Combinaison capteurs diélectriques AC et DC pour surveillance précise polymérisation composites

Historique Lambient Technologies

J'ai écrit sur surveillance polymérisation via capteurs microwire ThermoPulse AvPro (Norman, Oklahoma, États-Unis), visés systèmes gestion polymérisation, et capteurs diélectriques courant continu (DC) Synthesites (Uccle, Belgique) pour surveillance in-situ et évaluation Tg temps réel. Ce blog discute Lambient Technologies (Cambridge, Massachusetts, États-Unis) et leur histoire capteurs diélectriques courant alternatif (AC) ainsi que dernier instrument LT-440 combinant analyse diélectrique (DEA) AC et DC. « Les deux technologies ont avantages/inconvénients », dit Huan Lee, fondateur Lambient. « Combiner mesures AC et DC fournit plus grand nombre possible outils R&D, contrôle qualité, surveillance in-situ fabrication. »

Historique Lambient Technologies

Lee groupe R&D MIT développement surveillance polymérisation années 1980. Fondé spin-off Micromet Instruments 1982 commercialiser technologie. Micromet acquis plusieurs fois. 2001, NETZSCH (Selb, Allemagne) acquiert Holometrix Micromet et fusionne avec activité Analyse Thermique mondiale NETZSCH.

Mais Lee sentait Netzsch ne développait pas suffisamment technologie, donc quitté unité business Micromet et co-fondé Lambient Technologies 2008 avec Steve Pomeroy, ingénieur lead Micromet Instruments. « Après mon départ, Netzsch a développé Epsilon 288, bon instrument surveillance polymérisation », dit Lee. « Cependant, Netzsch grande entreprise et DEA minuscule marché pour eux. Notre avantage Lambient : profondeur connaissance unique due à mon rôle comme un des originateurs technologie. » Bien que résines/composites restent zone clé entreprise, ne cible pas un type industrie spécifique, dit Maria S. Lee, directrice marketing Lambient. « On travaille fabricants vernis ongles, matériaux dentaires, adhésifs ainsi que fabricants pales éoliennes composites et implants médicaux. »

Capteurs/instruments Lambient utilisés surveillance propriétés diélectriques polymérisation polymères thermodurcissables : époxy, acrylique, polyuréthane, polyester, polyimide, polyamide, polymères UV, tous types composés moulage, peintures, revêtements, composites fibres renforcées. Solutions donnent aperçu formulation, vitesse réaction, viscosité, état polymérisation. Utilisés étude matériaux polymères et optimisation procédés fabrication. Peuvent gérer fabrication polymères vaisseaux réaction par lots et fabrication composites fours, autoclaves, presses, pultrusion.

Science DEA

Analyse diélectrique (DEA) = technique analyse thermique comme calorimétrie différentielle balayage (DSC) et analyse mécanique dynamique (DMA), explique Huan Lee, « mais peut fournir analyse in situ utilisant capteurs mesurant propriétés électriques matériau testé. Dans toute résine thermodurcissable, deux choses se produisent. Ions circulent, mais freinés par étroitesse réseau moléculaire = état polymérisation. Ions circulants fournissent réponse indépendante fréquence champ/ signal électromagnétique. Deuxième activité : rotation dipôles positif/négatif réponse même champ/signal. Mais cette réponse dépend fréquence champ électromagnétique. Séparer phénomènes indépendants/dépendants fréquence = clé distinguer état polymérisation. »

Résine liquide : résistance écoulement ions faible, dit Lee (voir Thermodurcissable Non Polymérisé diagramme). « À mesure résine polymérise, résistance augmente. Fin polymérisation, résistance écoulement ions très grande. » DEA mesure résistance (rapportée résistivité) et capacité (rapportée permittivité). Résistivité contient composantes flux ions indépendante fréquence et rotation dipôles dépendante fréquence. Résistivité indépendante fréquence = viscosité ionique (voir graphique) et corrèle avec viscosité résine avant gélification et module après gélification.

Bien qu'aucun événement diélectrique identifie point gélification, polymérisation aisément identifiée où changement viscosité ionique temps (pente) approche zéro. « Gélification = événement mécanique », explique Lee, « donc propriétés diélectriques résine n'aident pas. Mais se produit près taux réaction max = pic pente. Fin polymérisation, utilisateur décide quoi = pleinement polymérisé (selon matériau/application) et identifie pente où cela se produit. Bien plus fiable que temps/T° fixes. »

Éléments système DEA

Systèmes DEA Lambient : quelques éléments essentiels. Mesures capteurs diélectriques, incluant capteur température (thermocouple). « Propriétés diélectriques changent polymérisation et température », note Lee. Capteurs câblés équipement surveillance connecté portable exécutant logiciel CureView acquisition/analyse données Lambient.

Capteurs diélectriques Lambient : permanents ou jetables. Permanents : intégrés moules/presses, réutilisables. Typiquement : une/plusieurs électrodes métalliques substrat céramique, thermocouple, gaine (souvent acier inox). Diamètres 0,25-1 pouce, utilisables jusqu'à 250 °C. Jetables : surface pièce, réseau électrodes collé substrat Kapton fin (100 µm), flexible. Utilisables 350 °C. Lambient fournit capteurs Varicon jetables 38 cm longueur et Mini-Varicon 3,8 cm.

Lambient a aussi variété équipements surveillance. « Démarré LT-451 Dielectric Cure Monitor lab-grade, très sensible, grande flexibilité », dit Steve Pomeroy, co-fondateur Lambient, lead dev logiciel. « Clients avaient besoin système ciblé QA/QC et fabrication, donc développé LTF-631 High Speed Dielectric Cure Monitor. Chaque LT-451 ou LTF-631 : jusqu'à 4 canaux, chaque canal 1 entrée diélectrique et 1 thermocouple. Développé aussi LT-439 Dielectric Channel spécifiquement QA/QC/fabrication. Moins cher, permet multiples instruments une liaison série gros objets (aile, pale éolienne). Similaire LT-451 mais 1 seul canal/unité. » Estime 30 % instruments Lambient R&D, 50 % QA/QC, 20 % fabrication.

Surveillance polymérisation AC et DC

« On utilise principalement mesures AC », note Lee, « signal tension oscillant. Fréquence optimale mesurer état polymérisation dépend où dans processus. Fréquences hautes bien début, mais basses mieux fin polymérisation, quand matériau module bien plus haut. »

Distorsion mesures viscosité ionique polymérisation époxy 5 min (Fig. 4-4, 4-5 Aperçu Technique 3.04). Distorsion due polarisation électrodes diminue fréquence croissante.

« Mais on peut aussi utiliser DC », continue Lee, « tension fixe (fréquence = 0) courant sens unique — plus simple. AC/DC accordent bien fin polymérisation, mais DC peut causer problèmes début. AC fin polymérisation plupart thermodurcissables/composites OK, mais peut prendre trop temps certains matériaux haute résistance. » Car mesures AC fin polymérisation, matériaux plus haute résistance, meilleures basses fréquences. « Fréquence 1 hertz → mesure 3 cycles = 3 sec. Fréquences 0,1 ou 0,01 hertz → 30 ou 300 sec. DC très utile : mesure quasi instantanée. AC et DC ont avantages/inconvénients. »

« Problème DC début polymérisation semble lié résistance électrochimique », dit Lee. Selon publication Lambient « Technical Overview 3.04 – AC and DC Cure Monitoring », réaction électrochimique dans résine pendant mesure DC ajoute résistance. Diminue à mesure matériau polymérise, réduisant écart AC/DC.

Capteurs diélectriques AC mesurent à travers sacs vide et films démoulage, comme film bleu sur capteur intégré plateau presse (bas).

Mesures AC : phénomène polarisation électrodes peut créer couche blocage électrodes capteur début polymérisation. Cause viscosités ioniques apparentes anormalement hautes (Fig. 4-4, 4-5) mais diminue fréquence croissante, pas problème mesures 1-10 kHz. Possible restaurer mathématiquement infos précises polymérisation correction couche limite = correction polarisation électrodes.

Autre point clé : signaux AC traversent isolants (sacs vide, films démoulage), mais isolants bloquent signaux DC. Problème mesures DC nécessitant trou découpé pour capteur DC contact polymère. « AC utile : capteur placé presque n'importe où, repositionnable, réseau capteurs détecter front résine et polymérisation sans affecter films/matériaux auxiliaires », dit Lee.

Utilisation DEA et cas clients

Lambient affirme instruments faciles utiliser. « Positionnez capteurs surveiller matériau, branchez câbles capteurs instrument, lancez traitement, exécutez logiciel », dit Pomeroy. « Logiciel configure test défaut époxy 5 min confirmer équipement fonctionne. On fournit époxy, capteurs test, guide démarrage rapide étape par étape. Une journée formation fournie. »

Lee note Lambient travaille clients s'assurer équipement/connaissances nécessaires. Exemple : comment fixer capteurs presse ? Fréquence optimale ? « Beaucoup matériaux : une fréquence caractérise polymérisation début à fin. Autres : deux fréquences mieux. Ex: haute fréquence début, basse fin quand matériau résistance max écoulement ions. Essai-erreur. Avantage LT-451 : tester multiples fréquences à la fois déterminer optimale matériau. »

« Notes application étendues plupart matériaux », ajoute Pomeroy. « Publié manuel 300 pages DEA/surveillance polymérisation, en ligne site, nombreuses autres ressources pratiques. C'est ce qui nous rend uniques. Très transparents science pour utilisateurs comprennent ce qui se passe. »

Cas QA/QC : Continental Structural Plastics (CSP, Auburn Hills, Michigan), fabricant SMC (Sheet Molding Compound) et pièces SMC moulées. « Testent chaque lot SMC », dit Lee. Étapes : Préchauffer presse T° test ; Ouvrir presse ; Mettre SMC poids spécifié ; Fermer presse et démarrer acquisition ; Courbes viscosité ionique produites, Points Critiques 1-4 extraits, données loguées. « Fait chaque lot pour s'assurer matériaux conforment specs et polymériseront comme prévu. »

Capteurs Lambient (gauche) visibles face/arrière moule composé moulage époxy (EMC) (centre) et utilisés surveiller polymérisation puces circuits moulées (droite).

Cas fabrication : fabricant puces circuits japonais utilisant composé moulage époxy. « Capteurs dans moule leur presse EMC », dit Lee. « Surveillent entrée/sortie matériau moule = temps remplissage, et polymérisation entre deux points pour assurer polymérisation constante. Analysent propriétés matériaux sous/sur-polymérisation, affectant fabricabilité boîtier circuit intégré. Fenêtre viscosité étroite pendant remplissage, veulent surveiller ça. »

« Similairement, possible surveiller préimprégné », dit Lee. « Façon préimprégné polymérise début vie pas même fin limite outlife. DEA peut surveiller changements vieillissement comportement polymérisation matériau début à fin chaque rouleau préimprégné. » Note : fibre carbone conductrice. « Si fibres pontent électrodes, court-circuiteront capteurs DEA », avertit-il. Cas échéant, filtre utilisé. « Filtre laisse résine passer capteurs mais isole fibres carbone. »

LT-440 et future gestion polymérisation

Lambient revendique LT-440 = premier instrument DEA permettant capteurs AC et DC. « But système : faciliter surveillance polymérisation résine mais aussi développer nouveau logiciel utiliser données gérer température donc contrôler processus polymérisation », dit Lee. « Ex: données capteurs, moule/presse pourrait s'ouvrir à CP4 (fin polymérisation). On peut fournir API [interface programmation applications] équipement clients. »

Basculement AC/DC ? « Juste spécifier fréquence voulue », dit Lee. « DC : fréquence zéro. Il faut développer expérience, mais on a déjà discuté où AC/DC avantages début vs fin polymérisation et on ajoutera à base connaissances, dispo en ligne. »

« Tant gens utilisent T°/temps surveiller polymérisation, mais dépassé », dit Pomeroy. « DEA bien meilleure façon surveiller polymérisation et arrêter deviner. DEA fournit façon documenter que résine/composite ont complété polymérisation et comment cette polymérisation compare autre pièce. » Lee d'accord : « Tout le monde voit valeur. Mais dur changer status quo. » Connaissances DEA = avantage nécessaire futur fabrication composites.

Lambient cite Spirit AeroSystems (Wichita, Kansas) et installation Prestwick Écosse développement 2017-2018 outil chauffage multi-zones intelligent polymérisant pièces composites 40% plus vite et moitié coût vs autoclave traditionnel :

« Au lieu polymériser composants T° standard heures, on peut maintenant adapter cycle temps géométries pièces individuelles », expliquait Stevie Brown, ingénieur lead Centre Technologie Avancée Spirit Prestwick. « Autoclave = goulot étranglement lignes fabrication, l'enlever réduit temps cycles composants, coupe coûts production, diminue consommation énergie. »

Lambient montre convergence technologies (haut) implémentable gestion polymérisation outil chauffage multi-zones contrôle complet processus polymérisation via retour temps réel surveillance. Fabricant pales éoliennes brésilien Tecsis approché Lambient développer instrument DEA surveiller polymérisation résine époxy 300 points le long chaque pale (bas). Cela a mené développement LT-439.