Capteurs diélectriques DC avancés pour surveillance en temps réel de la production composite

Alors que les fabricants cherchent à réduire simultanément les coûts et augmenter les cadences pour la production de pièces composites, la capacité de voir à l'intérieur des processus de moulage en temps réel et de surveiller l'écoulement de la résine, la viscosité, la température, la pression et le Tg/état de cuisson devient un différenciateur. Synthesites (Uccle, Belgique) a développé cette capacité. Basé sur les résultats rapportés par le Centre Aérospatial Allemand (DLR, Stade) et le Centre National des Composites (NCC, Bristol, Royaume-Uni), cette technologie a le potentiel de réduire les temps de cycle jusqu'à 50 %, avec des décisions de cuisson basées sur le Tg et le degré de cuisson par résine et pièce vs. des périodes de temps conservatrices basées sur des études de matériaux génériques. C'est, en fait, un progrès vers la production Composites 4.0, utilisant les données des capteurs pour contrôler les processus et équipements, et aussi pour améliorer la simulation et la conception.

J'ai d'abord rapporté sur Synthesites via le projet OPTO-Light (voir « Thermoplastiques surmoulés thermodurcissables, cycle 2 minutes, une cellule »). En fait, la capacité de joindre les thermoplastiques aux thermodurcissables dans OPTO-Light sans surfaces ablées au laser a été rendue possible en utilisant des capteurs en moule pour la pression, la température, la résistivité courant continu (DCR) et l'analyse diélectrique (DEA). Les capteurs DCR étaient fournis par Synthesites et ceux pour DEA par Netzsch (Selb, Allemagne). Les deux sont des capteurs diélectriques qui mesurent les propriétés électriques de la résine. Je discuterai de l'histoire et des différences de ces technologies ci-dessous.

La technologie que Synthesites a développée avec une gamme de clients commerciaux est impressionnante, incluant la production industrielle de pales éoliennes et les ailes infusées de résine pour le C-Series, maintenant Airbus 220. Elle a aussi été démontrée pour une gamme de matériaux et processus, incluant le préimprégné durci en autoclave, l'infusion de résine et le moulage par transfert de résine haute pression (HP-RTM).

Histoire de la DEA et capteurs AC vs DC

« L'idée de surveillance de cuisson est assez vieille », explique le Dr Nikos Pantelelis, directeur de Synthesites. « Dans les années 1980, la méthode de détection diélectrique était considérée comme plus mature que d'autres, comme les fibres optiques. MIT (Massachusetts Institute of Technology) a travaillé dessus et a essayé de l'implémenter en production. Cette technologie est ce que Netzsch a acheté et utilise aujourd'hui. »

Synthesites a été établi en 2008. « Nous avons développé notre technologie à partir de zéro en utilisant des capteurs électriques avec courant continu, pas courant alternatif », rapporte Pantelelis. « Pour nous, l'inconvénient avec l'utilisation de capteurs diélectriques AC conventionnels est l'exigence d'exciter la résine à une gamme de fréquences et puis de mesurer la réponse d'impédance pour divers signaux. Ce n'est pas seulement difficile de traiter toutes ces données, mais comme la résine change de liquide à solide, vous devez vous concentrer sur différentes fréquences de signal pour obtenir la bonne information. »

Pantelelis dit que les capteurs DC de Synthesites peuvent mesurer une conductivité très faible et une résistivité élevée, « ce qui est nécessaire pour mesurer la transformation des résines pendant la cuisson. » Il affirme qu'utiliser la DEA conventionnelle à une seule fréquence pour la simplifier ne donne pas de données précises. « Nous n'avons pas de multiples fréquences mais appliquons simplement une tension constante. L'inconvénient est que cette approche est très étroite, signifiant qu'elle fonctionne bien pour des applications très spécifiques comme la cuisson de résine mais pas pour tout. Cependant, en comparant la performance de notre équipement à la DEA conventionnelle, le nôtre peut mesurer toute la gamme de cuisson même à des températures plus basses. Les entreprises fournissant des instruments et services en dehors des composites n'aiment pas notre approche car elle a des paramètres limités à ajuster. »

Ce n'est pas un problème pour Synthesites car il a spécifiquement ciblé les composites. « Notre approche fonctionne bien sur une large gamme de résines et processus composites, incluant les thermodurcissables, RTM, préimprégné et même les thermoplastiques réactifs comme Elium. » (Elium est le thermoplastique à faible viscosité d'Arkema (Colombes, France) qui peut être traité en utilisant l'infusion de résine.)

Si la DEA utilisant DC était connue dans les années 1960, pourquoi les capteurs AC ont-ils été favorisés dans les années 1980 et au-delà ? « Il y a trente ans, la technologie pour la DEA utilisant des capteurs DC n'était pas si développée », souligne Pantelelis. « Mais nous avons fait avancer notre approche pour livrer des mesures très lisses et précises pour la production industrielle. Nous avons démontré et continué à développer nos systèmes avec des clients comme GE Aviation (Batesville et Ellisville, Miss., États-Unis) et Bombardier qui traitent de grandes pièces avec moulage par résine liquide. Nos systèmes sont aussi utilisés tous les jours dans la production de pales éoliennes et ont démontré la capacité pour la production industrielle de stratifiés préimprégnés durcis en autoclave. »

Contrôle de processus

Pantelelis explique comment les capteurs DC de Synthesites ne sont qu'une partie d'un système intégré pour surveiller le traitement et la cuisson des composites. « Nous mesurons directement la résistance et la température, et à partir de cela nous calculons en ligne la viscosité, le degré de gélification et le degré de cuisson. Nous utilisons des capteurs en moule durables mais aussi des capteurs de porte et des capteurs en ligne pour les entrées, sorties et lignes d'alimentation de résine, ainsi que des capteurs jetables sur pièces. Vous utilisez les capteurs seulement où vous en avez besoin. »

Les capteurs de température sont des détecteurs de température à résistance platine (RTD), qui offrent une précision bien plus élevée (dans les 0,1 °C) que les thermocouples ainsi que la stabilité pendant des années versus la dérive de mesure possible avec les thermocouples. Les RTD sont équipement standard dans de nombreuses applications industrielles. Les capteurs de porte (voir diagramme de contrôle de processus ci-dessous) sont binaires, rapportant l'écoulement de résine comme activé ou désactivé, bien qu'il y ait une deuxième version qui peut aussi rapporter la viscosité. Synthesites a développé des capteurs pour utilisation avec fibre de carbone sans risque de corrosion galvanique, capteurs qui peuvent être utilisés à travers un sac sous vide et capteurs en moule façonnés pour correspondre à la géométrie du moule.

Les prochains composants sont les unités d'acquisition de données OPTIFLOW et OPTIMOLD. OPTIFLOW fournit une surveillance in situ, en temps réel de l'arrivée de résine et de la température pour le moulage de composites liquides. Il vérifie et journalise l'écoulement de résine et peut identifier les déviations de production pendant l'infiltration de résine. OPTIMOLD utilise les mesures de température et de résistance de résine pour faire des calculs et surveiller l'état de la résine incluant le ratio de mélange, le vieillissement chimique, la viscosité, le Tg et le degré de cuisson. Il peut être utilisé avec le préimprégné et les processus de moulage liquide.

Les unités OPTIFLOW et OPTIMOLD sont contrôlées par le logiciel OPTIVIEW. « Ce logiciel fournit l'acquisition et le stockage de données et est fourni gratuitement avec notre équipement », explique Pantelelis. « Nous offrons aussi le logiciel Online Resin State (ORS), une option plus avancée que les clients peuvent acheter en plus. Il collecte les entrées, fait des calculs en ligne et envoie des sorties pour un contrôle de processus intelligent. »

Les deux systèmes OPTIFLOW et OPTIMOLD vérifient continuellement pour s'assurer que les capteurs sont connectés et que les lectures sont dans les limites. « Quand vous comptez sur ces capteurs pour le contrôle de processus, c'est impératif que les systèmes alarmant si un capteur ne fonctionne pas ou si ses lectures sont au-delà des limites prescrites », dit Pantelelis. Les deux systèmes ont aussi des sorties relais pour contrôler l'équipement de processus. Par exemple, les vannes de ligne d'alimentation peuvent être ouvertes ou fermées basées sur les données d'arrivée de résine, et l'équipement de chauffage/refroidissement peut être géré basé sur la viscosité de la résine. « Vous pouvez alimenter la sortie des capteurs de pression dans OPTIMOLD », note Pantelelis, « et ainsi contrôler la pression dans le moule basée sur les données de viscosité. »

Mesures et courbes de données typiques

Les captures d'écran ci-dessous montrent les mesures OPTIMOLD à partir d'essais de compression RTM haute pression (HP-CRTM) au NCC (Bristol, Royaume-Uni). Le premier ensemble, d'un essai simple à 115 °C, montre comment les mesures en temps réel de la résistance électrique de la résine et de la température sont converties en viscosité estimée et Tg par le logiciel ORS.

Dans les graphiques ci-dessous, la résistance électrique et la température (graphiques du haut) ont été enregistrées à 110 °C (gauche) et 120 °C (droite). En dessous des lectures de résistance (R) et température (T) sont les graphiques montrant la viscosité calculée et le Tg à 110 °C (gauche) et 120 °C (droite). Ces mesures venaient de deux capteurs OPTIMOLD situés dans la moitié supérieure du moule (Sn.1 et Sn.2, photo du bas) pendant que la pression de cavité était enregistrée en utilisant deux capteurs de pression Kistler 6162A (Sn.3 et Sn.4).

Toutes les données enregistrées par les capteurs en moule ainsi que l'équipement de presse et d'injection peuvent être collatées dans un seul fichier journal, permettant une image détaillée du processus de fabrication pour chaque composant créé.

Réduction du temps de cuisson

« Nous avons le potentiel de réduire le temps de cuisson de plus de 30 % car le fabricant peut voir le Tg en temps réel, donc il peut décider quand arrêter le cycle de cuisson », explique Pantelelis. « Ils n'ont pas à attendre pour compléter un cycle legacy plus long que nécessaire. Par exemple, le cycle legacy pour RTM6 est de 2 heures à 180 °C pour cuisson complète. Nous avons vu que dans certaines géométries cela peut descendre à 70 minutes. »

Le but alors, est d'arrêter le processus une fois la cuisson complète ? « Ce n'est pas une question de cuisson complète mais d'atteindre le niveau de cuisson dont chaque composant a besoin », dit Pantelelis. « La cuisson complète prend trop de temps. La clé est d'être capable de voir quand une cuisson suffisante est atteinte. Les fabricants de pales éoliennes ont un Tg cible. Quand ils l'atteignent, ils peuvent commencer le refroidissement. Donc le besoin est un capteur qui peut donner des mesures très précises du Tg en temps réel. »

Synthesites a complété un projet de démonstration avec Hutchinson (Paris, France) pour produire une lame de suspension automobile en fibres de verre/époxy et RTM pour le projet EU-funded ECOMISE (Enabling Next Generation COmposite Manufacturing by In-Situ Structural Evaluation and Process Adjustment, 2013-2016). Le but de ce projet était d'optimiser le cycle RTM basé sur la surveillance de processus en temps réel :

• La première rampe de chauffe serait déclenchée par la fin de l'infiltration de résine basée sur les capteurs.
• La deuxième rampe de chauffe serait déclenchée par la fin de la cuisson basée sur le calcul du Tg.
• Le refroidissement serait déclenché par la fin de la post-cuisson basée sur le calcul du Tg.

Le système Synthesites comprenait deux (2) capteurs en moule pour la cuisson (CS1, CS2), un (1) capteur en moule pour l'écoulement de résine et la température (Capteur d'écoulement 1) et huit (8) capteurs jetables pour l'écoulement de résine/température — quatre (4) intégrés dans la pièce de test et quatre (4) attachés à la surface de l'outil.

« Les unités OPTIMOLD et OPTIFLOW peuvent être connectées ensemble par ethernet pour que tous les capteurs puissent être enregistrés en une session Optiview », explique Pantelelis. « Ainsi, CS1 et CS2 étaient connectés à deux unités OPTIMOLD, le capteur d'écoulement en moule 1 et les huit capteurs d'écoulement jetables étaient connectés à trois unités OPTIFLOW. »

Ce système de capteurs, unités d'acquisition OPTIMOLD/OPTIFLOW et logiciels OPPTIVIEW/ORS a ensuite été appliqué pendant des essais de moulage RTM pour établir des cibles pour divers stades de processus, incluant l'injection/infiltration de résine et deux cibles de Tg. « C'était une pièce épaisse faite en utilisant de la fibre unidirectionnelle et de la résine époxy Huntsman », dit Pantelelis. « Dans ce cas, nous avons utilisé des capteurs à fil d'écoulement pour vérifier l'écoulement dans ces plis UD, qui sont généralement serrés et peuvent créer des défis pendant l'infiltration de résine. »

En utilisant ce système de contrôle de processus, le projet ECOMISE chez Hutchinson a pu réduire le cycle de cuisson de plus de 30 %.

Calibration

La calibration est requise pour la surveillance en ligne du Tg. Comme les mesures sont collectées des capteurs via les unités OPTIMOLD, le logiciel ORS les traduit en viscosité et Tg basés sur la calibration pour cette résine spécifique. « Cette calibration est un travail fait avant le traitement pour fournir les corrélations que le logiciel ORS utilisera pour ses calculs », explique Pantelelis. « Nous calibrons en plaçant la résine dans un rhéomètre et en mesurant la température et la viscosité. En appliquant les formules appropriées, vous calculez alors la résistance correspondante et le Tg. Nous développons la calibration des résines pour nos clients basés sur leurs standards, et étudions les différents cycles de cuisson de la résine. Ces données de calibration sont ensuite utilisées par le logiciel ORS chaque fois que cette résine est traitée. »

L'exactitude des calculs de Tg en temps réel du logiciel ORS a été montrée dans des essais par le producteur de pales éoliennes Carbon Rotec Composite Technology (Lemwerder, Allemagne). Le Tg calculé en ligne par le logiciel ORS a été comparé avec le Tg mesuré juste après le démoulage en effectuant un Calorimètre à Balayage Différentiel (DSC). Pour le traitement isotherme, la différence moyenne était de 1,61 °C et pour le traitement non-isotherme, elle était de 2,15 °C. « Cette exactitude a été répétitivement montrée dans des projets privés avec d'autres clients », dit Pantelelis.

Avancées pour la production industrielle

Ce contrôle de processus piloté par capteurs et données est en effet une grande étape vers la fabrication Composites 4.0 entièrement automatisée et intelligente. Bien qu'il ait été démontré dans ECOMISE et aussi avec le NCC à Bristol, il n'est pas encore utilisé dans la production quotidienne. « L'idée d'utiliser les capteurs pour voir le Tg et puis commencer le refroidissement a en effet été commencée dans la fabrication de pales éoliennes », rapporte Pantelelis, « mais elle n'est pas encore entièrement automatisée. Le système alarme quand le Tg cible est atteint et puis l'opérateur arrête le cycle de cuisson. L'automatisation est simple, et sera complétée une fois que le fabricant aura validé l'exactitude du système pendant la phase pilote. »

« Vers cet objectif, nous avons développé un nouveau poste de travail pour permettre à l'opérateur de production de superviser le processus automatisé, qui ne nécessite aucune entrée de sa part », continue-t-il. « Nous avons vu dans la fabrication de pales d'éoliennes qu'utiliser un seul poste de travail pendant la cuisson de la résine et de l'adhésif peut raccourcir le temps de cycle d'au moins 2-3 heures sans sacrifier la qualité. »

Bien que Bombardier Belfast, maintenant Spirit AeroSystems, utilise l'équipement Synthesites dans la production de son aile composite infusée de résine pour le C-Series, maintenant Airbus A220, le contrôle de processus n'est pas automatisé. Cependant, Synthesites a aussi travaillé avec Bombardier dans ECOMISE, et ce développement est reporté. Une réalisation clé était des capteurs qui passent à travers le mur de l'autoclave. Comme expliqué dans mon blog 2013, « C-Series composite wing » :

Bombardier injecte après que la stratification a été placée dans son autoclave de 21,3 m de long sur 5,6 m de diamètre, permettant à la température et la pression d'être maintenues au niveau requis pour la viscosité réduite et le mouillage — Cytec 890 est injectable à 80 °C... Après que l'injection de résine est complète, une pression positive est appliquée dans l'autoclave pendant la consolidation, causant la fermeture des éléments d'outillage, le compactage du stratifié mouillé et l'éjection de l'excès de résine en arrière par l'entrée de résine dans un_dump_ de résine spécifiquement conçu.

« Comme la plupart des fabricants dans l'aérospatial commercial, il est intéressé à assurer la qualité et augmenter le taux », explique Pantelelis. La disposition ci-dessous et les résultats d'ECOMISE étaient pour un démonstrateur, pas une pièce commerciale. Il utilisait deux unités OPTIMOLD avec deux capteurs de cuisson en moule et trois unités OPTIFLOW avec quatre capteurs d'écoulement en moule et quatre capteurs en ligne aux lignes de vide. « OPTIFLOW peut surveiller jusqu'à quatre arrivées de résine et quatre capteurs de température/résistance », note Pantelelis. « Les cibles de la démonstration étaient pleinement atteintes. Nous avons prouvé que les capteurs, le câblage et les systèmes peuvent fonctionner sans aucun problème sous les spécifications aérospatiales les plus exigeantes. C'était intéressant que les mesures d'arrivée de résine montrent de grandes différences par rapport aux simulations d'écoulement. Aussi, la surveillance du Tg en ligne a montré que le cycle de cuisson suivi pour ce démonstrateur spécifique aurait pu être significativement plus court. »

« Nous développons maintenant un système de surveillance pour les lignes de collage », dit Pantelelis, « principalement pour la production de pales d'éoliennes mais ultimement pour tout processus de collage. Bien que nous soyons actuellement très occupés avec l'industrie des éoliennes, qui essaie de réduire les coûts, nous voyons de plus en plus d'intérêt du secteur aérospatial alors qu'il se dirige vers le moulage de composites liquides pour la production de masse. Les fabricants cherchent à avoir plus de perspicacité sur ce qui se passe exactement pendant le moulage et comment ils peuvent stabiliser et optimiser leurs processus. »

Les projets Ecomise et Recotrans ont reçu un financement des Programmes de Recherche et d'Innovation FP7 et Horizon 2020 de l'Union Européenne sous Accord de Subvention n° NMP2-SL-2013-608667 et 768737, resp.

Références pour la section « Analyse diélectrique (DEA), AC vs. DC » incluent :

• « Real-time UV cure monitoring » par VINCENTZ, publié dans European Coatings Journal, numéro 11/2003, p. 7.
• « Online Process Monitoring Systems – Benchmark and Test Study » par Reinhold Meier¹, Swen Zaremba¹, Florian Springl¹, Klaus Drechsler¹, Fabrice Gaille² et Christian Weimer² — ¹ Institut pour Composites Carbone, TU Munich, Garching, Allemagne. ² Eurocopter Deutschland GmbH, Donauwörth. Flow Process in Composite Materials – FPCM 11, 9-12 juillet 2012, Auckland, Nouvelle-Zélande.
• Nondestructive Characterization of Materials VIII édité par Robert E. Green, Actes du 8e Symposium Intl. sur Caractérisation Non-Destructive des Matériaux, 16-20 juin 1997, Boulder, Colorado, États-Unis, publié par Springer Science & Business Media, pp. 384-385.

Une autre référence utile est « The Handbook of Dielectric Analysis and Cure Monitoring » par Huan L. Lee, publié par Lambient Technologies.