Mengukur suhu di dalam komposit dan bondlines
Memiliki visibilitas penuh ke dalam komposit dan/atau bondline perekat selama penyembuhan telah menjadi masalah selama beberapa dekade. Sensor suhu saat ini — termokopel — terlalu besar untuk dipasang tanpa menyebabkan kerusakan pada bagian tersebut. Dengan demikian, sekarang hanya mungkin untuk membaca suhu pada permukaan dan perimeter bagian dan perbaikan berikat. Sulit untuk mengetahui suhu perekat di bagian bawah patch perbaikan, di dalam pesawat tebal atau laminasi kulit sayap atau antara kulit dan stringer tebal. Namun, suhu tersebut sangat penting untuk aliran, pembasahan, dan pengawetan resin yang tepat.
Saat ini, industri komposit mengkompensasi kekurangan ini dengan menghabiskan berbulan-bulan dan jutaan dolar pengujian untuk memastikan bahwa perkiraan waktu dan resep suhu memang menyembuhkan lengkap dan menghasilkan sifat yang diperlukan. Meskipun demikian, pemasok masih menghabiskan banyak waktu dan uang setiap tahun untuk meninjau dan mengesahkan bagian-bagian di mana termokopel gagal atau di mana termokopel terdepan/tertinggal cukup di luar batas yang ditentukan untuk meragukan properti dan kinerja dalam penerbangan.
Dalam upaya untuk memecahkan masalah pengukuran suhu ini, AvPro Inc. (Norman, OK, AS) telah mengembangkan sistem ThermoPulse, yang memungkinkan pemantauan suhu in-situ nirkabel, jarak jauh, selama penyembuhan. Sistem ini terdiri dari sensor kabel mikro, antena pengirim/penerima, dan kotak pembaca yang mengumpulkan sinyal antena dan menggunakan perangkat lunak untuk mengubah informasi tersebut menjadi data suhu. Sensor tetap tertanam di bagian dan sistem dapat digunakan dengan autoclave, oven, infus atau pemrosesan resin transfer moulding (RTM). AvPro telah menyelesaikan program Penelitian Inovasi Usaha Kecil (SBIR) Tahap I dengan Angkatan Udara AS dan saat ini sedang melakukan upaya Tahap II, secara langsung mengukur suhu bondline selama perbaikan komposit dan fabrikasi komponen komposit dan memverifikasi keakuratan ThermoPulse melalui round-robin pengujian di empat situs independen.
Potensi teknologi ini signifikan, menawarkan data Industri 4.0 real-time untuk tidak hanya komposit termoset, tetapi juga pelelehan dan pembentukan kristalinitas termoplastik yang bergantung pada suhu. bahan. Selanjutnya, pengukuran sebenarnya bukan tujuan akhir sistem. ThermoPulse pada akhirnya akan mengelola siklus penyembuhan berdasarkan perubahan viskoelastik komposit. Siklus penyembuhan dapat dipersingkat karena penyelesaian dapat dilihat dari data waktu nyata vs. resep waktu/suhu lama. Siklus penyembuhan juga dapat dioptimalkan, memungkinkan penggunaan microwave dan pemanasan induksi untuk menghasilkan suhu yang sangat tepat sasaran dan hampir seketika sesuai kebutuhan untuk mencapai tingkat penyembuhan yang cepat tanpa "memasak terlalu lama" komposit.
Sensor makro vs. microwire
Termokopel adalah sensor suhu yang paling umum digunakan dalam pemrosesan komposit saat ini. Dibentuk oleh dua kabel dari logam yang berbeda yang disatukan di satu ujung, mereka menghasilkan arus dengan perubahan suhu. Termokopel tidak mahal dan dapat memberikan pembacaan suhu yang akurat, tetapi harus dicolokkan ke voltmeter. Meskipun masing-masing kabel mungkin memiliki diameter yang sangat kecil, perakitan penghasil data yang lengkap tidak dapat disematkan ke bagian atau garis ikatan tanpa mengurangi sifat struktural dan juga menimbulkan tantangan kantong vakum (yaitu, sumber jalur kebocoran potensial) yang dapat menyebabkan bagian komposit berkualitas buruk.
Sebaliknya, sensor microwire dalam sistem ThermoPulse AvPro berdiameter 0,25 mm dan panjang 32 mm, dan telah berhasil mengukur suhu saat tertanam di bawah laminasi polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) dengan ketebalan lebih dari 25 mm. Dalam hasil uji geser putaran, kupon dengan dan tanpa sensor tertanam di garis ikatan perekat tidak dapat dibedakan. Sensor microwire terbuat dari paduan logam amorf, terutama kobalt dan besi. Sifat magnetik mereka unik. Pertama, mereka terpolarisasi hanya dalam dua keadaan yang mungkin — sepanjang panjang kawat dalam satu arah, atau arah yang berlawanan. Lebih jauh, polaritas berubah hampir seketika — disebut sebagai Lompatan Barkhausen. Ketika medan elektromagnetik bolak-balik diterapkan ke sensor, Lompatan Barkhuasen ini menyebabkan pulsa tegangan tajam yang dapat dideteksi dari jarak jauh dengan antena. Integral dari setiap pulsa bergantung pada suhu.
Satu lagi komponen kunci untuk mekanisme pengukuran ini adalah bahwa metalurgi kawat mikro dapat disesuaikan dengan Suhu Curie tertentu, yaitu suhu di atas mana pulsa tegangan tidak akan lagi terjadi. Catatan, ini adalah properti fisik yang dapat disertifikasi dari kawat mikro yang diproduksi. Suhu yang tepat dapat diekstraksi dari pulsa tegangan kabel mikro karena besarnya integral menurun secara nonlinier saat suhu kabel mikro mendekati Suhu Curie (Gbr. 2).
Dengan demikian, antena ThermoPulse mengirimkan medan elektromagnetik frekuensi rendah untuk menginterogasi sensor tertanam dan kemudian menerima pulsa tegangan yang dihasilkan, yang kemudian diubah oleh kotak pembaca menjadi pengukuran suhu di lokasi sensor tersebut.
Sensor ThermoPulse mengkalibrasi otomatis dan sebenarnya terdiri dari tiga kabel mikro yang dikemas dalam tabung kaku. (Ini adalah tabung yang berdiameter 0,25 mm; masing-masing kabel berdiameter 0,03 mm.) Satu kabel berfungsi sebagai kawat pengukur dan dicampur untuk memiliki Suhu Curie sekitar 50°F/10°C di atas suhu pengawetan untuk sistem resin yang dirancang oleh sensor. Kabel kedua disebut kabel referensi dan dicampur untuk memiliki Suhu Curie beberapa ratus derajat di atas suhu diam yang diinginkan, memberikan pulsa konstan untuk dinormalisasi. Kabel ketiga, disebut kawat kalibrasi otomatis, dicampur untuk Suhu Curie di atas suhu kamar tetapi secara signifikan di bawah suhu curie. Ini akan memberikan pembacaan suhu sampai Suhu Curie yang diketahui tercapai, di mana titik nadinya akan hilang. Pada saat itu, suhu sensor diverifikasi secara akurat dan sistem ThermoPulse memiliki suhu kalibrasi yang diperlukan untuk melanjutkan pengukuran dan perhitungan.
Pengujian SBIR
Setelah menyelesaikan SBIR Fase I awal dengan Angkatan Udara untuk menunjukkan kelayakan, AvPro dan mitranya sekarang kira-kira setengah jalan melalui proyek Fase II, yang dirancang untuk memvalidasi akurasi dan presisi sistem ThermoPulse. Ini dicapai dengan pengujian di empat lokasi independen, masing-masing menggunakan 25 sensor ThermoPulse dan kotak pembaca prototipe yang dimasukkan ke dalam jenis pengikat panas. Hot bonder adalah peralatan portabel berukuran koper kecil yang digunakan untuk mengontrol penerapan panas dan vakum pada perbaikan komposit yang direkatkan secara perekat. Empat lokasi pengujian adalah fasilitas AvPro, Abaris Training (Reno, NV, US), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, US) dan AFLCMC/EZPT-ACO di Pangkalan Angkatan Udara Hill (dekat Ogden, UT, AS).
AvPro telah bekerja dengan Abaris Training selama bertahun-tahun untuk membantu memvalidasi dan menyempurnakan sistem Material State Management (MSM), sementara TSI Technologies adalah mitra utama dalam mengembangkan dan menyempurnakan sensor microwire. Pangkalan Angkatan Udara Hill adalah rumah bagi Kompleks Logistik Udara Ogden, yang melakukan pemeliharaan depot pada beberapa sistem senjata Angkatan Udara, dan Kantor Komposit Lanjutan Angkatan Udara Pusat Manajemen Siklus Hidup Angkatan Udara (AFLCMC/EZPT-ACO), sumber daya terpusat untuk menerjunkan bahan komposit. Program penelitian dipimpin oleh Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH, US) dan manajer proyek Kara Storage, dengan tujuan untuk aplikasi manufaktur dan perbaikan pesawat.
Setiap lokasi pengujian akan menyelesaikan 25 perbaikan komposit berikat standar menggunakan patch perbaikan syal berdiameter 5 inci yang terbuat dari enam lapis prepreg di atas lapisan perekat film dengan sensor kawat mikro di garis ikatan. Masing-masing dari 25 perbaikan ini juga akan menggunakan termokopel sebagai kontrol untuk perbandingan dengan hasil sensor microwire ThermoPulse.
“Kami telah menyelesaikan semua tes perbaikan 250 ° F-cure dan sekarang menganalisis datanya,” kata presiden AvPro Tom Rose. “Sejauh ini, pengukuran microwire berada dalam ±5°F dari pengukuran termokopel.” Rose mengatakan semua lokasi pengujian menggunakan laminasi dan tambalan CFRP kecuali untuk Hill AFB, yang memiliki alasan khusus untuk menguji laminasi dan perbaikan serat kaca. “Kami sekarang memulai 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, US) 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 semua bondline komposit,” kata Rose, “dan akan memberikan kepercayaan industri dalam akurasi sensor ThermoPulse.” Menyelesaikan perbaikan untuk pengujian SBIR juga akan memberikan umpan balik untuk menyempurnakan prototipe pengikat panas sebagai perangkat kontrol suhu loop tertutup. “Tujuan kami adalah untuk mengontrol penyembuhan perbaikan berdasarkan suhu di dalam bondline,” kata Rose, “dengan tujuan akhir memberikan penghematan waktu dan biaya yang signifikan.”
Memodernisasi pengobatan, mendokumentasikan kualitas
“Sensor ini dikembangkan untuk dimasukkan ke dalam sistem manajemen penyembuhan kami,” jelas Rose. “Benar-benar belum banyak perubahan mendasar dalam cara kami mengelola penyembuhan dalam struktur komposit.” Namun, kontrol status material AvPro adalah perubahan yang signifikan, yang merupakan salah satu alasan mengapa adopsinya lambat. “Komunitas komposit kedirgantaraan sangat konservatif,” kata Lou Dorworth, instruktur lama di Abaris Training. “Menggunakan sistem Manajemen Status Material AvPro memerlukan pelatihan dan, pada awalnya, unit-unit tersebut tidak ramah pengguna seperti yang dikembangkan dengan ThermoPulse.” Rose mengakui bahwa tujuan pengembangan saat ini adalah untuk memiliki produk komersial yang mudah digunakan. “Kami juga menyempurnakan perangkat lunak dan menskalakan pembuatan kawat dan sensor untuk produksi industri. Saat ini, kami memproyeksikan biaya $25-$30 untuk setiap sensor, yang kira-kira sama dengan harga termokopel.”
“Prioritas pertama kami adalah menyelesaikan teknologi untuk komersialisasi dan produksi industri,” kata Rose. Dia menambahkan bahwa AvPro selanjutnya akan bergerak maju dengan menetapkan metode pengujian ASTM; langkah terakhir adalah melakukan pengujian tambahan apa pun yang diperlukan untuk sertifikasi struktural (yaitu, efek dari program cacat). “Mendapatkan hasil yang setara dengan dan tanpa sensor yang terikat adalah awal yang baik,” kata Rose, “tetapi insinyur struktur harus yakin bahwa sensor dapat ditempatkan di lokasi kritis dan meningkatkan kemampuannya untuk mencapai properti, tanpa menimbulkan cacat. ” Tujuannya adalah untuk mengejar kualifikasi awal sistem ThermoPulse di pabrikan all-composite light sport aircraft (LSA), yang cenderung memiliki struktur perusahaan yang lebih datar daripada OEM dan pemasok Tier besar.
Meskipun perubahan dalam desain dan produksi aerostruktur komposit terkenal mahal dan lambat, sekarang ada lebih banyak dorongan untuk menerapkan teknologi kontrol proses yang dapat mempercepat laju manufaktur komposit. Rose dan Dorworth melihat potensi tidak hanya untuk pembuatan dan perbaikan pesawat, tetapi untuk aplikasi yang jauh lebih luas seperti mengelola proses yang bergantung pada suhu berdasarkan data in-situ real-time. “Sistem kami memberi produsen suku cadang kekuatan untuk mengoptimalkan siklus penyembuhannya sendiri dan menghubungkannya dengan sifat material yang sebenarnya,” kata Rose. “Kami sekarang memiliki kemampuan untuk mengukur suhu dan viskositas sebagai fungsi waktu dalam bagian dan garis ikatan. Itu memberi kami kemampuan untuk benar-benar membangun kontrol digital dan telah mendokumentasikan kepercayaan pada kualitas suku cadang kami.”
