Mesure de la température à l'intérieur des composites et des lignes de liaison

Avoir une visibilité totale sur une ligne de liaison composite et/ou adhésif pendant le durcissement est un problème depuis des décennies. Les capteurs de température actuels - les thermocouples - sont trop gros pour être intégrés sans provoquer un défaut dans la pièce. Ainsi, il n'est désormais possible de lire la température qu'en surface et en périphérie des pièces et des réparations collées. Il est difficile de connaître la température d'un adhésif au fond d'un patch de réparation, à l'intérieur d'un laminé épais de fuselage ou de peau d'aile ou entre ces peaux et des longerons épais. Pourtant, cette température est cruciale pour un écoulement, un mouillage et un durcissement appropriés de la résine.

Actuellement, l'industrie des composites compense cette lacune en consacrant des mois et des millions de dollars à des tests pour s'assurer que les recettes de temps et de température estimés achèvent effectivement le durcissement et produisent les propriétés nécessaires. Malgré cela, les fournisseurs dépensent encore de nombreuses heures de travail et de l'argent chaque année pour examiner et certifier les pièces où les thermocouples tombent en panne ou lorsque les thermocouples en avance/en retard sont suffisamment en dehors des limites prescrites pour jeter le doute sur les propriétés et les performances en vol.

Dans un effort pour résoudre ce problème de mesure de la température, AvPro ​​Inc. (Norman, OK, États-Unis) a développé le système ThermoPulse, qui permet une surveillance de la température sans fil, à distance et in situ pendant le durcissement. Le système comprend des capteurs à microfil, une antenne d'émission/réception et un boîtier de lecture qui collecte les signaux d'antenne et utilise un logiciel pour convertir ces informations en données de température. Les capteurs restent intégrés dans la pièce et le système peut être utilisé avec un traitement en autoclave, au four, par infusion ou par moulage par transfert de résine (RTM). AvPro ​​a déjà terminé un programme de recherche sur l'innovation dans les petites entreprises (SBIR) de phase I avec l'US Air Force et effectue actuellement un effort de phase II, mesurant directement les températures de liaison pendant les réparations composites et la fabrication de pièces composites et vérifiant la précision de ThermoPulse via un tourniquet tests sur quatre sites indépendants.

Le potentiel de cette technologie est important, offrant des données Industrie 4.0 en temps réel non seulement pour les composites thermodurcissables, mais également pour la fusion et la formation de cristallinité en fonction de la température du thermoplastique matériaux. De plus, mesure n'est en fait pas l'objectif final du système. ThermoPulse gérera finalement les cycles de durcissement en fonction du changement viscoélastique du composite. Les cycles de durcissement peuvent être raccourcis car l'achèvement peut être vu à partir de données en temps réel par rapport à une recette temps/température héritée. Les cycles de durcissement peuvent également être optimisés, permettant l'utilisation de micro-ondes et de chauffage par induction pour fournir une température hautement ciblée et quasi instantanée selon les besoins pour obtenir des taux de durcissement rapides sans « surcuire » le composite.

Capteurs macro et microfilaires

Les thermocouples sont le capteur de température le plus couramment utilisé dans le traitement des composites aujourd'hui. Formés de deux fils de métaux différents réunis à une extrémité, ils génèrent un courant avec changement de température. Les thermocouples sont peu coûteux et peuvent fournir des lectures de température précises, mais ils doivent être branchés sur un voltmètre. Même si les fils individuels peuvent avoir un très petit diamètre, l'assemblage de génération de données terminé ne peut pas être intégré dans une pièce ou une ligne de liaison sans réduire les propriétés structurelles et poser également des problèmes de sac à vide (c'est-à-dire source de chemins de fuite potentiels) qui peuvent conduire à pièces composites de mauvaise qualité.

En revanche, les capteurs à microfils du système ThermoPulse d'AvPro ​​ont un diamètre de 0,25 mm et une longueur de 32 mm, et ont réussi à mesurer la température tout en étant intégrés sous un stratifié de polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) de plus de 25 mm d'épaisseur. Dans les résultats des tests de cisaillement par recouvrement, les coupons avec et sans capteurs intégrés dans la ligne de liaison adhésive sont indiscernables. Les capteurs à microfils sont fabriqués à partir d'alliages métalliques amorphes, principalement du cobalt et du fer. Leurs propriétés magnétiques sont uniques. Premièrement, ils ne se polarisent que dans deux états possibles - le long de la longueur du fil dans une direction ou dans la direction opposée. De plus, la polarité change presque instantanément, ce que l'on appelle un saut de Barkhausen. Lorsqu'un champ électromagnétique alternatif est appliqué à un capteur, ces sauts de Barkhuasen provoquent des impulsions de tension aiguës qui peuvent être détectées à distance avec une antenne. L'intégrale de chaque impulsion dépend de la température.

Un autre élément clé de ce mécanisme de mesure est que la métallurgie des microfils peut être adaptée à une température de Curie spécifique, qui est la température au-dessus de laquelle l'impulsion de tension ne se produira plus. Notez qu'il s'agit d'une propriété physique certifiable du microfil fabriqué. La température précise peut être extraite de l'impulsion de tension du microfil car l'amplitude de l'intégrale diminue de manière non linéaire à mesure que la température du microfil approche de sa température de Curie (Fig. 2).

Ainsi, l'antenne ThermoPulse envoie un champ électromagnétique basse fréquence pour interroger le capteur intégré, puis reçoit l'impulsion de tension résultante, qui est ensuite convertie par le boîtier de lecture en une mesure de température à cet emplacement du capteur.

Les capteurs ThermoPulse s'auto-calibrent et sont en fait constitués de trois microfils encapsulés dans un tube rigide. (C'est le tube qui a un diamètre de 0,25 mm ; chacun des fils a un diamètre de 0,03 mm.) Un fil sert de fil de mesure et est allié pour avoir une température de Curie d'environ 50 °F/10 °C au-dessus de la température de durcissement du système de résine pour lequel le capteur est conçu. Un deuxième fil est appelé fil de référence et est allié pour avoir une température de Curie plusieurs centaines de degrés au-dessus de la température de maintien souhaitée, fournissant une impulsion constante contre laquelle se normaliser. Le troisième fil, appelé fil d'autocalibration est allié pour une température de Curie supérieure à la température ambiante mais nettement inférieure à la température de durcissement. Il fournira des lectures de température jusqu'à ce que sa température de Curie connue soit atteinte, moment auquel son pouls disparaîtra. À cet instant, la température du capteur est vérifiée avec précision et le système ThermoPulse dispose de la température d'étalonnage nécessaire pour procéder aux mesures et aux calculs.

Tests SBIR

Après avoir terminé un premier SBIR de phase I avec l'Air Force pour démontrer la faisabilité, AvPro ​​et ses partenaires sont maintenant à peu près à mi-chemin du projet de phase II, conçu pour valider l'exactitude et la précision du système ThermoPulse. Ceci est réalisé en testant sur quatre sites indépendants, chacun utilisant 25 capteurs ThermoPulse et un prototype de boîtier de lecture intégré dans un type de hot bonder. Les hot bonders sont de petits équipements portables de la taille d'une valise utilisés pour contrôler l'application de chaleur et de vide à une réparation composite collée. Les quatre sites de test sont les installations d'AvPro, Abaris Training (Reno, NV, US), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, US) et AFLCMC/EZPT-ACO à Hill Air Force Base (près d'Ogden, UT, US).

AvPro ​​travaille avec Abaris Training depuis des années pour valider et affiner son système de gestion de l'état des matériaux (MSM), tandis que TSI Technologies est un partenaire clé dans le développement et l'affinement des capteurs à microfil. Hill Air Force Base abrite le complexe logistique aérien d'Ogden, qui effectue la maintenance du dépôt sur plusieurs systèmes d'armes de l'Air Force, et l'Air Force Advanced Composites Office du Centre de gestion du cycle de vie de l'Air Force (AFLCMC/EZPT-ACO), une ressource centralisée pour les matériaux composites. Le programme de recherche est dirigé par l'Air Force Research Laboratory (AFRL, Wright-Patterson, OH, États-Unis) et le chef de projet Kara Storage, en vue d'applications de fabrication et de réparation d'avions.

Chaque site de test effectuera 25 réparations composites collées standardisées à l'aide d'un patch de réparation en foulard de 5 pouces de diamètre composé de six plis de préimprégné sur une couche de film adhésif avec un capteur à microfil dans la ligne de liaison. Chacune de ces 25 réparations utilisera également des thermocouples comme contrôle pour la comparaison avec les résultats du capteur à microfil ThermoPulse.

« Nous avons terminé tous les tests de réparation à 250 °F et analysons maintenant les données », a déclaré Tom Rose, président d'AvPro. "Jusqu'à présent, les mesures des microfils se situent à ± 5 °F des mesures du thermocouple." Rose dit que tous les sites de test utilisent des stratifiés et des patchs en PRFC, à l'exception de Hill AFB, qui a des raisons spécifiques de tester les stratifiés et les réparations en fibre de verre. « Nous commençons maintenant les tests avec 100 capteurs supplémentaires pour les réparations à 350 °F et terminerons le travail SBIR d'ici octobre 2019. »

Un autre objectif de ces tests est de développer la base statistique d'une méthode ASTM. ASTM International (West Conshohocken, PA, États-Unis) est une organisation qui développe des normes industrielles, y compris la plupart des méthodes d'essai utilisées pour les matériaux et structures composites. "La méthode ASTM pour mesurer la température dans une ligne de liaison pendant la réparation composite s'appliquerait également à toute ligne de liaison composite", explique Rose, "et donnera à l'industrie confiance dans la précision des capteurs ThermoPulse." L'achèvement des réparations pour les tests SBIR fournira également un retour d'information pour affiner le prototype de la colle chaude en tant que dispositif de contrôle de la température en boucle fermée. « Notre objectif est de contrôler le durcissement de la réparation en fonction des températures à l'intérieur de la ligne de liaison », explique Rose, « avec l'objectif ultime de fournir des économies de temps et d'argent significatives. »

Cure de modernisation, documentation de la qualité

"Ce capteur a été développé pour alimenter notre système de gestion de la cure", explique Rose. « Il n'y a pas eu vraiment de changement fondamental dans la façon dont nous gérons le durcissement des structures composites. » Le contrôle d'état matériel d'AvPro, cependant, est un changement important, ce qui est l'une des raisons pour lesquelles son adoption a été lente. « La communauté des composites aérospatiaux est très conservatrice », note Lou Dorworth, instructeur de longue date chez Abaris Training. « L'utilisation du système de gestion de l'état du matériel d'AvPro ​​a nécessité une formation et, au départ, les unités n'étaient pas aussi conviviales que celles développées avec ThermoPulse ». Rose reconnaît que l'objectif du développement actuel est d'avoir un produit commercial facile à utiliser. « Nous affinons également le logiciel et adaptons la fabrication de fils et de capteurs à la production industrielle. Actuellement, nous prévoyons un coût de 25 $ à 30 $ pour chaque capteur, ce qui correspond à peu près au même prix qu'un thermocouple. »

« Notre première priorité est de finaliser la technologie pour la commercialisation et la production industrielle », a déclaré Rose. Il ajoute qu'AvPro ​​va ensuite aller de l'avant avec l'établissement d'une méthode de test ASTM ; l'étape finale consistera à effectuer tous les tests supplémentaires requis pour la certification structurelle (c'est-à-dire les effets des programmes de défauts). « Obtenir des résultats équivalents avec et sans le capteur lié est un bon début », déclare Rose, « mais les ingénieurs en structures doivent être convaincus que les capteurs peuvent être placés à des emplacements critiques et améliorer leur capacité à obtenir des propriétés, sans créer de défaut. " Son objectif est de poursuivre une qualification initiale du système ThermoPulse chez un constructeur d'avions de sport légers (LSA) tout composites, qui ont tendance à avoir une structure d'entreprise plus plate que les équipementiers et les grands fournisseurs.

Bien que le changement dans la conception et la production d'aérostructures composites soit notoirement coûteux et lent, il y a plus que jamais d'impulsion pour mettre en œuvre des technologies de contrôle de processus qui peuvent accélérer le rythme de fabrication des composites. Rose et Dorworth voient le potentiel non seulement pour la fabrication et la réparation d'avions, mais aussi pour des applications beaucoup plus larges telles que la gestion de processus dépendant de la température sur la base de données in situ en temps réel. «Notre système donne au fabricant de pièces le pouvoir d'optimiser ses propres cycles de durcissement et de les corréler aux propriétés réelles du matériau», explique Rose. « Nous avons maintenant la possibilité de mesurer la température et la viscosité en fonction du temps in la partie et ligne de liaison. Cela nous donne la possibilité d'établir véritablement un contrôle numérique et d'avoir une confiance documentée dans la qualité de nos pièces. »