複合構造体および接着ボンドライン内部の精密温度モニタリング

複合材および/または接着ボンドラインの硬化中における完全な可視化は、数十年にわたり課題となってきました。現在の温度センサーである熱電対は、パーツに埋め込むと欠陥を生じさせるほど大型です。したがって、現在ではパーツ表面と周辺部の温度しか測定できません。接着剤がリペアパッチの底部、厚い機体・翼皮ラミネート内部、あるいはそれらの皮と厚いストリンガーの間でどの温度になっているかを知ることは困難です。しかし、その温度は適切な樹脂流動、ウェッティング、硬化のために極めて重要です。

現在、複合材業界はこの欠点を補うため、推定時間と温度のレシピが確かに硬化を完了し、必要な特性を生み出すことを確認するために、数ヶ月と数百万ドルを費やして試験を行っています。それでも、熱電対が故障したり、先行/遅行する熱電対が規定範囲を十分に外れたりして特性と飛行性能に疑義が生じた場合、サプライヤーは毎年多くの工数と費用をかけてパーツの見直しと認証を行っています。

この温度測定問題を解決するため、AvPro Inc.（米国オクラホマ州ノーマン）は、ワイヤレス・リモート・インシチュ温度モニタリングを硬化中に可能にするThermoPulseシステムを開発しました。本システムは、マイクロワイヤセンサー、送受信アンテナ、アンテナ信号を収集しソフトウェアで温度データへ変換するリーダーボックスで構成されます。センサーはパーツに埋め込まれたままとなり、オートクレーブ、オーブン、インフュージョン、樹脂移動成形（RTM）プロセスで使用可能です。AvProは米空軍とのフェーズI SBIR（中小企業革新研究）プログラムを完了し、現在はフェーズIIを実施中で、複合材リペアおよび複合材パーツ製造中のボンドライン温度を直接測定し、4つの独立したサイトでのラウンドロビンテストでThermoPulseの精度を検証しています。

この技術の潜在力は大きく、熱硬化性複合材だけでなく、温度依存的な熱可塑性材料の溶融と結晶化形成についても、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。さらに、「測定」自体がシステムの最終目的ではありません。ThermoPulseは最終的に、複合材の粘弾性変化に基づいて硬化サイクルを管理します。完了がレガシーな時間/温度レシピではなくリアルタイムデータから判断できるため、硬化サイクルを短縮できます。また、マイクロ波や誘導加熱を用いて、必要に応じて高度にターゲットを絞ったほぼ瞬時の温度供給により、「過熱」することなく高速硬化レートを実現するよう硬化サイクルを最適化することも可能です。

マクロセンサー vs. マイクロワイヤセンサー

熱電対は現在複合材加工で最も一般的な温度センサーです。異なる金属の2本のワイヤを一端で接合して形成され、温度変化で電流を生成します。熱電対は安価で正確な温度読み取りが可能ですが、ボルテージメータに接続する必要があります。個々のワイヤは非常に細い直径でも、完成したデータ生成アセンブリをパーツやボンドラインに埋め込むと構造特性を低下させ、真空バッグの課題（潜在的なリークパスの発生源）をもたらし、品質不良な複合材パーツにつながる恐れがあります。

対照的に、AvProのThermoPulseシステムのマイクロワイヤセンサーは直径0.25mm、長さ32mmで、厚さ25mm以上の炭素繊維強化ポリマー（CFRP）ラミネートの下に埋め込まれた状態で温度測定に成功しています。ラップシア試験結果では、接着ボンドラインに埋め込まれたセンサーの有無でクーポンに差は見られません。マイクロワイヤセンサーは、主にコバルトと鉄からなるアモルファス金属合金で作られています。その磁気特性はユニークです。第一に、ワイヤ長手方向の一方向、または逆方向の2つの状態のみに分極します。さらに、極性がほぼ瞬時に変化します。これはバークハウゼン跳躍と呼ばれます。センサーに交流電磁場を印加すると、これらのバークハウゼン跳躍が鋭い電圧パルスを生じ、アンテナでリモート検出可能です。各パルスの積分値は温度依存的です。

この測定メカニズムのもう一つの鍵は、マイクロワイヤの冶金組成を特定のキュリー温度に調整できることです。キュリー温度とは、これ以上電圧パルスが生じなくなる温度です。これは製造されたマイクロワイヤの証明可能な物理的特性です。マイクロワイヤの温度がキュリー温度に近づくにつれ、電圧パルスの積分値の大きさが非線形に減少するため（図2参照）、マイクロワイヤの電圧パルスから精密な温度を抽出できます。

したがって、ThermoPulseアンテナは低周波電磁場を発信して埋め込みセンサーを照会し、結果として生じる電圧パルスを受信、リーダーボックスでそのセンサー位置での温度測定値へ変換します。

ThermoPulseセンサーは自己校正機能を持ち、実際には剛性チューブにカプセル化された3本のマイクロワイヤで構成されます（チューブ径0.25mm、各ワイヤ径0.03mm）。1本は「測定用ワイヤ」で、対象樹脂システムの硬化温度より約50°F/10℃高いキュリー温度を持つ合金で作られます。2本目は「基準用ワイヤ」で、所望の保持温度より数百度高いキュリー温度を持つ合金で作られ、正規化用の一定パルスを提供します。3本目は「自己校正用ワイヤ」で、室温より高く硬化温度よりかなり低いキュリー温度を持つ合金で作られます。このワイヤは既知のキュリー温度に達するまで温度読み取りを提供し、その時点でパルスが消失します。その瞬間、センサー温度が正確に検証され、ThermoPulseシステムは測定と計算に必要な校正温度を得ます。

SBIRテスト

空軍との初期フェーズI SBIRを完了し実現可能性を実証した後、AvProとそのパートナーは現在、ThermoPulseシステムの精度と精密さを検証するためのフェーズIIプロジェクトの約半分まで進んでいます。これは4つの独立したサイトでのテストによって達成されます。各サイトで25個のThermoPulseセンサーと、ホットボンダーの一種に組み込まれたプロトタイプリーダーボックスを使用します。ホットボンダーは、接着剤接合複合材リペアへの加熱と真空の適用を制御する、小型スーツケースサイズの携帯用装置です。4つのテストサイトは、AvPro施設、アバリストレーニング（米国ネバダ州リノ）、TSIテクノロジーズ社（米国カンザス州ウィチタ）、ヒル空軍基地のAFLCMC/EZPT-ACO（米国ユタ州オグデン近郊）です。

AvProは長年にわたりアバリストレーニングと協力し、マテリアルステートマネジメント（MSM）システムの検証と改良を支援してきました。TSIテクノロジーズはマイクロワイヤセンサーの開発と改良における重要なパートナーです。ヒル空軍基地にはオグデン航空後方支援複合施設があり、複数の空軍兵器システムのデポ整備を行っており、空軍ライフサイクル管理センターの空軍先進複合材オフィス（AFLCMC/EZPT-ACO）があります。研究プログラムは空軍研究所（AFRL、米国オハイオ州ライトパターソン）が主導し、プロジェクトマネージャーのカーラ・ストレージ氏が、航空機製造とリペアへの応用を視野に入れています。

各テストサイトでは、6プライのプリプレグをフィルム接着剤の層の上に積層し、ボンドラインにマイクロワイヤセンサーを配置した直径5インチのスカーフリペアパッチを用いた標準化された接着複合材リペアを25件実施します。これら25件のリペアそれぞれで、ThermoPulseマイクロワイヤ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されます。

「250°F硬化リペアテストの全25件を完了し、現在データを分析中です」とAvPro社長のトム・ローズ氏は述べています。「現時点では、マイクロワイヤ測定値は熱電対測定値の±5°F以内に収まっています。」ローズ氏によれば、全テストサイトでCFRPラミネートとパッチを使用していますが、ヒル空軍基地のみ、ガラス繊維ラミネートとリペアでテストを行う特定の理由があります。「現在、350°Fリペア用に追加の100センサーで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。」

このテストのもう一つの目的は、ASTM標準化のための統計的基盤を構築することです。ASTMインターナショナル（米国ペンシルベニア州ウェストコンサホッケン）は、複合材料と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。「複合材リペア中のボンドライン温度測定のためのASTM標準は、あらゆる複合材ボンドラインにも適用可能です」とローズ氏は述べ、「業界にThermoPulseセンサーの精度への信頼を与えることになります。」SBIRテスト用のリペア完了は、ホットボンダープロトタイプをクローズドループ温度制御装置として改良するためのフィードバックも提供します。「我々の目標は、ボンドライン内の温度に基づいてリペア硬化を制御することです」とローズ氏は言います。「最終目的は、大幅な時間とコストの削減を提供することです。」

硬化の近代化、品質の文書化

「このセンサーは、我々の硬化管理システムへフィードバックするために開発されました」とローズ氏は説明します。「複合構造体の硬化管理の根本的な方法には、これまでほとんど変化がありませんでした。」しかし、AvProのマテリアルステート制御は「大きな変化」であり、それが導入の遅れの一因となっています。「航空宇宙複合材コミュニティは非常に保守的です」と、アバリストレーニングの長年インストラクターを務めるルー・ドーワース氏は指摘します。「AvProのマテリアルステートマネジメントシステムの使用にはトレーニングが必要で、当初はThermoPulseで開発されているものほどユーザーフレンドリーではありませんでした。」ローズ氏は、現在の開発目標は使いやすい商用製品を実現することだと認めています。「ソフトウェアの改良と、ワイヤおよびセンサー製造の産業生産へのスケーリングも進めています。現在、センサー1個あたり25〜30ドルのコストを予測しており、これは熱電対とほぼ同価格です。」

「第一優先は、商品化と産業生産に向けて技術を完成させることです」とローズ氏は言います。次にASTM試験方法の確立に進み、最終ステップとして構造認証に必要な追加試験（欠陥影響プログラムなど）を実施します。「センサーを接着した場合としない場合で同等の結果が得られるのは良いスタートですが、構造エンジニアは、センサーを重要箇所に配置しても欠陥を生じさせず、特性達成能力を向上させられることを納得する必要があります」とローズ氏は述べます。目標は、全複合材軽量スポーツ機（LSA）メーカーでのThermoPulseシステムの初期認定を目指すことです。これらはOEMや大手Tierサプライヤーよりフラットな組織構造を持つ傾向があります。

複合材航空機構造の設計と生産における変化は、悪名高いほど費用と時間がかかりますが、複合材製造のペースを加速するプロセス制御技術を導入する動機は、これまで以上に高まっています。ローズ氏とドーワース氏は、航空機製造とリペアだけでなく、リアルタイム・インシチュデータに基づく温度依存プロセスの管理など、はるかに広範な応用の可能性を見ています。「我々のシステムは、パーツメーカーに自社の硬化サイクルを最適化し、それらを実際の材料特性と相関付ける力を与えます」とローズ氏は言います。「今や、温度と粘度を時間の関数としてパーツ『内部』およびボンドライン『内部』で測定する能力があります。これにより、真のデジタル制御を確立し、パーツ品質に対する文書化された信頼を持つことが可能になります。」