Monitoramento Preciso de Temperatura Dentro de Estruturas Compósitas e Linhas de Cola Adesivas

Ter visibilidade total dentro de um compósito e/ou linha de cola adesiva durante a cura tem sido um problema por décadas. Sensores de temperatura atuais – termopares – são grandes demais para serem embutidos sem causar defeito na peça. Assim, agora só é possível ler temperatura na superfície e perímetro de peças e reparos colados. É difícil saber a temperatura de um adesivo no fundo de um remendo de reparo, dentro de um laminado espesso de pele de fuselagem ou asa ou entre essas peles e longarinas grossas. No entanto, essa temperatura é crucial para fluxo adequado de resina, molhagem e cura.

Atualmente, a indústria de compósitos compensa essa deficiência gastando meses e milhões de dólares testando para garantir que receitas estimadas de tempo e temperatura de fato completem a cura e produzam as propriedades necessárias. Apesar disso, fornecedores ainda gastam muitas horas-homem e dólares anualmente revisando e certificando peças onde termopares falham ou onde termopares avançados/atrasados estão suficientemente fora dos limites prescritos para lançar dúvidas sobre propriedades e desempenho em voo.

Em um esforço para resolver este problema de medição de temperatura, a AvPro Inc. (Norman, OK, EUA) desenvolveu o sistema ThermoPulse, que permite monitoramento de temperatura sem fio, remoto, in-situ durante a cura. O sistema compreende sensores de microwire, uma antena transmissora/receptora e uma caixa leitora que coleta sinais da antena e usa software para converter essa informação 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 completou um programa Fase I de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas (SBIR) com a Força Aérea dos EUA e está atualmente realizando um esforço Fase II, medindo diretamente temperaturas de linha de cola durante reparos compósitos e fabricação de peças compósitos e verificando a precisão do ThermoPulse via testes round-robin em quatro locais independentes.

O potencial desta tecnologia é significativo, oferecendo dados em tempo real da Indústria 4.0 não apenas para compósitos termofixos, mas também para a formação de fusão e cristalinidade dependente de temperatura de materiais termoplásticos. Além disso, medição na verdade não é o objetivo final do sistema. O ThermoPulse finalmente gerenciará ciclos de cura baseados na mudança viscoelástica do compósito. Ciclos de cura podem ser encurtados porque a conclusão pode ser vista a partir de dados em tempo real vs. uma receita legada de tempo/temperatura. Ciclos de cura também podem ser otimizados, permitindo o uso de aquecimento por micro-ondas e indução para entregar temperatura altamente direcionada e quase instantânea conforme necessário para alcançar taxas de cura rápidas sem "superaquecer" o compósito.

Sensores Macro vs. Microwire

Termopares são o sensor de temperatura mais comum usado em processamento de compósitos hoje. Formados por dois fios de metais diferentes unidos em uma extremidade, eles geram uma corrente com mudança de temperatura. Termopares são baratos e podem fornecer leituras de temperatura precisas, mas devem ser conectados a um voltímetro. Mesmo que os fios individuais possam ter diâmetro muito pequeno, o conjunto completo gerador de dados não pode ser embutido em uma peça ou linha de cola sem reduzir propriedades estruturais e também apresentar desafios de bolsa de vácuo (ou seja, fonte de potenciais caminhos de vazamento) que podem levar a peças compósitas de má qualidade.

Em contraste, os sensores microwire do sistema ThermoPulse da AvPro têm 0,25 mm de diâmetro e 32 mm de comprimento, e mediram temperatura com sucesso enquanto embutidos sob um laminado de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) com mais de 25 mm de espessura. Em resultados de teste de cisalhamento, corpos de prova com e sem sensores embutidos na linha de cola adesiva são indistinguíveis. Os sensores microwire são feitos de ligas metálicas amorfas, principalmente cobalto e ferro. Suas propriedades magnéticas são únicas. Primeiro, eles se 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 – referido como Salto de Barkhausen. Quando um campo eletromagnético alternado é aplicado a um sensor, esses Saltos de Barkhausen causam pulsos de tensão agudos que podem ser detectados remotamente com uma antena. A integral de cada pulso é dependente da temperatura.

Um componente chave adicional deste mecanismo de medição é que a metalurgia do microwire pode ser adaptada a uma Temperatura de Curie específica, que é a temperatura acima da qual o pulso de tensão não ocorrerá mais. Nota: esta é uma propriedade física certificável do microwire manufaturado. Temperatura precisa pode ser extraída do pulso de tensão do microwire porque a magnitude da integral diminui não linearmente à medida que a temperatura do microwire se aproxima de sua Temperatura de Curie.

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

Sensores ThermoPulse são auto-calibráveis e na verdade são compostos por três microwires 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 fio de medição e é ligado para ter uma Temperatura de Curie aproximadamente 50°F/10°C acima da temperatura de cura para o sistema de resina para o qual o sensor é projetado. Um segundo fio é chamado de fio de referência e é ligado para ter uma Temperatura de Curie várias centenas de graus acima da temperatura de permanência 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 de Curie conhecida seja atingida, momento em que seu pulso desaparecerá. Neste instante, a temperatura do sensor é verificada com precisão e o sistema ThermoPulse tem a temperatura de calibração necessária para prosseguir com medições e cálculos.

Testes SBIR

Após completar um SBIR Fase I inicial com a Força Aérea para demonstrar viabilidade, a AvPro e seus parceiros estão agora aproximadamente na metade do projeto Fase II, projetado para validar a precisão e exatidão do sistema ThermoPulse. Isso está sendo alcançado testando em quatro locais independentes, cada um usando 25 sensores ThermoPulse e uma caixa leitora protótipo incorporada em um tipo de hot bonder. Hot bonders são equipamentos portáteis, tamanho mala pequena, usados para controlar a aplicação de calor e vácuo a um reparo compósito colado adesivamente. 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 Hill (perto de Ogden, UT, EUA).

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

Cada local de teste completará 25 reparos compósitos colados padronizados usando um remendo de reparo scarf de 5 polegadas de diâmetro feito de seis camadas de pré-impregnado sobre uma camada de adesivo em filme com sensor microwire na linha de cola. Cada um desses 25 reparos também usará termopares como controle para comparação com resultados dos sensores microwire ThermoPulse.

"Completamos todos os testes de reparo com cura a 250°F e agora estamos analisando os dados", diz o presidente da AvPro, Tom Rose. "Até agora, as medições microwire estão dentro de ±5°F das medições de termopar." Rose diz que todos os locais de teste estão usando laminados e remendos CFRP exceto Hill AFB, que tem razões específicas para testar laminados e reparos de fibra de vidro. "Agora estamos começando testes com 100 sensores adicionais para reparos a 350°F e completaremos o trabalho SBIR até 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 normas da indústria, incluindo a maioria dos métodos de teste usados para materiais e estruturas compósitas. "O método ASTM para medir temperatura em uma linha de cola durante reparo compósito também se aplicaria a qualquer linha de cola compósita", diz Rose, "e dará à indústria confiança na precisão dos sensores ThermoPulse." Completar os reparos para testes SBIR também fornecerá feedback para refinar o protótipo hot bonder como dispositivo de controle de temperatura de malha fechada. "Nosso objetivo é controlar a cura do reparo baseada em temperaturas dentro da linha de cola", diz Rose, "com o objetivo final de fornecer economia significativa de tempo e custo."

Modernizando Cura, Documentando Qualidade

"Este sensor foi desenvolvido para alimentar nosso sistema de gerenciamento de cura", explica Rose. "Realmente não houve muita mudança fundamental na forma como gerenciamos cura em estruturas compósitas." O controle de estado de material da AvPro, no entanto, é uma mudança significativa, que é uma razão pela qual sua adoção tem sido lenta. "A comunidade aeroespacial de compósitos é muito conservadora", nota Lou Dorworth, instrutor de longa data na Abaris Training. "Usar o sistema de Gerenciamento de Estado de Material da AvPro exigiu treinamento e, inicialmente, as unidades não eram tão amigáveis quanto as sendo desenvolvidas com ThermoPulse." Rose reconhece que o objetivo do desenvolvimento atual é ter um produto comercial fácil de usar. "Também estamos refinando o software e escalando a fabricação de fios e sensores para produção industrial. Atualmente, projetamos custo de $25-$30 para cada sensor, que é aproximadamente o mesmo preço de um termopar."

"Nossa primeira prioridade é finalizar a tecnologia para comercialização e produção industrial", diz Rose. Ele adiciona que a AvPro seguirá em frente com estabelecimento de método de teste ASTM; o passo final será conduzir quaisquer testes adicionais necessários para certificação estrutural (ou seja, programas de efeitos de defeitos). "Obter resultados equivalentes com e sem o sensor colado é um bom começo", diz Rose, "mas engenheiros de estruturas têm que ser convencidos de que os sensores podem ser colocados em locais críticos e melhorar sua capacidade de alcançar propriedades, sem criar defeito." Seu objetivo é buscar uma qualificação inicial do sistema ThermoPulse em um fabricante de aeronave esportiva leve (LSA) totalmente compósita, que tendem a ter estrutura corporativa mais plana que OEMs e grandes fornecedores Tier.

Embora mudança em design e produção de aeroestruturas compósitas 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 manufatura de compósitos. Rose e Dorworth veem potencial não apenas para fabricação e reparo de aeronaves, mas para aplicações muito mais amplas, como gerenciar processos dependentes de temperatura baseados em dados em tempo real, in-situ. "Nosso sistema está dando ao fabricante de peças o poder de otimizar seus próprios ciclos de cura e correlacioná-los a propriedades reais de material", diz Rose. "Agora temos a capacidade de medir temperatura e viscosidade como função do tempo dentro da peça e linha de cola. Isso nos dá a capacidade de verdadeiramente estabelecer controle digital e ter confiança documentada na qualidade de nossas peças."