Surveillance précise de la température à l'intérieur des structures composites et lignes de collage adhésif

Avoir une visibilité complète dans un composite et/ou une ligne de collage adhésif pendant le durcissement est un problème depuis des décennies. Les capteurs de température actuels – thermocouples – sont trop gros pour être intégrés sans créer un défaut dans la pièce. Ainsi, il n'est actuellement possible de lire la température qu'à la surface et au périmètre des pièces et réparations collées. Il est difficile de connaître la température d'un adhésif au fond d'un patch de réparation, à l'intérieur d'un stratifié épais de peau de fuselage ou d'aile, ou entre ces peaux et des longerons épais. Pourtant, cette température est cruciale pour un bon écoulement, mouillage et durcissement de la résine.

Actuellement, l'industrie des composites compense ce manque en passant des mois et des millions de dollars en tests pour s'assurer que les recettes estimées de temps et température achèvent bien le durcissement et produisent les propriétés nécessaires. Malgré cela, les fournisseurs passent encore de nombreuses heures-hommes et dollars chaque année à examiner et certifier des pièces où les thermocouples échouent ou où des thermocouples en avance/retard sont suffisamment en dehors des limites prescrites pour jeter le doute sur les propriétés et la performance en vol.

Pour résoudre ce problème de mesure de température, AvPro Inc. (Norman, OK, USA) a développé le système ThermoPulse, qui permet une surveillance de température sans fil, à distance, in-situ pendant le durcissement. Le système comprend des capteurs à microwire, une antenne d'émission/réception et une boîte de lecture qui collecte les signaux de l'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 les procédés autoclave, four, infusion ou moulage par transfert de résine (RTM). AvPro a déjà terminé un programme Phase I de recherche innovation pour petites entreprises (SBIR) avec l'US Air Force et mène actuellement un effort Phase II, mesurant directement les températures de lignes de collage pendant les réparations composites et la fabrication de pièces composites et vérifiant la précision de ThermoPulse via des tests en round-robin sur quatre sites indépendants.

Le potentiel de cette technologie est significatif, offrant des données temps réel Industrie 4.0 non seulement pour les composites thermodurcissables, mais aussi pour la fusion dépendante de la température et la formation de cristallinité des matériaux thermoplastiques. De plus, la mesure n'est pas réellement l'objectif final du système. ThermoPulse gèrera finalement les cycles de durcissement basés sur le changement viscoélastique du composite. Les cycles de durcissement peuvent être raccourcis car l'achèvement peut être vu via des données temps réel vs une recette temps/température héritée. Les cycles peuvent aussi être optimisés, permettant l'utilisation de chauffage micro-ondes et par induction pour délivrer une température hautement ciblée et quasi instantanée selon les besoins pour obtenir des taux de durcissement rapides sans « surcuire » le composite.

Capteurs macro vs microwire

Les thermocouples sont le capteur de température le plus utilisé dans le traitement des composites aujourd'hui. Formés de deux fils de métaux différents joints à une extrémité, ils génèrent un courant avec le changement de température. Les thermocouples sont peu coûteux et peuvent fournir des lectures précises, mais ils doivent être branchés sur un voltmètre. Même si les fils individuels peuvent avoir un très petit diamètre, l'assemblage complet générant des données ne peut être intégré dans une pièce ou ligne de collage sans réduire les propriétés structurelles et en posant des défis de sac sous vide (source potentielle de fuites) qui peuvent mener à des pièces composites de mauvaise qualité.

En contraste, les capteurs microwire du système ThermoPulse d'AvPro ont 0,25 mm de diamètre et 32 mm de long, et ont mesuré la température avec succès intégrés sous un stratifié polymère renforcé fibre de carbone (PRFC) de plus de 25 mm d'épaisseur. Dans les résultats de tests de cisaillement par chevauchement, les éprouvettes avec et sans capteurs intégrés dans la ligne de collage sont indistinguables. Les capteurs microwire sont faits d'alliages métalliques amorphes, principalement cobalt et fer. Leurs propriétés magnétiques sont uniques. Premièrement, ils s'aimantent seulement dans deux états possibles – le long du fil dans un sens, ou le sens opposé. De plus, la polarité change quasi instantanément – appelé saut de Barkhausen. Quand un champ électromagnétique alternatif est appliqué à un capteur, ces sauts de Barkhausen causent des pics de tension nets détectables à distance avec une antenne. L'intégrale de chaque pic est dépendante de la température.

Un autre composant clé de ce mécanisme de mesure est que la métallurgie du microwire peut être adaptée à une température de Curie spécifique, qui est la température au-dessus de laquelle le pic de tension ne se produit plus. Notez que c'est une propriété physique certifiable du microwire fabriqué. Une température précise peut être extraite du pic de tension du microwire car l'amplitude de l'intégrale diminue non-linéairement à mesure que la température du microwire approche sa température de Curie (Fig. 2).

Ainsi, l'antenne ThermoPulse envoie un champ électromagnétique basse fréquence pour interroger le capteur intégré et reçoit le pic de tension résultant, qui est ensuite converti par la boîte de lecture en une mesure de température à cet emplacement du capteur.

Les capteurs ThermoPulse sont auto-calibrants et sont en fait composés de trois microwires encapsulés dans un tube rigide. (C'est le tube qui fait 0,25 mm de diamètre ; chaque fil fait 0,03 mm.) Un fil fonctionne comme 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 pour le système résine pour lequel le capteur est conçu. Un second fil est le fil de référence allié pour une température de Curie plusieurs centaines de degrés au-dessus de la température de séjour désirée, fournissant un pic constant pour normaliser. Le troisième fil, appelé fil d'auto-calibration, est allié pour une température de Curie au-dessus de la température ambiante mais significativement en dessous de la température de durcissement. Il fournira des lectures jusqu'à ce que sa température de Curie connue soit atteinte, moment où son pic disparaît. À cet instant, la température du capteur est vérifiée avec précision et le système ThermoPulse a la température de calibration nécessaire pour procéder aux mesures et calculs.

Tests SBIR

Après avoir terminé une Phase I SBIR initiale avec l'Air Force pour démontrer la faisabilité, AvPro et ses partenaires sont maintenant environ à mi-chemin du projet Phase II, conçu pour valider la précision et la justesse du système ThermoPulse. Cela est réalisé par des tests sur quatre sites indépendants, chacun utilisant 25 capteurs ThermoPulse et une boîte de lecture prototype intégrée dans un type de hot bonder. Les hot bonders sont des équipements portables, taille valise, utilisés pour contrôler l'application de chaleur et vide sur une réparation composite collée. Les quatre sites de test sont les installations d'AvPro, Abaris Training (Reno, NV, USA), TSI Technologies Inc. (Wichita, KS, USA) et AFLCMC/EZPT-ACO à la base aérienne Hill (près d'Ogden, UT, USA).

AvPro travaille avec Abaris Training depuis des ans pour valider et affiner son système de gestion d'état matériau (MSM), tandis que TSI Technologies est un partenaire clé dans le développement et l'affinage des capteurs microwire. La base aérienne Hill abrite le complexe logistique aérien d'Ogden, qui effectue la maintenance de dépôt sur plusieurs systèmes d'armes de l'Air Force, et le bureau des composites avancés de l'Air Force Life Cycle Management Center (AFLCMC/EZPT-ACO), une ressource centralisée pour les matériaux composites déployés. Le programme de recherche est dirigé par le laboratoire de recherche de l'Air Force (AFRL, Wright-Patterson, OH, USA) et la chef de projet Kara Storage, avec une vue vers les applications de fabrication et réparation aéronautiques.

Chaque site de test réalisera 25 réparations composites collées standardisées utilisant un patch de réparation en biseau de 5 pouces de diamètre fait de 6 plis de préimprégné sur une couche d'adhésif film avec un capteur microwire dans la ligne de collage. Chacune de ces 25 réparations utilisera aussi des thermocouples comme contrôle pour comparaison avec les résultats des capteurs microwire ThermoPulse.

« Nous avons terminé tous les tests de réparation à durcissement 250 °F et analysons maintenant les données », dit Tom Rose, président d'AvPro. « Jusqu'à présent, les mesures microwire sont dans ±5 °F des mesures thermocouple. » Rose dit que tous les sites utilisent des stratifiés et patches PRFC sauf Hill AFB, qui a des raisons spécifiques pour tester stratifiés et réparations fibre de verre. « Nous commençons maintenant les tests avec 100 capteurs supplémentaires pour 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 pour une méthode ASTM. ASTM International (West Conshohocken, PA, USA) est une organisation qui développe des normes industrielles, incluant la plupart des méthodes de test pour matériaux et structures composites. « La méthode ASTM pour mesurer la température dans une ligne de collage pendant réparation composite s'appliquerait aussi à toute ligne de collage composite », dit Rose, « et donnera à l'industrie confiance dans la précision des capteurs ThermoPulse. » Terminer les réparations pour les tests SBIR fournira aussi un retour pour affiner le prototype de hot bonder comme dispositif de contrôle de température en boucle fermée. « Notre objectif est de contrôler le durcissement de la réparation basé sur les températures dans la ligne de collage », dit Rose, « avec l'objectif final de fournir des économies significatives de temps et coûts. »

Modernisation du durcissement, documentation de la qualité

« Ce capteur a été développé pour alimenter notre système de gestion de durcissement », explique Rose. « Il n'y a pas eu de changement fondamental dans la façon dont nous gérons le durcissement des structures composites. » La gestion d'état matériau d'AvPro, cependant, est un changement significatif, ce qui est une raison pour laquelle son adoption a été lente. « La communauté aérospatiale des composites est très conservatrice », note Lou Dorworth, instructeur de longue date à Abaris Training. « L'utilisation du système de gestion d'état matériau d'AvPro a requis de la formation et, initialement, 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 aussi le logiciel et mettons à l'échelle la fabrication des fils et capteurs pour la production industrielle. Actuellement, nous projetons un coût de 25-30 $ par capteur, soit approximativement le même prix qu'un thermocouple. »

« Notre première priorité est de finaliser la technologie pour la commercialisation et la production industrielle », dit Rose. Il ajoute qu'AvPro passera ensuite à l'établissement d'une méthode de test ASTM ; l'étape finale sera de conduire les tests additionnels requis pour la certification structurelle (programmes d'effets de défauts). « Obtenir des résultats équivalents avec et sans le capteur collé est un bon début », dit Rose, « mais les ingénieurs structures doivent être convaincus que les capteurs peuvent être placés aux emplacements critiques et améliorer leur capacité à atteindre les propriétés, sans créer de défaut. » Son objectif est de poursuivre une qualification initiale du système ThermoPulse chez un fabricant d'avion léger sport (LSA) tout-composite, qui ont tendance à avoir une structure d'entreprise plus plate que les OEM et grands fournisseurs de rang 1.

Bien que le changement dans la conception et production d'aérostructures composites soit notoirement coûteux et lent, il y a plus d'impulsion que jamais pour implémenter des technologies de contrôle de processus qui peuvent accélérer la fabrication des composites. Rose et Dorworth voient le potentiel non seulement pour la fabrication et réparation aéronautiques, mais pour des applications bien plus larges comme la gestion de processus dépendants de la température basés sur des données temps réel in-situ. « Notre système donne au fabricant de pièces le pouvoir d'optimiser ses propres cycles de durcissement et de les corréler aux propriétés réelles des matériaux », dit Rose. « Nous avons maintenant la capacité de mesurer la température et la viscosité en fonction du temps dans la pièce et la ligne de collage. Cela nous donne la capacité d'établir un véritable contrôle numérique et d'avoir une confiance documentée dans la qualité de nos pièces. »