복합재료의 경화 모니터링을 위한 AC 및 DC 유전체 측정 결합

저는 AvPro(미국 오클라호주 Norman)의 ThermoPulse 마이크로와이어 센서를 통한 경화 모니터링에 대해 글을 썼습니다. 이 센서는 경화 관리 시스템에 사용하는 것을 목표로 하고 있으며 Synthesites(벨기에 Uccle)의 직류(DC) 유전체 센서 현장 모니터링 및 실시간 Tg 평가. 이 블로그에서는 Lambient Technologies(미국 매사추세츠주 캠브리지)와 교류(AC) 유전체 센서의 역사와 AC 및 DC 유전체 분석(DEA)을 결합한 최신 LT-440 기기에 대해 설명합니다. Lambient 설립자인 Huan Lee는 "두 기술 모두 장단점이 있습니다. "AC 및 DC 측정을 결합하면 제조 중 R&D, 품질 관리 및 현장 모니터링을 위한 가장 광범위한 도구를 제공합니다."

Lambient Technologies의 역사

Lee는 1980년대에 치료 모니터링을 개발하는 MIT의 R&D 그룹에 있었습니다. 그는 이 기술을 상용화하기 위해 1982년 분사된 Micromet Instruments를 설립했습니다. Micromet은 여러 번 인수했습니다. 2001년 NETZSCH(독일 Selb)는 Holometrix Micromet을 인수하여 NETZSCH의 전세계 열분석 사업부와 합병했습니다.

그러나 Lee는 Netzsch가 기술을 충분히 개발하지 못하고 있다고 느꼈고 Micromet 사업부를 떠나 Micromet Instruments의 수석 엔지니어인 Steve Pomeroy와 함께 2008년 Lambient Technologies를 공동 설립했습니다. Lee는 "내가 떠난 후 Netzsch는 Epsilon 288을 개발했는데, 이는 경화 모니터링에 좋은 기기입니다."라고 말합니다. “그러나 Netzsch는 대기업이고 DEA는 그들에게 작은 시장입니다. Lambient Technologies에서 우리의 장점은 기술의 창시자 중 한 명인 제가 맡은 역할로 인한 고유한 깊이 있는 지식입니다.” Lambient Technologies의 마케팅 이사 Maria S. Lee는 수지와 복합재가 계속해서 회사의 핵심 영역이지만 한 가지 유형의 산업을 대상으로 하지 않는다고 말합니다. "우리는 매니큐어, 치과 재료 및 접착제 제조업체는 물론 복합 바람막이 및 의료용 임플란트 제조업체와 협력하고 있습니다."

Lambient Technologies 센서 및 기기는 에폭시, 아크릴, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리이미드 및 폴리아미드 재료, UV 경화 중합체, 모든 유형의 성형 화합물, 페인트, 코팅 및 섬유 강화를 포함한 경화 열경화성 중합체의 유전 특성을 모니터링하는 데 사용됩니다. 합성물. 그들의 솔루션은 제형, 반응 속도, 점도 및 경화 상태에 대한 통찰력을 제공합니다. 폴리머 재료를 연구하고 제조 공정을 최적화하는 데 사용됩니다. 그들은 배치 반응 용기를 사용하여 폴리머 제조를 관리하고 오븐, 오토클레이브, 프레스 및 인발 시스템을 사용하는 복합 재료 제조를 관리하는 데 사용할 수 있습니다.

DEA의 과학

유전 분석(DEA)은 DSC(시차 주사 열량계) 및 DMA(동적 기계 분석)와 같은 열 분석 기술이지만 Huan Lee는 설명합니다. 테스트 중인 재료의 전기적 특성을 측정하기 위해 센서를 사용합니다. 모든 열경화성 수지에는 두 가지 일이 발생합니다. 이온이 흐르고 있지만 이는 경화 상태와 동일한 분자 네트워크의 견고성으로 인해 방해를 받습니다. 흐르는 이온은 전자기장 또는 신호에 주파수 독립적인 응답을 제공합니다. 수지 내의 두 번째 활동은 동일한 전자기장 또는 신호에 대한 응답으로 양극 및 음극 쌍극자의 회전입니다. 그러나 이 응답은 전자기장의 주파수에 따라 다릅니다. 이러한 주파수 독립 현상과 종속 현상을 구분하는 것이 치료 상태를 구별하는 핵심입니다.”

액체 수지에서 이온 흐름에 대한 저항은 낮다고 Lee는 말합니다(위 다이어그램의 미경화 열경화성 수지 참조). “수지가 경화되면서 저항이 올라갑니다. 경화가 끝나면 이온 흐름에 대한 저항이 매우 큽니다.” DEA는 폴리머의 저항을 측정합니다. (저항률으로 보고됨 ) 및 커패시턴스 (유전성으로 보고됨 ). 저항률 주파수에 의존하지 않는 이온 흐름과 주파수에 의존하는 쌍극자 회전 성분을 모두 포함합니다. 주파수 독립 저항은 이온 점도로 알려져 있습니다. (아래 그래프 참조) 겔화 전 수지 점도 및 겔화 후 탄성률과 상관관계가 있습니다.

겔화 지점을 식별하는 유전 이벤트는 없지만 시간에 따른 이온 점도의 변화(기울기 ) 0에 접근합니다. Lee는 "Gelation은 기계적 현상이므로 수지의 유전 특성이 도움이 되지 않습니다. 그러나 피크 기울기와 동일한 최대 반응 속도 근처에서 발생합니다. 경화가 끝나면 사용자는 완전히 경화된 대상(재료 및 용도에 따라)을 결정한 다음 이것이 발생하는 기울기를 식별합니다. 설정한 시간과 온도를 사용하는 것보다 훨씬 안정적입니다.”

DEA 시스템 요소

Lambient Technologies DEA 시스템은 몇 가지 필수 요소로 구성됩니다. 측정은 열전대와 같은 온도 센서를 포함하는 유전체 센서를 사용하여 이루어집니다. “유전체 특성은 치료와 함께 변합니다. 그리고 온도”라고 Lee는 말합니다. 센서는 Lambient의 CureView 데이터 수집 및 분석 소프트웨어를 실행하는 노트북에 연결된 모니터링 장비에 케이블로 연결됩니다.

Lambient Technologies 유전체 센서는 영구적이거나 일회용일 수 있습니다. 영구 센서는 금형이나 프레스에 내장되어 재사용할 수 있습니다. 이들은 일반적으로 세라믹 기판에 내장된 하나 이상의 금속 전극, 열전대 및 종종 스테인리스 스틸인 피복으로 구성됩니다. 이러한 센서는 일반적으로 직경이 0.25인치에서 1인치이며 최대 250°C까지 사용할 수 있습니다. 일회용 센서는 부품 표면에 사용되며 얇은(100마이크로미터) 유연한 Kapton 기판에 접합된 전극 어레이로 구성됩니다. 350°C까지 사용할 수 있습니다. Lambient는 길이가 38cm인 Varicon 일회용 센서와 길이가 3.8cm인 Mini-Varicon 센서를 공급합니다.

Lambient Technologies는 또한 다양한 모니터링 장비를 보유하고 있습니다. Lambient Technologies의 공동 창립자이자 소프트웨어 개발 책임자인 Steve Pomeroy는 "매우 민감하고 많은 유연성을 제공하는 LT-451 Dielectric Cure Monitor 실험실 등급 시스템으로 시작했습니다."라고 말했습니다. “고객은 QA/QC 및 제조를 위해 특별히 설계된 시스템이 필요했기 때문에 LTF-631 고속 유전체 경화 모니터를 개발했습니다. 각 LT-451 또는 LTF-631에는 최대 4개의 채널이 있으며 각 채널에는 유전체 1개와 열전대 입력 1개가 있습니다. 또한 QA/QC 및 제조를 위해 특별히 LT-439 유전체 채널을 개발했습니다. 가격이 저렴하고 날개나 바람 날개와 같은 대형 물체에 대해 하나의 직렬 링크에 여러 계측기를 사용할 수 있습니다. LT-451과 비슷하지만 장치당 하나의 채널만 있습니다.” 그는 Lambient Technologies 장비의 30%가 R&D에 사용되는 반면 50%는 QA/QC에, 20%는 제조에 사용되는 것으로 추정합니다.

AC 및 DC 경화 모니터링

Lee는 "우리는 주로 AC 측정을 사용합니다. 이는 신호 전압이 진동한다는 것을 의미합니다. 경화 상태를 측정하는 데 필요한 최적의 빈도는 경화 프로세스의 위치에 따라 다릅니다. 더 높은 주파수는 처음에는 좋지만 재료가 훨씬 더 높은 모듈러스를 가질 때 경화가 끝날 때 더 낮은 주파수가 더 좋습니다."

기술 개요 3.04의 그림 4-4 및 4-5는 5분 에폭시 경화 중 이온 점도 측정의 왜곡을 보여줍니다. 전극 분극으로 인한 이 왜곡은 주파수가 증가함에 따라 감소합니다.

"하지만 우리는 고정 전압(주파수 =0)을 적용하고 한 방향으로만 전류를 구동하는 DC를 사용할 수도 있습니다. 그래서 이것이 더 간단합니다. AC 및 DC 측정은 경화 종료 시 잘 일치하지만 DC 측정은 경화 초기에 문제를 일으킬 수 있습니다. 한편, 대부분의 열경화성 수지 및 복합 재료에 대한 경화 종료 시 AC 측정은 괜찮지만 특정 고저항 재료의 경우 너무 오래 걸릴 수 있습니다." 이는 열경화성 재료의 저항이 가장 높을 때 경화 종료 시 AC 측정이 더 낮은 주파수에서 가장 잘 수행되기 때문입니다. Lee는 "1Hz의 주파수를 사용하는 경우 3사이클에서 측정하는 데 3초가 필요합니다."라고 설명합니다. "그러나 0.1 또는 0.01 헤르츠의 적절하게 낮은 주파수를 사용하는 경우 측정에는 각각 30초 또는 300초가 필요합니다. 따라서 DC는 측정이 거의 즉각적이기 때문에 매우 유용합니다. AC 및 DC 측정 모두 장단점이 있습니다.”

“경화 초기의 DC 측정 문제는 전기화학적 저항과 관련이 있는 것 같습니다.”라고 Lee는 말합니다. Lambient Tehnologies 간행물 "기술 개요 3.04 - AC 및 DC 경화 모니터링"에 설명된 대로 DC 측정 중에 수지에서 발생하여 저항을 추가하는 전기화학 반응이 있는 것으로 보입니다. 이는 재료가 경화됨에 따라 감소하여 AC와 DC 측정 간의 불일치를 줄입니다.

AC 유전체 센서는 하단의 프레스 플래튼에 내장된 센서 위의 파란색 필름과 같이 진공 백과 이형 필름을 통해 측정할 수 있습니다.

AC 측정의 경우 전극 분극이라는 현상이 있습니다. 이는 조기 경화 동안 센서 전극 전체에 차단 층을 생성할 수 있습니다. 이것은 비정상적으로 높은 겉보기 이온 점도를 유발할 수 있지만(그림 4-4 및 4-5 참조) 주파수가 증가함에 따라 감소하며 1 ~ 10kHz에서 측정한 경우 문제가 되지 않습니다. 그러나 전극 분극 보정이라고도 하는 경계층 보정을 사용하여 경화에 대한 정확한 정보를 수학적으로 복원하는 것이 가능합니다.

또 다른 주요 문제는 AC 신호가 진공 백 및 이형 필름과 같은 절연체를 통과할 수 있지만 이러한 절연체가 DC 신호를 차단한다는 것입니다. 따라서 이것은 DC 센서가 폴리머와 접촉할 수 있도록 절단할 구멍이 필요한 DC 측정의 문제였습니다. "따라서 AC 측정을 사용하는 것은 센서를 원하는 거의 모든 곳에 배치하고 위치를 변경하거나 센서 어레이를 사용하여 필름 및 보조 재료에 영향을 주지 않고 수지 흐름 선단을 감지하고 경화할 수 있기 때문에 도움이 되는 곳입니다."라고 Lee가 말했습니다. 피>

DEA 및 사례 기록 사용

Lambient Technologies는 장비를 사용하기 쉽다고 주장합니다. "센서를 배치하여 재료를 모니터링하고, 센서 케이블을 기기에 연결하고, 처리를 시작하고, 소프트웨어를 실행합니다."라고 Pomeroy는 말합니다. “소프트웨어는 장비가 올바르게 작동하는지 확인하기 위해 5분 에폭시에 대한 기본 테스트를 설정합니다. 우리는 이 테스트를 단계별로 사용자에게 안내하는 이 에폭시, 테스트 센서 및 빠른 시작 가이드를 제공합니다. 하루 교육도 제공합니다.”

Lee는 Lambient가 고객과 협력하여 고객이 필요한 장비와 지식을 갖추고 있는지 확인합니다. 예를 들어, 언론용 센서를 어떻게 보호합니까? 사용하는 최적의 주파수는 무엇입니까? “많은 재료의 경우 처음부터 끝까지 치료를 특징 짓는 하나의 주파수를 찾을 수 있습니다. 다른 재료의 경우 더 잘 작동하는 두 가지 주파수가 있을 수 있습니다. 예를 들어, 재료가 이온 흐름에 대한 저항이 가장 높을 때 시작 시 더 높은 주파수와 끝에서 더 낮은 주파수. 시행착오의 문제입니다. LT-451의 좋은 점은 한 번에 여러 주파수를 테스트하여 재료에 가장 적합한 주파수를 결정할 수 있다는 것입니다.”

Pomeroy는 "대부분의 재료에 대한 광범위한 애플리케이션 노트를 보유하고 있습니다."라고 덧붙입니다. “우리는 또한 DEA 및 치료 모니터링에 대한 300페이지 분량의 핸드북을 출판했으며, 이는 다른 많은 실제 리소스와 마찬가지로 웹사이트에서 온라인으로 제공됩니다. 그것이 우리의 독특한 점입니다. 사용자가 무슨 일이 일어나고 있는지 이해할 수 있도록 우리는 과학에 대해 매우 투명합니다."

QA/QC 사례 기록의 예는 Continental Structural Plastics(CSP, Auburn Hills, Mich., U.S.) 시트 몰딩 컴파운드(SMC) 및 성형 SMC 부품 제조업체. Lee는 "그들은 SMC의 각 배치를 테스트합니다. 공정 단계에는 다음이 포함됩니다. 온도를 테스트하기 위해 프레스를 예열합니다. 오픈프레스; 지정된 무게의 SMC에 넣습니다. 프레스를 닫고 데이터 수집을 시작하십시오. 임계점 1~4가 추출되고 데이터가 기록되는 이온 점도 곡선이 생성됩니다. "이것은 재료가 사양을 준수하고 예상대로 경화되는지 확인하기 위해 각 배치에 대해 수행됩니다."

Lambient Technologies 센서 (왼쪽) 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC) 몰드의 전면과 후면에서 볼 수 있습니다. (중앙) 몰드 회로 칩의 경화를 모니터링하는 데 사용됩니다. (오른쪽) .

제조 사례 기록의 예로는 에폭시 몰딩 컴파운드를 사용하는 일본 회로 칩 제조업체가 있습니다. “그들은 에폭시 몰딩 컴파운드 프레스를 위해 몰드에 센서를 사용합니다.”라고 Lee는 말합니다. “그들은 재료가 금형에 들어오고 나가는 시간, 즉 충전 시간을 모니터링하고 두 지점 사이에서 재료가 어떻게 경화되어 일관되게 경화되는지 확인합니다. 그들은 집적 회로 패키지의 제조 가능성에 영향을 미치는 언더 큐어 또는 오버 큐어에 대한 재료 특성을 분석하고 있습니다. 충전 시간 동안 점도 범위가 매우 좁고 이를 모니터링하기를 원합니다.”

Lee는 “마찬가지로 프리프레그를 모니터링하는 것이 가능합니다. “프리프레그가 수명 초기에 경화되는 방식은 수명 제한이 끝날 때와 동일하지 않습니다. DEA는 노화에 따른 변화를 모니터링하여 각 프리프레그 롤의 처음부터 끝까지 재료의 경화 거동을 모니터링할 수 있습니다.” 여기서 한 가지 주의할 점은 탄소 섬유는 전도성이라는 것입니다. "섬유가 전극을 연결하면 DEA 센서를 단락시킬 것입니다."라고 그는 경고합니다. 이 경우 필터가 사용됩니다. "필터는 수지가 센서를 통과하도록 하지만 탄소 섬유로부터 절연시킵니다."

LT-440 및 미래 치료 관리

Lambient Technologies는 LT-440이 AC 및 DC 센서를 모두 사용할 수 있는 최초의 DEA 장비라고 주장합니다. Lee는 "이 시스템의 목표는 수지 경화를 쉽게 모니터링할 수 있도록 하는 것이지만 이 데이터를 사용하여 온도를 관리하고 경화 프로세스를 제어하는 ​​새로운 소프트웨어도 개발 중입니다."라고 말합니다. "예를 들어, 센서의 데이터를 사용하여 금형 또는 프레스를 CP4(경화 종료)에서 열리도록 설정할 수 있습니다. 우리는 고객에게 장비용 API[응용 프로그래밍 인터페이스]를 제공할 수 있습니다.”

그러나 AC에서 DC로의 측정 전환을 관리하는 것은 어떻습니까? Lee는 "사용하려는 주파수를 지정하는 문제일 뿐입니다."라고 말합니다. “DC 측정의 경우 주파수를 0으로 설정합니다. 약간의 경험을 개발해야 하지만 AC와 DC가 치료의 시작과 종료 시점에 어떤 이점이 있는지에 대해 이미 논의했으며 온라인에서 사용할 수 있는 지식 기반에 추가할 것입니다.”

"많은 사람들이 온도와 시간을 사용하여 치료를 모니터링하지만 이것은 구식입니다."라고 Pomeroy는 말합니다. “DEA는 치료를 모니터링하고 추측을 중단하는 훨씬 더 나은 방법입니다. DEA는 수지와 합성물이 경화를 완료했으며 그 경화가 다른 부품과 어떻게 비교되는지 문서화하는 방법을 제공합니다.” Lee는 “모두가 그 가치를 봅니다. 하지만 현상태를 바꾸기는 어렵다”고 말했다. 그러나 DEA가 제공하는 지식은 복합재 제조의 미래에 필요한 이점이 될 것입니다.

Lambient Technologies는 Spirit AeroSystems(미국 캔자스 주 위치타)와 스코틀랜드 Prestwick 시설의 2017-2018 지능형 다중 구역 가열 도구 개발을 인용하여 기존 오토클레이브에 비해 복합 부품을 40% 더 빠르고 절반의 비용으로 경화할 수 있다고 합니다. 프로세스:

프리스트윅에 있는 Spirit's Advanced Technology Center의 수석 엔지니어인 Stevie Brown은 "한 번에 몇 시간 동안 표준 온도에서 구성 요소를 경화하는 대신 개별 부품 형상에 맞게 주기 시간을 조정할 수 있습니다."라고 설명했습니다. "오토클레이브는 제조 라인에서 병목 현상이었으며 이를 제거하면 구성 요소의 주기 시간이 단축되고 생산 비용이 절감되며 에너지 소비가 감소합니다."

Lambient Technologies는 기술의 융합을 보여줍니다. (상단) 경화 모니터링의 실시간 피드백을 통해 경화 프로세스를 완벽하게 제어할 수 있는 다중 구역 가열 도구를 사용하여 경화 관리를 위해 구현할 수 있습니다. 브라질 윈드 블레이드 제조업체 Tecsis는 각 블레이드의 길이를 따라 300개 지점에서 에폭시 수지의 경화를 모니터링하는 DEA 기기를 개발하기 위해 Lambient Technologies에 접근했습니다. (아래) . 이것이 LT-439의 개발로 이어졌습니다.