Pemantauan Suhu Tepat di Dalam Struktur Komposit dan Lem Adhesif
Memiliki visibilitas penuh ke dalam komposit dan/atau bondline adhesif selama penyulingan telah menjadi masalah selama bertahun-tahun. Sensor suhu saat ini — termokopel — terlalu besar untuk ditanamkan tanpa menyebabkan cacat pada bagian. Oleh karena itu, sekarang hanya mungkin untuk membaca suhu di permukaan dan sekeliling bagian dan perbaikan yang diikat. Sulit untuk mengetahui suhu adhesif di dasar perbaikan patch, di dalam laminat kulit fuselage atau sayap yang tebal, atau antara kulit tersebut dan stringer tebal. Namun, suhu tersebut sangat penting untuk aliran resin yang tepat, basahi, dan penyulingan.
Saat ini, industri komposit mengkompensasi kekurangan ini dengan menghabiskan bulan-bulan dan jutaan dolar untuk pengujian untuk memastikan bahwa resep waktu dan suhu yang diperkirakan memang menyelesaikan penyulingan dan menghasilkan properti yang diperlukan. Meskipun demikian, supplier masih menghabiskan banyak jam kerja dan dolar setiap tahun untuk meninjau dan mengsertifikasi bagian di mana termokopel gagal atau di mana termokopel leading/laging cukup di luar batas yang ditetapkan untuk menimbulkan keraguan pada properti dan performa penerbangan.
Dalam upaya untuk menyelesaikan masalah pengukuran suhu ini, AvPro Inc. (Norman, OK, AS) telah mengembangkan sistem ThermoPulse, yang memungkinkan pemantauan suhu in-situ nirkabel, jarak jauh, selama penyulingan. Sistem terdiri dari sensor microwire, antena penerima/pengirim, dan kotak pembaca yang mengumpulkan sinyal antena dan menggunakan perangkat lunak untuk mengubah informasi tersebut menjadi data suhu. Sensor tetap tertanam dalam bagian dan sistem dapat digunakan dengan autoklav, oven, infusi, atau proses resin transfer molding (RTM). AvPro telah menyelesaikan program Small Business Innovation Research (SBIR) Phase I dengan Angkatan Udara AS dan saat ini melakukan upaya Phase II, secara langsung mengukur suhu bondline selama perbaikan komposit dan pembuatan bagian komposit serta memverifikasi akurasi ThermoPulse melalui pengujian round-robin di empat situs independen.
Potensi teknologi ini signifikan, menawarkan data Industry 4.0 real-time tidak hanya untuk komposit termoset, tetapi juga pembentukan titik leleh dan kristalinitas yang tergantung suhu dari material termoplastik. Lebih lanjut, pengukuran sebenarnya bukan tujuan akhir sistem. ThermoPulse pada akhirnya akan mengelola siklus penyulingan berdasarkan perubahan viskoelastis komposit. Siklus penyulingan dapat disingkat karena penyelesaian dapat dilihat dari data real-time versus resep waktu/suhu legacy. Siklus penyulingan juga dapat dioptimalkan, memungkinkan penggunaan pemanas microwave dan induksi untuk memberikan suhu yang sangat terarah dan hampir seketika sesuai kebutuhan untuk mencapai tingkat penyulingan cepat tanpa "menggoreng terlalu matang" komposit.
Sensor makro vs microwire
Termokopel adalah sensor suhu paling umum yang digunakan dalam pemrosesan komposit saat ini. Dibentuk oleh dua kawat logam berbeda yang digabungkan di satu ujung, mereka menghasilkan arus dengan perubahan suhu. Termokopel murah dan dapat memberikan pembacaan suhu yang akurat, tetapi harus dihubungkan ke voltmeter. Meskipun kawat individu mungkin memiliki diameter yang sangat kecil, rangkaian penggenerasi data yang selesai tidak dapat ditanamkan ke dalam bagian atau bondline tanpa mengurangi properti struktural dan juga menimbulkan tantangan vacuum bag (sumber jalur kebocoran potensial) yang dapat mengakibatkan bagian komposit berkualitas buruk.
Sebaliknya, sensor microwire dalam sistem ThermoPulse milik AvPro memiliki diameter 0,25 mm dan panjang 32 mm, dan telah berhasil mengukur suhu saat tertanam di bawah laminat polimer teredukasi serat karbon (CFRP) yang tebal lebih dari 25 mm. Dalam hasil pengujian lap shear, kupon dengan dan tanpa sensor yang tertanam dalam bondline adhesif tidak dapat dibedakan. Sensor microwire terbuat dari logam amorf, terutama kobalt dan besi. Properti magnetik mereka unik. Pertama, mereka terpolarisasi hanya dalam dua kemungkinan keadaan — sepanjang panjang kawat di satu arah, atau arah yang berlawanan. Selanjutnya, polaritas berubah hampir seketika — disebut sebagai Barkhausen Jump. Ketika medan elektromagnetik bergantian diterapkan pada sensor, Barkhausen Jumps ini menyebabkan pulsa tegangan tajam yang dapat terdeteksi jarak jauh dengan antena. Integral setiap pulsa bergantung pada suhu.
Komponen kunci lainnya dari mekanisme pengukuran ini adalah metalurgi microwire dapat disesuaikan dengan suhu Curie tertentu, yaitu suhu di atasnya pulsa tegangan tidak akan lagi terjadi. Perhatikan, ini adalah properti fisik yang dapat divalidasi dari microwire yang diproduksi. Suhu tepat dapat diekstraksi dari pulsa tegangan microwire karena magnitudo integral menurun secara nonlinier saat suhu microwire mendekati suhu Curienya (Fig. 2).
Jadi, antena ThermoPulse mengirimkan medan elektromagnetik frekuensi rendah untuk mengeksplorasi sensor yang tertanam dan kemudian menerima pulsa tegangan yang dihasilkan, yang kemudian diubah oleh kotak pembaca menjadi pengukuran suhu di lokasi sensor tersebut.
Sensor ThermoPulse autokalibrasi dan sebenarnya terdiri dari tiga microwire yang dikapsulasi dalam tabuh kaku. (Tabuh yang memiliki diameter 0,25 mm; masing-masing kawat memiliki diameter 0,03 mm.) Satu kawat berfungsi sebagai kawat pengukuran dan dialoy untuk memiliki suhu Curie sekitar 50°F/10°C di atas suhu penyulingan untuk sistem resin yang dirancang untuk sensor. Kawat kedua disebut kawat referensi dan dialoy untuk memiliki suhu Curie beberapa ratus derajat di atas suhu diam yang diinginkan, menyediakan pulsa konstan untuk dinormalisasi terhadapnya. Kawat ketiga, disebut kawat autokalibrasi, dialoy untuk suhu Curie di atas suhu ruang tetapi jauh di bawah suhu penyulingan. Ia akan memberikan pembacaan suhu hingga suhu Curienya yang diketahui tercapai, saat titik pulsa akan menghilang. Pada saat itu, suhu sensor secara akurat diverifikasi dan sistem ThermoPulse memiliki suhu kalibrasi yang diperlukan untuk melanjutkan pengukuran dan perhitungan.
Pengujian SBIR
Setelah menyelesaikan SBIR Phase I awal dengan Angkatan Udara untuk mendemonstrasikan kelayakan, AvPro dan rekan-rekannya sekarang setengah melalui proyek Phase II, yang dirancang untuk memvalidasi akurasi dan presisi sistem ThermoPulse. Ini dicapai dengan pengujian di empat situs independen, masing-masing menggunakan 25 sensor ThermoPulse dan kotak pembaca prototipe yang terintegrasi ke dalam jenis hot bonder. Hot bonder adalah peralatan portable, ukuran kotak kecil yang digunakan untuk mengontrol aplikasi panas dan vakum pada perbaikan komposit yang diikat adhesif. Empat situs pengujian adalah fasilitas AvPro, Abaris Training (Reno, NV, AS), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, AS) dan AFLCMC/EZPT-ACO di Hill Air Force Base (dekat Ogden, UT, AS).
AvPro telah bekerja dengan Abaris Training selama bertahun-tahun untuk membantu memvalidasi dan menyempurnakan sistem Material State Management (MSM) miliknya, sementara TSI Technologies adalah partner kunci dalam mengembangkan dan menyempurnakan sensor microwire. Hill Air Force Base adalah rumah Ogden Air Logistics Complex, yang melakukan perawatan depot pada beberapa sistem senjata Angkatan Udara, dan Air Force Life Cycle Management Center's Air Force Advanced Composites Office (AFLCMC/EZPT-ACO), sumber terpusat untuk material komposit yang digunakan di lapangan. Program penelitian dipimpin oleh Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH, AS) dan manajer proyek Kara Storage, dengan tujuan pada aplikasi manufaktur dan perbaikan pesawat.
Setiap situs pengujian akan menyelesaikan 25 perbaikan komposit standar yang diikat menggunakan patch perbaikan scarf berdiameter 5 inci yang terdiri dari enam lapisan prepreg atas lapisan film adhesif dengan sensor microwire dalam bondline. Setiap dari 25 perbaikan ini juga akan menggunakan termokopel sebagai kontrol untuk perbandingan dengan hasil sensor microwire ThermoPulse.
"Kami telah menyelesaikan semua pengujian perbaikan penyulingan 250°F dan sekarang menganalisis data," kata presiden AvPro Tom Rose. "Sampai saat ini, pengukuran microwire berada dalam ±5°F dari pengukuran termokopel." Rose mengatakan semua situs pengujian menggunakan laminat CFRP dan patch kecuali Hill AFB, yang alasan khusus untuk pengujian laminat serat kaca dan perbaikan. "Kami sekarang mulai pengujian dengan 100 sensor tambahan untuk perbaikan 350°F dan akan menyelesaikan pekerjaan SBIR pada Oktober 2019."
Tujuan lain dari pengujian ini adalah untuk mengembangkan dasar statistik untuk metode ASTM. ASTM International (West Conshohocken, PA, AS) adalah organisasi yang mengembangkan standar industri, termasuk sebagian besar metode pengujian yang digunakan untuk material dan struktur komposit. "Metode ASTM untuk mengukur suhu dalam bondline selama perbaikan komposit juga akan berlaku untuk bondline komposit apa pun," kata Rose, "dan akan memberikan kepercayaan industri pada akurasi sensor ThermoPulse." Penyelesaian perbaikan untuk pengujian SBIR juga akan memberikan umpan balik untuk menyempurnakan prototipe hot bonder sebagai perangkat kontrol suhu loop tertutup. "Tujuan kami adalah mengontrol penyulingan perbaikan berdasarkan suhu di dalam bondline," kata Rose, "dengan tujuan akhir untuk memberikan penghematan waktu dan biaya yang signifikan."
Memodernisasi penyulingan, mendokumentasikan kualitas
"Sensor ini dikembangkan untuk memasuki sistem manajemen penyulingan kami," jelas Rose. "Sebenarnya tidak ada perubahan fundamental dalam cara kami mengelola penyulingan dalam struktur komposit." Namun, kontrol status material AvPro adalah perubahan signifikan, yang merupakan salah satu alasan mengapa adopsi telah lambat. "Komunitas komposit penerbangan sangat konservatif," kata Lou Dorworth, instruktur lama di Abaris Training. "Penggunaan sistem Material State Management AvPro memerlukan pelatihan dan, awalnya, unit tidak ramah pengguna seperti yang sedang dikembangkan dengan ThermoPulse." Rose mengakui bahwa tujuan pengembangan saat ini adalah memiliki produk komersial yang mudah digunakan. "Kami juga menyempurnakan perangkat lunak dan menskalakan manufaktur kawat dan sensor untuk produksi industri. Saat ini, kami memperkirakan biaya $25-$30 untuk setiap sensor, yang hampir sama harganya dengan termokopel."
"Prioritas pertama kami adalah menyelesaikan teknologi untuk komersialisasi dan produksi industri," kata Rose. Dia menambahkan bahwa AvPro akan selanjutnya melangkah maju dengan menetapkan metode pengujian ASTM; langkah akhir adalah melakukan pengujian tambahan apa pun yang diperlukan untuk sertifikasi struktural (program efek cacat). "Mendapatkan hasil yang setara dengan dan tanpa sensor yang diikat adalah awal yang baik," kata Rose, "tapi engineer struktural harus yakin bahwa sensor dapat ditempatkan di lokasi kritis dan meningkatkan kemampuan mereka untuk mencapai properti, tanpa menciptakan cacat." Tujuannya adalah mengejar kualifikasi awal sistem ThermoPulse di produsen pesawat olahraga ringan (LSA) komposit semu, yang cenderung memiliki struktur korporasi yang lebih datar dari OEM dan supplier Tier besar.
Meskipun perubahan dalam desain dan produksi struktur aero komposit terkenal mahal dan lambat, sekarang ada dorongan yang lebih besar dari sebelumnya untuk mengimplementasikan teknologi kontrol proses yang dapat mempercepat tempo manufaktur komposit. Rose dan Dorworth melihat potensi tidak hanya untuk manufaktur dan perbaikan pesawat, tetapi untuk aplikasi yang jauh lebih luas seperti mengelola proses yang tergantung suhu berdasarkan data in-situ real-time. "Sistem kami memberikan produsen bagian kekuatan untuk mengoptimalkan siklus penyulingan mereka sendiri dan mengkorekasikan itu dengan properti material aktual," kata Rose. "Kami sekarang memiliki kemampuan untuk mengukur suhu dan viskositas sebagai fungsi waktu di dalam bagian dan bondline. Itu memberi kami kemampuan untuk benar-benar mendirikan kontrol digital dan memiliki kepercayaan yang terdokumentasi pada kualitas bagian kami."
