複合材料とボンドライン内の温度の測定
硬化中に複合材および/または接着剤のボンドラインを完全に可視化することは、何十年にもわたって問題となってきました。現在の温度センサー（熱電対）は大きすぎて、部品に欠陥を生じさせずに埋め込むことはできません。したがって、現在では、部品の表面と周囲の温度、および接着された修理のみを読み取ることができます。修理パッチの下部、厚い胴体または翼のスキンラミネートの内側、またはそれらのスキンと厚いストリンガーの間の接着剤の温度を知ることは困難です。それでも、その温度は、適切な樹脂の流れ、湿潤、硬化にとって非常に重要です。
現在、複合材料業界は、推定時間と温度のレシピが実際に完全に硬化し、必要な特性を生み出すことを確認するために、数か月と数百万ドルのテストを費やすことによって、この欠点を補っています。それにもかかわらず、サプライヤーは、熱電対が故障したり、先行/遅延熱電対が規定の境界から十分に外れていて、特性や飛行中の性能に疑問を投げかける部品のレビューと認定に、毎年多くの工数と費用を費やしています。
この温度測定の問題を解決するために、AvPro Inc.（米国オクラホマ州ノーマン）は、硬化中のワイヤレス、リモート、その場での温度監視を可能にするThermoPulseシステムを開発しました。このシステムは、マイクロワイヤーセンサー、送信/受信アンテナ、アンテナ信号を収集し、ソフトウェアを使用してその情報を温度データに変換するリーダーボックスで構成されています。センサーは部品に埋め込まれたままであり、システムはオートクレーブ、オーブン、注入、または樹脂トランスファー成形（RTM）処理で使用できます。 AvProは、米国空軍とのフェーズI中小企業革新研究（SBIR）プログラムをすでに完了しており、現在、フェーズIIの取り組みを行っており、複合材の修理および複合材の部品製造中にボンドライン温度を直接測定し、ラウンドロビンを介してThermoPulseの精度を検証しています。 4つの独立したサイトでのテスト。
このテクノロジーの可能性は非常に大きく、熱硬化性複合材料だけでなく、熱可塑性樹脂の温度依存性の溶融および結晶化度の形成に関するリアルタイムのインダストリー4.0データを提供します。 材料。さらに、測定 実際には、システムの最終目標ではありません。 ThermoPulseは、最終的に、複合材料の粘弾性変化に基づいて硬化サイクルを管理します。完了はリアルタイムデータと従来の時間/温度レシピから確認できるため、硬化サイクルを短縮できます。硬化サイクルも最適化できるため、マイクロ波と誘導加熱を使用して、必要に応じてターゲットを絞ったほぼ瞬時の温度を実現し、複合材料を「過度に調理」することなく高速硬化速度を実現できます。
マクロセンサーとマイクロワイヤーセンサー
熱電対は、今日の複合材料処理で使用される最も一般的な温度センサーです。一端で結合された異なる金属の2本のワイヤーによって形成され、それらは温度の変化に伴って電流を生成します。熱電対は安価で正確な温度測定値を提供できますが、電圧計に接続する必要があります。個々のワイヤの直径が非常に小さい場合でも、完成したデータ生成アセンブリは、構造特性を低下させたり、真空バッグの問題（つまり、潜在的なリークパスの原因）を引き起こしたりすることなく、パーツまたはボンドラインに埋め込むことはできません。質の悪い複合部品。
対照的に、AvProのThermoPulseシステムのマイクロワイヤーセンサーは、直径0.25 mm、長さ32 mmで、厚さ25 mmを超える炭素繊維強化ポリマー（CFRP）ラミネートの下に埋め込まれている間、温度の測定に成功しています。重ねせん断試験の結果では、接着剤のボンドラインにセンサーが埋め込まれているクーポンと埋め込まれていないクーポンは区別できません。マイクロワイヤーセンサーは、主にコバルトと鉄のアモルファス金属合金でできています。それらの磁気特性は独特です。まず、それらは2つの可能な状態でのみ分極します—一方向または反対方向のワイヤ長に沿って。さらに、極性はほぼ瞬時に変化します—バルクハウゼンジャンプと呼ばれます。交流電磁界がセンサーに印加されると、これらのバルクアセンジャンプは鋭い電圧パルスを発生させ、アンテナを使用してリモートで検出できます。各パルスの積分は温度に依存します。
この測定メカニズムのもう1つの重要な要素は、マイクロワイヤ冶金を特定のキュリー温度に調整できることです。これを超えると、電圧パルスが発生しなくなります。これは、製造されたマイクロワイヤの認証可能な物理的特性であることに注意してください。マイクロワイヤの温度がキュリー温度に近づくと積分の大きさが非線形に減少するため、マイクロワイヤの電圧パルスから正確な温度を抽出できます（図2）。
したがって、ThermoPulseアンテナは、埋め込まれたセンサーに問い合わせるために低周波電磁界を送信し、結果として生じる電圧パルスを受信します。この電圧パルスは、リーダーボックスによってそのセンサー位置での温度測定値に変換されます。
ThermoPulseセンサーは自動校正機能を備えており、実際には、剛性のあるチューブにカプセル化された3本のマイクロワイヤーで構成されています。 （直径0.25mmのチューブです。各ワイヤーの直径は0.03mmです。）1本のワイヤーは測定ワイヤーとして機能します。 また、センサーが設計されている樹脂システムのキュリー温度よりも約50°F / 10°C高いキュリー温度になるように合金化されています。 2番目のワイヤーは参照ワイヤーと呼ばれます キュリー温度が目的の滞留温度より数百度高くなるように合金化されており、正規化するための一定のパルスを提供します。 自動キャリブレーションワイヤーと呼ばれる3番目のワイヤー は、室温より高いキュリー温度で合金化されていますが、キュリー温度よりも大幅に低くなっています。既知のキュリー温度に達するまで温度を読み取り、その時点でパルスが消えます。その瞬間、センサーの温度が正確に検証され、ThermoPulseシステムには測定と計算を進めるために必要な校正温度があります。
SBIRテスト
実現可能性を実証するために空軍との最初のフェーズISBIRを完了した後、AvProとそのパートナーは、ThermoPulseシステムの精度と精度を検証するように設計されたフェーズIIプロジェクトのほぼ中間にあります。これは、それぞれ25個のThermoPulseセンサーと、ある種のホットボンダーに組み込まれたプロトタイプのリーダーボックスを使用して、4つの独立したサイトでテストすることによって達成されています。ホットボンダーは、接着剤で接着された複合材の修理への熱と真空の適用を制御するために使用される、持ち運び可能な小型のスーツケースサイズの機器です。 4つのテストサイトは、AvProの施設、Abaris Training（米国ネバダ州リノ）、TSI Technologies Inc.（米国カンザス州ウィチタ）、ヒル空軍基地（米国ユタ州オグデン近郊）のAFLCMC / EZPT-ACOです。
AvProはAbarisTrainingと長年協力して、Material State Management（MSM）システムの検証と改良を支援してきましたが、TSITechnologiesはマイクロワイヤーセンサーの開発と改良における重要なパートナーです。ヒル空軍基地には、いくつかの空軍兵器システムのデポメンテナンスを行うオグデン航空兵站施設と、空軍ライフサイクル管理センターの空軍高度複合材オフィス（AFLCMC / EZPT-ACO）があります。複合材料。この研究プログラムは、航空機の製造と修理の用途を視野に入れて、空軍研究所（AFRL、ライトパターソン、オハイオ州、米国）とプロジェクトマネージャーのKaraStorageが主導しています。
各テストサイトは、ボンドラインにマイクロワイヤーセンサーを備えたフィルム接着剤の層の上に6層のプリプレグから作られた直径5インチのスカーフ修復パッチを使用して、25の標準化された結合複合修復を完了します。これらの25の修理のそれぞれは、ThermoPulseマイクロワイヤーセンサーの結果と比較するためのコントロールとして熱電対も使用します。
「250°Fの硬化修理テストをすべて完了し、現在データを分析しています」と、AvProの社長であるトムローズは述べています。 「これまでのところ、マイクロワイヤの測定値は熱電対の測定値の±5°F以内です。」ローズ氏によると、ガラス繊維ラミネートと修理をテストする特定の理由があるヒル空軍基地を除いて、すべてのテストサイトでCFRPラミネートとパッチが使用されています。 「現在、350°Fの修理用に100個のセンサーを追加してテストを開始しており、2019年10月までにSBIR作業を完了する予定です。」
このテストのもう1つの目標は、ASTMメソッドの統計的基礎を開発することです。 ASTM International（West Conshohocken、PA、US）は、複合材料および構造に使用されるほとんどの試験方法を含む、業界標準を開発する組織です。 「複合材の修理中にボンドラインの温度を測定するASTM法は、どの複合材のボンドラインにも適用できます。また、ThermoPulseセンサーの精度に業界の信頼を与えるでしょう」とRose氏は言います。 SBIRテストの修理を完了すると、ホットボンダーのプロトタイプを閉ループ温度制御デバイスとして改良するためのフィードバックも提供されます。 「私たちの目標は、ボンドライン内の温度に基づいて修復硬化を制御することです」とローズ氏は言います。「時間とコストを大幅に節約することを最終的な目的としています。」
治療法の近代化、品質の文書化
「このセンサーは、当社の治療管理システムに供給するために開発されました」とローズ氏は説明します。 「複合構造の硬化を管理する方法に、実際にはそれほど根本的な変化はありませんでした。」ただし、AvProのマテリアルステートコントロールは 重要な変更。これが、採用が遅れている理由の1つです。 「航空宇宙複合材料のコミュニティは非常に保守的です」と、AbarisTrainingの長年のインストラクターであるLouDorworth氏は述べています。 「AvProの材料状態管理システムを使用するにはトレーニングが必要であり、当初、ユニットはThermoPulseで開発されたものほどユーザーフレンドリーではありませんでした。」ローズは、現在の開発の目標は使いやすい商用製品を作ることであることを認めています。 「私たちはまた、ソフトウェアを改良し、工業生産のためにワイヤーとセンサーの製造を拡大しています。現在、センサーごとに25ドルから30ドルのコストを予測しています。これは、熱電対とほぼ同じ価格です。」
「私たちの最優先事項は、商業化と工業生産のために技術を完成させることです」とローズは言います。彼は、AvProが次にASTM試験方法の確立を進めると付け加えました。最後のステップは、構造認証に必要な追加のテスト（つまり、欠陥プログラムの影響）を実施することです。 「センサーが接着されている場合とされていない場合で同等の結果を得るのは良いスタートです」とRose氏は言います。 」彼の目標は、OEMや大規模なティアサプライヤーよりもフラットな企業構造を持つ傾向がある全複合軽量スポーツ航空機（LSA）メーカーでThermoPulseシステムの初期認定を追求することです。
複合材料の航空構造の設計と製造の変更は、費用がかかり、時間がかかることで有名ですが、複合材料の製造ペースを加速できるプロセス制御技術を実装するための推進力がこれまでになく高まっています。ローズとドーワースは、航空機の製造と修理だけでなく、リアルタイムの現場データに基づく温度依存プロセスの管理など、はるかに幅広いアプリケーションの可能性を認識しています。 「私たちのシステムは、部品メーカーに独自の硬化サイクルを最適化し、それらを実際の材料特性に関連付ける力を与えています」とローズは言います。 「今では、時間の関数として温度と粘度を測定できるようになりました。 パーツおよび ボンドライン。これにより、デジタル制御を真に確立し、部品の品質に対する信頼を文書化することができます。」
樹脂