinar geometria do molde.

Os próximos componentes são unidades de aquisição de dados OPTIFLOW e OPTIMOLD. OPTIFLOW fornece monitoramento in situ, em tempo real de chegada de resina e temperatura para moldagem de compósitos líquidos. Verifica e registra fluxo de resina e pode identificar desvios de produção durante infiltração de resina. OPTIMOLD usa medições de temperatura e resistência de resina para fazer cálculos e monitorar estado da resina incluindo proporção de mistura, envelhecimento químico, viscosidade, Tg e grau de cura. Pode ser usado com pré-impregnado e processos de moldagem líquida.

Unidades OPTIFLOW e OPTIMOLD são controladas pelo software OPTIVIEW. "Este software fornece aquisição e armazenamento de dados e é fornecido gratuitamente com nosso equipamento", explica Pantelelis. "Também oferecemos software Online Resin State (ORS), uma opção mais avançada que clientes podem comprar extra. Ele coleta entrada, faz cálculos online e envia saída para controle de processo inteligente."

Ambos sistemas OPTIFLOW e OPTIMOLD verificam continuamente para garantir que sensores estão conectados e leituras estão dentro da faixa. "Quando você está confiando nestes sensores para controle de processo, é imperativo que os sistemas alarmem se um sensor não está funcionando ou se suas leituras estão além dos limites prescritos", diz Pantelelis. Ambos sistemas também têm saídas de relé para controlar equipamentos de processo. Por exemplo, válvulas de linha de alimentação podem ser abertas ou fechadas baseadas em dados de chegada de resina, e equipamentos de aquecimento/resfriamento podem ser gerenciados baseados em viscosidade de resina. "Você pode alimentar saída de sensores de pressão no OPTIMOLD", nota Pantelelis, "e assim controlar pressão no molde baseada em dados de viscosidade."

Medições e Curvas de Dados Típicas

As capturas de tela abaixo mostram medições OPTIMOLD de testes de RTM de compressão de alta pressão (HP-CRTM) no NCC (Bristol, Reino Unido). O primeiro conjunto, de um teste simples a 115°C, mostra como medições em tempo real de resistência elétrica de resina e temperatura são convertidas em viscosidade estimada e Tg pelo software ORS.

Nos gráficos abaixo, resistência elétrica e temperatura (gráficos superiores) foram registradas a 110°C (esquerda) e 120°C (direita). Abaixo das leituras de resistência (R) e temperatura (T) estão os gráficos mostrando viscosidade calculada e Tg a 110°C (esquerda) e 120°C (direita). Estas medições foram de dois sensores OPTIMOLD localizados na metade superior do molde (Sn.1 e Sn.2, foto inferior) enquanto pressão da cavidade foi registrada usando dois sensores de pressão Kistler 6162A (Sn.3 e Sn.4).

Todos os dados registrados pelos sensores in-mold bem como equipamentos de prensa e injeção podem ser colados em um único arquivo de log, permitindo imagem detalhada do processo de fabricação para cada componente criado.

Reduzindo Tempo de Cura

"Temos potencial para reduzir tempo de cura em mais de 30% porque o fabricante pode ver o Tg em tempo real, então pode decidir quando parar o ciclo de cura", explica Pantelelis. "Eles não têm que esperar para completar um ciclo legado mais longo que o necessário. Por exemplo, o ciclo legado para RTM6 é 2 horas a 180°C para cura completa. Vimos que em certas geometrias isso pode descer para 70 minutos."

O objetivo então, é parar o processo uma vez que a cura está completa? "Não é sobre cura completa mas atingir o nível de cura que cada componente precisa", diz Pantelelis. "Cura completa leva muito tempo. A chave é ser capaz de ver quando cura suficiente é atingida. Fabricantes de pás de vento têm um Tg alvo. Quando atingem, podem começar resfriamento. Então a necessidade é um sensor que possa dar medições muito precisas de Tg em tempo real."

A Synthesites completou um projeto de demonstração com Hutchinson (Paris, França) para produzir uma lâmina de suspensão automotiva feita com fibra de vidro/epóxi e RTM para o projeto EU-funded ECOMISE (Enabling Next Generation COmposite Manufacturing by In-Situ Structural Evaluation and Process Adjustment, 2013-2016). O objetivo deste projeto era otimizar o ciclo RTM baseado em monitoramento de processo em tempo real:

• A primeira rampa de aquecimento seria acionada pela conclusão da infiltração de resina baseada em sensores.
• A segunda rampa de aquecimento seria acionada pela conclusão da cura baseada em cálculo de Tg.
• Resfriamento seria acionado pela conclusão da pós-cura baseada em cálculo de Tg.

O sistema Synthesites compreendia dois (2) sensores in-mold para cura (CS1, CS2), um (1) sensor in-mold para fluxo de resina e temperatura (Flow Sensor 1) e oito (8) sensores descartáveis para fluxo/temperatura de resina — quatro (4) embutidos na peça de teste e quatro (4) fixados na superfície da ferramenta.

"Unidades OPTIMOLD e OPTIFLOW podem ser conectadas juntas através de ethernet para que todos os sensores possam ser registrados em uma sessão Optiview", explica Pantelelis. "Assim, CS1 e CS2 foram conectados a duas unidades OPTIMOLD, o sensor de fluxo in-mold 1 e os oito sensores de fluxo descartáveis foram conectados a três unidades OPTIFLOW."

Este sistema de sensores, unidades de aquisição de dados OPTIMOLD/OPTIFLOW e software OPPTIVIEW/ORS foi então aplicado durante testes de moldagem RTM para estabelecer alvos para vários estágios de processo, incluindo injeção/infiltração de resina e dois alvos de Tg. "Este era uma peça grossa feita usando fibra unidirecional e resina epóxi Huntsman", diz Pantelelis. "Neste caso, usamos sensores de fio de fluxo para verificar fluxo dentro destas camadas UD, que são tipicamente bem compactadas e podem criar desafios durante infiltração de resina."

Usando este sistema de controle de processo, o projeto ECOMISE na Hutchinson conseguiu reduzir o ciclo de cura em mais de 30%.

Calibração

Calibração é requerida para monitoramento online de Tg. À medida que medições são coletadas dos sensores via unidades OPTIMOLD, o software ORS traduz estas em viscosidade e Tg baseadas na calibração para aquela resina específica. "Esta calibração é trabalho feito antes do processamento para fornecer as correlações que o software ORS usará para seus cálculos", explica Pantelelis. "Calibramos colocando a resina em um reômetro e medindo temperatura e viscosidade. Aplicando as fórmulas apropriadas, você então calcula resistência e Tg correspondentes. Desenvolvemos calibração de resinas para nossos clientes baseados em seus padrões, e estudamos os diferentes ciclos de cura da resina. Estes dados de calibração são então usados pelo software ORS sempre que processando aquela resina."

A precisão dos cálculos de Tg em tempo real do software ORS foi mostrada em testes pelo produtor de pás de vento Carbon Rotec Composite Technology (Lemwerder, Alemanha). Tg calculado online pelo software ORS foi comparado com Tg medido logo após desmoldagem realizando Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC). Para processamento isotérmico, a diferença média foi 1,61°C e para processamento não-isotérmico, foi 2,15°C. "Esta precisão tem sido repetidamente mostrada em projetos privados com outros clientes", diz Pantelelis.

Avanços para Produção Industrial

Este controle de processo orientado por sensores e dados é de fato um grande passo rumo à manufatura Compósitos 4.0 totalmente automatizada e inteligente. Embora tenha sido demonstrado no ECOMISE e também com o NCC em Bristol, ainda não está sendo usado em produção diária. "A ideia de usar os sensores para ver Tg e então começar resfriamento de fato foi iniciada na fabricação de pás de vento", relata Pantelelis, "mas ainda não é totalmente automatizada. O sistema alarma quando o Tg alvo é atingido e então o operador para o ciclo de cura. A automação é direta, e será completada uma vez que o fabricante tenha validado a precisão do sistema durante a fase piloto."

"Rumo a este alvo, desenvolvemos uma nova workstation para permitir que o operador de produção supervisione o processo automatizado, que não requer entrada de seu lado", ele continua. "Vimos na fabricação de pás de turbinas eólicas que usar uma única workstation durante cura de resina e adesivo pode encurtar tempo de ciclo em pelo menos 2-3 horas sem sacrificar qualidade."

Embora Bombardier Belfast, agora Spirit AeroSystems, use equipamento Synthesites na produção de sua asa compósita infundida com resina para o C-Series, agora Airbus A220, o controle de processo não é automatizado. No entanto, a Synthesites também trabalhou com Bombardier no ECOMISE, e aquele desenvolvimento está sendo levado adiante. Uma conquista chave foi sensores que alimentam através da parede do autoclave. Conforme explicado no meu blog de 2013, "Asa compósita do C-Series":

Bombardier está injetando após o layup ter sido colocado em seu autoclave de 21,3m de comprimento por 5,6m de diâmetro, permitindo temperatura e pressão serem mantidas no nível requerido para viscosidade reduzida e molhagem — Cytec 890 é injetável a 80˚C ... Após injeção de resina completa, pressão positiva é aplicada no autoclave durante consolidação, causando elementos de ferramental a fechar, compactar o laminado molhado e ejetar excesso de resina de volta para a entrada de resina em um dump de resina especificamente projetado.

"Como a maioria dos fabricantes em aeroespacial comercial, tem interesse em garantir qualidade e aumentar taxa", explica Pantelelis. O layout abaixo e resultados do ECOMISE eram para um demonstrador, não uma peça comercial. Usou duas unidades OPTIMOLD com dois sensores de cura in-mold e três unidades OPTIFLOW com quatro sensores de fluxo in-mold e quatro sensores in-line nas linhas de vácuo. "OPTIFLOW pode monitorar até quatro chegadas de resina e quatro sensores de temperatura/resistência", nota Pantelelis. "Os alvos da demonstração foram totalmente alcançados. Provamos que os sensores, fiação e sistemas podem funcionar sem nenhum problema sob as especificações aeroespaciais mais desafiadoras. Foi interessante que as medições de chegada de resina mostraram grandes diferenças comparadas com simulações de fluxo. Também, o monitoramento online de Tg mostrou que o ciclo de cura seguido para aquele demonstrador específico poderia ter sido significativamente mais curto."

"Agora estamos desenvolvendo um sistema de monitoramento para linhas de colagem", diz Pantelelis, "principalmente para produção de pás de turbinas eólicas mas finalmente para qualquer processo de colagem. Embora estejamos atualmente muito ocupados com a indústria de turbinas eólicas, que está tentando reduzir custos, vemos cada vez mais interesse do setor aeroespacial à medida que avança rumo a moldagem de compósitos líquidos para produção em massa. Fabricantes estão buscando obter mais insight sobre o que está acontecendo exatamente durante moldagem e como podem estabilizar e otimizar seus processos."

Projetos Ecomise e Recotrans receberam financiamento dos Programas de Pesquisa e Inovação FP7 e Horizon 2020 da União Europeia sob Acordos de Subvenção n° NMP2-SL-2013-608667 e 768737, resp.

Referências para a seção "Análise dielétrica (DEA), AC vs. DC" incluem:

• "Monitoramento de cura UV em tempo real" por VINCENTZ, publicado no European Coatings Journal, edição 11/2003, p. 7.
• "Sistemas de Monitoramento de Processo Online — Benchmark e Estudo de Teste" por Reinhold Meier¹, Swen Zaremba¹, Florian Springl¹, Klaus Drechsler¹, Fabrice Gaille² e Christian Weimer² — ¹ Institute for Carbon Composites, TU Munich, Garching, Alemanha. ² Eurocopter Deutschland GmbH, Donauwörth. Flow Process in Composite Materials — FPCM 11, 9-12 julho 2012, Auckland, Nova Zelândia.
• Nondestructive Characterization of Materials VIII editado por Robert E. Green, Proceedings of the 8th Intl. Symposium on Nondestructive Characterization of Materials, 16-20 junho 1997, Boulder, Colorado, EUA, publicado por Springer Science & Business Media, pp. 384-385.

Outra referência útil é "The Handbook of Dielectric Analysis and Cure Monitoring" por Huan L. Lee, publicado por Lambient Technologies.