복합재 및 접합선 내부 온도 측정

경화 중 복합재 및/또는 접착제 본드라인에 대한 완전한 가시성을 확보하는 것은 수십 년 동안 문제였습니다. 현재 온도 센서(열전대)는 부품에 결함을 일으키지 않고 내장하기에는 너무 큽니다. 따라서 이제 부품 및 접합 수리의 표면과 둘레에서만 온도를 읽을 수 있습니다. 수리 패치의 바닥, 두꺼운 동체 또는 날개 스킨 라미네이트 내부 또는 이러한 스킨과 두꺼운 스트링거 사이의 접착제 온도를 아는 것은 어렵습니다. 그러나 이 온도는 적절한 수지 흐름, 습윤 및 경화에 매우 중요합니다.

현재 복합 재료 산업은 예상 시간 및 온도 레시피가 실제로 경화를 완료하고 필요한 특성을 생성하는지 확인하기 위해 테스트에 몇 달과 수백만 달러를 투자하여 이러한 단점을 보완합니다. 그럼에도 불구하고 공급업체는 열전대가 고장난 곳이나 선행/후행 열전대가 규정된 경계를 충분히 벗어나 속성 및 기내 성능에 의문을 제기하는 부품을 검토하고 인증하는 데 매년 많은 인력과 비용을 소비하고 있습니다.

이 온도 측정 문제를 해결하기 위한 노력으로 AvPro ​​Inc.(Norman, OK, US)는 경화 중 무선, 원격, 현장 온도 모니터링을 가능하게 하는 ThermoPulse 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 마이크로와이어 센서, 송수신 안테나, 안테나 신호를 수집하고 소프트웨어를 사용하여 해당 정보를 온도 데이터로 변환하는 판독기 상자로 구성됩니다. 센서는 부품에 내장된 상태로 유지되며 시스템은 오토클레이브, 오븐, 주입 또는 RTM(수지 전달 성형) 처리와 함께 사용할 수 있습니다. AvPro는 이미 미 공군과 함께 1단계 SBIR(중소기업 혁신 연구) 프로그램을 완료했으며 현재 2단계 노력을 수행하여 복합재 수리 및 복합재 부품 제조 중 접합선 온도를 직접 측정하고 라운드 로빈을 통해 ThermoPulse의 정확성을 검증하고 있습니다. 4개의 독립적인 사이트에서 테스트 중입니다.

이 기술의 잠재력은 매우 커서 열경화성 복합 재료뿐만 아니라 열가소성의 온도 의존적 ​​용융 및 결정도 형성에 대한 실시간 인더스트리 4.0 데이터를 제공합니다. 재료. 또한 측정 실제로 시스템의 최종 목표는 아닙니다. ThermoPulse는 궁극적으로 복합 재료의 점탄성 변화를 기반으로 경화 주기를 관리합니다. 실시간 데이터와 기존 시간/온도 레시피에서 완료를 확인할 수 있으므로 경화 주기를 단축할 수 있습니다. 경화 주기도 최적화할 수 있어 복합 재료를 "과도하게 익히지" 않고 빠른 경화 속도를 달성하기 위해 필요에 따라 고도로 표적화된 거의 즉각적인 온도를 제공하기 위해 마이크로파 및 유도 가열을 사용할 수 있습니다.

매크로 대 마이크로와이어 센서

열전대는 오늘날 복합 재료 처리에 사용되는 가장 일반적인 온도 센서입니다. 한쪽 끝에서 결합된 서로 다른 금속의 두 와이어로 형성되며 온도 변화에 따라 전류를 생성합니다. 열전대는 저렴하고 정확한 온도 판독값을 제공할 수 있지만 전압계에 연결해야 합니다. 개별 와이어의 직경이 매우 작을지라도 완성된 데이터 생성 어셈블리는 구조적 특성을 줄이고 진공 백 문제(즉, 잠재적 누출 경로의 원인)를 야기하지 않고는 부품이나 본드라인에 내장될 수 없습니다. 품질이 좋지 않은 합성 부품.

이와 대조적으로 AvPro의 ThermoPulse 시스템에 있는 마이크로와이어 센서는 직경이 0.25mm, 길이가 32mm이며 두께가 25mm 이상인 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 라미네이트 아래에 내장된 상태에서 온도를 성공적으로 측정했습니다. 랩 전단 테스트 결과에서 접착 본드라인에 내장된 센서가 있는 쿠폰과 없는 쿠폰을 구별할 수 없습니다. 마이크로와이어 센서는 비정질 금속 합금, 주로 코발트와 철로 만들어집니다. 그들의 자기적 특성은 독특합니다. 첫째, 전선 길이를 따라 한 방향 또는 반대 방향의 두 가지 가능한 상태에서만 분극화됩니다. 게다가 극성은 거의 순간적으로 변합니다. 이를 Barkhausen Jump라고 합니다. 교류 전자기장이 센서에 적용될 때 이러한 Barkhuasen 점프는 안테나로 원격으로 감지할 수 있는 날카로운 전압 펄스를 발생시킵니다. 각 펄스의 적분은 온도에 따라 다릅니다.

이 측정 메커니즘의 또 다른 핵심 구성요소는 마이크로와이어 야금이 전압 펄스가 더 이상 발생하지 않는 온도인 특정 퀴리 온도에 맞춰질 수 있다는 것입니다. 이것은 제조된 마이크로와이어의 인증 가능한 물리적 특성입니다. 마이크로와이어의 온도가 큐리 온도에 가까워짐에 따라 적분의 크기가 비선형적으로 감소하기 때문에 마이크로와이어의 전압 펄스에서 정확한 온도를 추출할 수 있습니다(그림 2).

따라서 ThermoPulse 안테나는 저주파 전자기장을 전송하여 내장된 센서를 조사한 다음 결과 전압 펄스를 수신합니다. 그러면 판독기 상자에서 해당 센서 위치의 온도 측정값으로 변환됩니다.

ThermoPulse 센서는 자동 교정되며 실제로 단단한 튜브에 캡슐화된 3개의 마이크로와이어로 구성됩니다. (직경 0.25mm의 튜브이며, 각 와이어의 직경은 0.03mm입니다.) 하나의 와이어는 측정 와이어 역할을 합니다. 센서가 설계된 수지 시스템의 경화 온도보다 약 50°F/10°C 높은 퀴리 온도를 갖도록 합금됩니다. 두 번째 와이어를 참조 와이어라고 합니다. 원하는 드웰 온도보다 수백 도 높은 퀴리 온도를 갖도록 합금되어 정규화할 일정한 펄스를 제공합니다. 자동 보정 와이어라고 하는 세 번째 와이어는 상온보다 높지만 경화 온도보다 현저히 낮은 퀴리 온도에 대해 합금됩니다. 알려진 퀴리 온도에 도달할 때까지 온도 판독값을 제공하며, 이 지점에서 펄스가 사라집니다. 그 순간 센서의 온도가 정확하게 검증되고 ThermoPulse 시스템은 측정 및 계산을 진행하는 데 필요한 교정 온도를 갖게 됩니다.

SBIR 테스트

타당성을 입증하기 위해 공군과 함께 초기 1단계 SBIR을 완료한 AvPro와 파트너는 이제 ThermoPulse 시스템의 정확성과 정밀도를 검증하기 위해 설계된 2단계 프로젝트의 대략 절반을 진행하고 있습니다. 이것은 각각 25개의 ThermoPulse 센서와 일종의 핫 본더에 통합된 프로토타입 판독기 상자를 사용하는 4개의 독립적인 사이트에서 테스트함으로써 달성되었습니다. 핫 본더는 접착식으로 결합된 복합 재료 수리에 열과 진공의 적용을 제어하는 ​​데 사용되는 휴대용 소형 여행 가방 크기의 장비입니다. 4개의 테스트 사이트는 AvPro의 시설, Abaris Training(미국 네바다주 리노), TSI Technologies Inc.(미국 캔사스주 위치타) 및 Hill Air Force Base(미국 유타주 Ogden 근처)에 있는 AFLCMC/EZPT-ACO입니다.

AvPro는 재료 상태 관리(MSM) 시스템의 검증 및 개선을 돕기 위해 수년간 Abaris Training과 협력해 왔으며 TSI Technologies는 마이크로와이어 센서 개발 및 개선의 핵심 파트너입니다. Hill 공군 기지는 여러 공군 무기 시스템에 대한 저장소 유지 관리를 수행하는 Ogden 공군 물류 단지와 야전을 위한 중앙 자원인 공군 수명 주기 관리 센터의 공군 첨단 복합 재료 사무실(AFLCMC/EZPT-ACO)의 본거지입니다. 복합 재료. 이 연구 프로그램은 공군 연구소(AFRL, Wright-Patterson, OH, US)와 프로젝트 관리자 Kara Storage가 주도하며 항공기 제조 및 수리 응용 분야를 염두에 두고 있습니다.

각 테스트 사이트는 본드라인에 마이크로와이어 센서가 있는 필름 접착제 층 위에 프리프레그 6겹으로 만든 직경 5인치 스카프 수리 패치를 사용하여 25개의 표준화된 본딩 복합 복합재 수리를 완료합니다. 이러한 25개의 수리 각각은 ThermoPulse 마이크로와이어 센서 결과와 비교하기 위한 컨트롤로 열전대를 사용합니다.

"우리는 모든 250°F 경화 수리 테스트를 완료했으며 현재 데이터를 분석하고 있습니다."라고 AvPro ​​사장 Tom Rose가 말했습니다. "지금까지 마이크로와이어 측정값은 열전대 측정값의 ±5°F 이내입니다." Rose는 유리 섬유 라미네이트 및 수리를 테스트하는 특별한 이유가 있는 Hill AFB를 제외한 모든 테스트 사이트에서 CFRP 라미네이트 및 패치를 사용하고 있다고 말합니다. "우리는 현재 350°F 수리를 위해 100개의 추가 센서로 테스트를 시작하고 있으며 2019년 10월까지 SBIR 작업을 완료할 것입니다."

이 테스트의 또 다른 목표는 ASTM 방법에 대한 통계적 기반을 개발하는 것입니다. ASTM International(West Conshohocken, PA, US)은 복합 재료 및 구조에 사용되는 대부분의 테스트 방법을 포함하여 산업 표준을 개발하는 조직입니다. Rose는 “복합재 수리 중 접합선의 온도를 측정하는 ASTM 방법은 모든 합성물 접합선에도 적용할 수 있으며 업계에서 ThermoPulse 센서의 정확성에 대한 확신을 줄 것입니다.”라고 말했습니다. SBIR 테스트를 위한 수리를 완료하면 폐쇄 루프 온도 제어 장치로 핫 본더 프로토타입을 개선하기 위한 피드백도 제공됩니다. Rose는 "우리의 목표는 상당한 시간과 비용 절감을 제공하는 궁극적인 목표로 본드라인 내의 온도에 따라 수리 경화를 제어하는 ​​것입니다."라고 말합니다.

치료의 현대화, 품질 문서화

"이 센서는 우리의 치료 관리 시스템에 공급하기 위해 개발되었습니다."라고 Rose는 설명합니다. "복합 구조에서 치료를 관리하는 방식에 근본적인 변화는 거의 없었습니다." 그러나 AvPro의 물질적 상태 제어는 입니다 채택이 느린 이유 중 하나는 중요한 변경 사항입니다. Abaris Training의 오랜 강사인 Lou Dorworth는 “항공우주 복합재료 커뮤니티는 매우 보수적입니다. "AvPro의 재료 상태 관리 시스템을 사용하려면 교육이 필요했으며 처음에는 장치가 ThermoPulse로 개발되는 장치만큼 사용자 친화적이지 않았습니다." Rose는 현재 개발의 목표가 사용하기 쉬운 상용 제품을 갖는 것임을 인정합니다. “우리는 또한 소프트웨어를 개선하고 산업 생산을 위한 와이어 및 센서 제조를 확장하고 있습니다. 현재 우리는 각 센서에 대해 $25-$30의 비용을 예상하고 있으며 이는 열전쌍과 거의 같은 가격입니다.”

"우리의 최우선 과제는 상용화 및 산업 생산을 위한 기술을 완성하는 것입니다."라고 Rose는 말합니다. 그는 AvPro가 다음으로 ASTM 테스트 방법을 확립하는 데 앞장설 것이라고 덧붙였습니다. 마지막 단계는 구조적 인증(즉, 결함 프로그램의 영향)에 필요한 추가 테스트를 수행하는 것입니다. Rose는 "센서를 접착한 상태와 없는 상태에서 동일한 결과를 얻는 것은 좋은 시작입니다. 그러나 구조 엔지니어는 센서를 중요한 위치에 배치하고 결함을 생성하지 않고 속성을 달성하는 능력을 향상시킬 수 있다는 것을 확신해야 합니다. " 그의 목표는 OEM 및 대규모 계층 공급업체보다 더 평평한 기업 구조를 갖는 경향이 있는 복합 경량 스포츠 항공기(LSA) 제조업체에서 ThermoPulse 시스템의 초기 자격을 취득하는 것입니다.

복합재 항공 구조 설계 및 생산의 변경은 비용이 많이 들고 느리기로 악명이 높지만 복합재 제조 속도를 가속화할 수 있는 공정 제어 기술을 구현하려는 그 어느 때보다 추진력이 있습니다. Rose와 Dorworth는 항공기 제조 및 수리뿐만 아니라 실시간 현장 데이터를 기반으로 하는 온도 종속 프로세스 관리와 같은 훨씬 더 광범위한 응용 분야의 가능성을 보고 있습니다. Rose는 "우리 시스템은 부품 제조업체가 자체 경화 주기를 최적화하고 이를 실제 재료 속성과 연관시킬 수 있는 능력을 제공합니다."라고 말합니다. "이제 in 시간의 함수로 온도와 점도를 측정할 수 있습니다. 부분 및 결속선. 이를 통해 우리는 진정으로 디지털 제어를 확립하고 부품 품질에 대한 문서화된 확신을 가질 수 있었습니다."