In het streven naar duurzaamheid verminderen sensoren de cyclustijden, het energieverbruik en de verspilling, automatiseren ze gesloten procescontrole en vergroten ze de kennis, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geopend voor slimme productie en structuren.#sensors #sustainability #SHM
Sensoren aan de linkerkant (van boven naar beneden): warmteflux (TFX), in-mold diëlektrica (Lambient), ultrasoon (Universiteit van Augsburg), wegwerpbare diëlektrica (Synthesites) en tussen centen en thermokoppels Microwire (AvPro). Grafieken (boven, met de klok mee): Collo diëlektrische constante (CP) versus Collo ionische viscositeit (CIV), harsweerstand versus tijd (Synthesieten) en digitaal model van met caprolactam geïmplanteerde voorvormen met behulp van elektromagnetische sensoren (CosiMo-project, DLR ZLP, Universiteit van Augsburg).
Terwijl de mondiale industrie zich blijft ontworstelen aan de COVID-19-pandemie, is zij overgegaan op het geven van prioriteit aan duurzaamheid, wat een vermindering van de verspilling en het verbruik van hulpbronnen (zoals energie, water en materialen) vereist. Als gevolg daarvan moet de productie efficiënter en slimmer worden. Maar hiervoor is informatie nodig. Waar komen deze gegevens voor composieten vandaan?
Zoals beschreven in de 2020 Composites 4.0-serie artikelen van CW, is het definiëren van de metingen die nodig zijn om de kwaliteit van onderdelen en de productie te verbeteren, en de sensoren die nodig zijn om die metingen te bereiken, de eerste stap in slimme productie. In 2020 en 2021 rapporteerde CW over sensoren - diëlektrisch sensoren, warmtefluxsensoren, glasvezelsensoren en contactloze sensoren die gebruik maken van ultrasone en elektromagnetische golven, evenals projecten die hun mogelijkheden demonstreren (zie de online sensorcontentset van CW). Dit artikel bouwt voort op dit rapport door de sensoren te bespreken die worden gebruikt in composiet materialen, hun beloofde voordelen en uitdagingen, en het technologische landschap dat zich ontwikkelt. Bedrijven die zich ontwikkelen als leiders in de composietenindustrie zijn deze ruimte al aan het verkennen en navigeren.
Sensornetwerk in CosiMo Een netwerk van 74 sensoren – waarvan 57 ultrasone sensoren ontwikkeld aan de Universiteit van Augsburg (rechts weergegeven, lichtblauwe stippen in de bovenste en onderste malhelften) – wordt gebruikt voor Lid-demonstrator voor de T-RTM gieten van CosiMo-project voor thermoplastische composietbatterijen. Krediet: CosiMo-project, DLR ZLP Augsburg, Universiteit van Augsburg
Doel #1: Geld besparen. De blog van december 2021 van de CW, “Custom Ultrasonic Sensors for Composite Process Optimization and Control”, beschrijft het werk aan de Universiteit van Augsburg (UNA, Augsburg, Duitsland) om een netwerk van 74 sensoren te ontwikkelen die voor de CosiMo project voor de vervaardiging van een demonstrator voor een EV-batterijdeksel (composietmaterialen voor slim transport). Het onderdeel wordt vervaardigd met behulp van thermoplastisch harsoverdrachtgieten (T-RTM), dat caprolactammonomeer in situ polymeriseert tot een polyamide 6 (PA6) composiet. Markus Sause, professor bij UNA en hoofd van UNA's Artificial Intelligence (AI) Production Network in Augsburg, legt uit waarom sensoren zo belangrijk zijn: “Het grootste voordeel dat we bieden is de visualisatie van wat er tijdens de verwerking in de black box gebeurt. Momenteel beschikken de meeste fabrikanten over beperkte systemen om dit te bereiken. Ze gebruiken bijvoorbeeld heel eenvoudige of specifieke sensoren bij het gebruik van harsinfusie om grote lucht- en ruimtevaartonderdelen te maken. Als het infusieproces fout gaat, heb je eigenlijk een groot stuk afval. Maar als je een oplossing hebt om te begrijpen wat er mis is gegaan in het productieproces en waarom, kun je het repareren en corrigeren, waardoor je veel geld bespaart.”
Thermokoppels zijn een voorbeeld van een “eenvoudige of specifieke sensor” die al tientallen jaren wordt gebruikt om de temperatuur van composietlaminaten te controleren tijdens het uitharden in de autoclaaf of oven. Ze worden zelfs gebruikt om de temperatuur in ovens of verwarmingsdekens te regelen om composietreparatiepleisters uit te harden met behulp van thermische bonders. Harsfabrikanten gebruiken een verscheidenheid aan sensoren in het laboratorium om veranderingen in de harsviscositeit in de loop van de tijd en temperatuur te monitoren om uithardingsformuleringen te ontwikkelen. Wat er echter aan het ontstaan is, is een sensornetwerk dat het productieproces ter plaatse kan visualiseren en controleren op basis van meerdere parameters (bijv. temperatuur en druk) en de toestand van het materiaal (bijv. viscositeit, aggregatie, kristallisatie).
De ultrasone sensor die voor het CosiMo-project is ontwikkeld, gebruikt bijvoorbeeld dezelfde principes als ultrasone inspectie, die de steunpilaar is geworden van niet-destructief testen (NDI) van afgewerkte composietonderdelen. Petros Karapapas, hoofdingenieur bij Meggitt (Loughborough, VK), zei: “Ons doel is om de tijd en arbeid die nodig is voor de post-productie-inspectie van toekomstige componenten te minimaliseren terwijl we op weg zijn naar digitale productie.” Samenwerking van Materials Centre (NCC, Bristol, VK) om de monitoring van een Solvay (Alpharetta, GA, VS) EP 2400-ring tijdens RTM aan te tonen met behulp van een lineaire diëlektrische sensor ontwikkeld aan de Cranfield University (Cranfield, VK). Stroming en uitharding van oxyhars voor een 1,3 m lang, 0,8 m breed en 0,4 m diep composiet omhulsel voor een warmtewisselaar voor een commerciële vliegtuigmotor. “Toen we keken hoe we grotere assemblages konden maken met een hogere productiviteit, konden we het ons niet veroorloven om alle traditionele nabewerkingsinspecties uit te voeren en we testen op elk onderdeel”, zei Karapapas. “Op dit moment maken we testpanelen naast deze RTM-onderdelen en voeren we vervolgens mechanische tests uit om de uithardingscyclus te valideren. Maar met deze sensor is dat niet nodig.”
De Collo Probe wordt ondergedompeld in het verfmengvat (groene cirkel bovenaan) om te detecteren wanneer het mengen voltooid is, wat tijd en energie bespaart. Afbeelding tegoed: ColloidTek Oy
“Ons doel is niet om het zoveelste laboratoriumapparaat te zijn, maar om ons te concentreren op productiesystemen”, zegt Matti Järveläinen, CEO en oprichter van ColloidTek Oy (Kolo, Tampere, Finland). De CW blog van januari 2022 “Fingerprint Liquids for Composites” onderzoekt de mogelijkheden van Collo combinatie van elektromagnetische veldsensoren (EMF), signaalverwerking en data-analyse om de ‘vingerafdruk’ van elke vloeistof zoals monomeren, harsen of lijmen te meten. “Wat wij bieden is een nieuwe technologie die directe feedback in realtime geeft, zodat u Begrijp beter hoe uw proces daadwerkelijk werkt en reageer als er iets misgaat”, zegt Järveläinen. “Onze sensoren zetten realtime gegevens om in begrijpelijke en bruikbare fysieke grootheden, zoals reologische viscositeit, die procesoptimalisatie mogelijk maken. Zo kun je de mengtijden verkorten, omdat je duidelijk ziet wanneer het mixen klaar is. Daarom kunt u met U de productiviteit verhogen, energie besparen en afval verminderen in vergelijking met een minder geoptimaliseerde verwerking.”
Doel #2: Proceskennis en visualisatie vergroten. Voor processen als aggregatie zegt Järveläinen: “Je ziet niet veel informatie uit slechts een momentopname. Je neemt gewoon een monster en gaat naar het laboratorium en kijkt hoe het minuten of uren geleden was. Het is alsof je op de snelweg rijdt, elk uur. Open je ogen een minuutje en probeer te voorspellen waar de weg naartoe gaat.” Sause is het daarmee eens en merkt op dat het in CosiMo ontwikkelde sensornetwerk “ons helpt een compleet beeld te krijgen van het proces en het materiaalgedrag. We kunnen lokale effecten in het proces zien, als reactie op variaties in de dikte van de onderdelen of geïntegreerde materialen zoals een schuimkern. Wat wij proberen te doen is informatie geven over wat er daadwerkelijk in de mal gebeurt. Hierdoor kunnen we verschillende informatie bepalen, zoals de vorm van het stromingsfront, de aankomst van elke parttime en de mate van aggregatie op elke sensorlocatie.”
Collo werkt samen met fabrikanten van epoxylijmen, verven en zelfs bier om procesprofielen te maken voor elke geproduceerde batch. Nu kan elke fabrikant de dynamiek van zijn proces bekijken en meer geoptimaliseerde parameters instellen, met waarschuwingen om in te grijpen wanneer batches buiten de specificaties vallen. Dit helpt stabiliseren en verbeteren van de kwaliteit.
Video van het stroomfront in een CosiMo-onderdeel (injectie-ingang is de witte stip in het midden) als functie van de tijd, gebaseerd op meetgegevens van een in-mold sensornetwerk. Krediet: CosiMo-project, DLR ZLP Augsburg, Universiteit van Augsburg
“Ik wil weten wat er gebeurt tijdens de productie van onderdelen, ik wil niet de doos openen en zien wat er daarna gebeurt”, zegt Karapapas van Meggitt. “De producten die we ontwikkelden met behulp van de diëlektrische sensoren van Cranfield stelden ons in staat het proces ter plekke te zien, en we konden ook om de uitharding van de hars te verifiëren.” Met behulp van alle zes typen sensoren die hieronder worden beschreven (geen uitputtende lijst, slechts een kleine selectie, ook leveranciers) kan de uitharding/polymerisatie en harsstroom worden bewaakt. Sommige sensoren hebben extra mogelijkheden, en gecombineerde sensortypen kunnen de tracking- en visualisatiemogelijkheden uitbreiden. tijdens het gieten van composiet. Dit werd gedemonstreerd tijdens CosiMo, dat gebruik maakte van ultrasone, diëlektrische en piëzoresistieve in-mode sensoren voor temperatuur- en drukmetingen door Kistler (Winterthur, Zwitserland).
Doel #3: Cyclustijd verkorten. Collo-sensoren kunnen de uniformiteit van snel uithardende tweecomponentenepoxy meten wanneer delen A en B worden gemengd en geïnjecteerd tijdens RTM en op elke locatie in de mal waar dergelijke sensoren worden geplaatst. Dit zou kunnen helpen sneller uithardende harsen voor toepassingen zoals Urban Air Mobility (UAM), die snellere uithardingscycli zouden opleveren in vergelijking met huidige ééndelige epoxyharsen zoals RTM6.
Collo-sensoren kunnen ook monitoren en visualiseren hoe epoxy wordt ontgast, geïnjecteerd en uitgehard, en wanneer elk proces is voltooid. Het afwerken van het uitharden en andere processen op basis van de werkelijke staat van het materiaal dat wordt verwerkt (in tegenstelling tot traditionele tijd- en temperatuurrecepten) wordt materiaalstatusbeheer genoemd. (MSM). Bedrijven zoals AvPro (Norman, Oklahoma, VS) streven al tientallen jaren naar MSM om veranderingen in de materialen en processen van onderdelen te volgen, terwijl het specifieke doelstellingen nastreeft voor de glasovergangstemperatuur (Tg), viscositeit, polymerisatie en/of kristallisatie. Een netwerk van sensoren en digitale analyse in CosiMo werden bijvoorbeeld gebruikt om de minimale tijd te bepalen die nodig was om de RTM-pers en -matrijs op te warmen en ontdekten dat 96% van de maximale polymerisatie in 4,5 minuten werd bereikt.
Leveranciers van diëlektrische sensoren zoals Lambient Technologies (Cambridge, MA, VS), Netzsch (Selb, Duitsland) en Synthesites (Ukkel, België) hebben ook hun vermogen aangetoond om de cyclustijden te verkorten. Het R&D-project van Synthesites met composietenfabrikanten Hutchinson (Parijs, Frankrijk ) en Bombardier Belfast (nu Spirit AeroSystems (Belfast, Ierland)) melden dat op basis van real-time metingen van harsweerstand en temperatuur, via de Optimold data-acquisitie-eenheid en Optiview Software wordt omgezet naar geschatte viscositeit en Tg. “Fabrikanten kunnen de Tg zien in realtime, zodat ze kunnen beslissen wanneer ze de uithardingscyclus moeten stoppen”, legt Nikos Pantelelis, directeur van Synthesites, uit. “Ze hoeven niet te wachten tot een carryover-cyclus is voltooid die langer duurt dan nodig is. De traditionele cyclus voor RTM6 is bijvoorbeeld een volledige uitharding van 2 uur bij 180°C. We hebben gezien dat dit in sommige geometrieën kan worden ingekort tot 70 minuten. Dit werd ook gedemonstreerd in het INNOTOOL 4.0-project (zie “RTM versnellen met warmtefluxsensoren”), waar het gebruik van een warmtefluxsensor de RTM6-uithardingscyclus verkortte van 120 minuten naar 90 minuten.
Doel #4: Closed-loop controle van adaptieve processen. Voor het CosiMo-project is het uiteindelijke doel het automatiseren van closed-loop controle tijdens de productie van composietonderdelen. Dit is ook het doel van de ZAero- en iComposite 4.0-projecten gerapporteerd door CW in 2020 (kostenreductie van 30-50%). Houd er rekening mee dat dit verschillende processen met zich meebrengt: geautomatiseerde plaatsing van prepreg-tape (ZAero) en vezelspuitvoorvormen vergeleken met hogedruk-T-RTM in CosiMo voor RTM met snel uithardende epoxy (iComposite 4.0).Alles van deze projecten maakt gebruik van sensoren met digitale modellen en algoritmen om het proces te simuleren en de uitkomst van het voltooide onderdeel te voorspellen.
Procesbeheersing kan worden gezien als een reeks stappen, legt Sause uit. De eerste stap is het integreren van sensoren en procesapparatuur, zei hij, “om te visualiseren wat er in de black box gebeurt en welke parameters moeten worden gebruikt. De andere paar stappen, misschien wel de helft van de closed-loop-controle, zijn het indrukken van de stopknop om in te grijpen, het proces af te stemmen en afgewezen onderdelen te voorkomen. Als laatste stap kun je een digital twin ontwikkelen, die geautomatiseerd kan worden, maar ook investeringen in machine learning-methoden vergt.” In CosiMo maakt deze investering het mogelijk dat sensoren gegevens in de digitale tweeling invoeren. Edge-analyse (berekeningen uitgevoerd aan de rand van de productielijn versus berekeningen vanuit een centrale gegevensopslagplaats) wordt vervolgens gebruikt om de dynamiek van het stroomfront en het vezelvolumegehalte per textielvoorvorm te voorspellen en potentiële droge plekken. "In het ideale geval kun je instellingen instellen om een gesloten luscontrole en afstemming van het proces mogelijk te maken", zei Sause. "Dit omvat parameters zoals injectiedruk, matrijsdruk en temperatuur. Deze informatie kun je ook gebruiken om je materiaal te optimaliseren.”
Daarbij gebruiken bedrijven sensoren om processen te automatiseren. Synthesites werkt bijvoorbeeld samen met haar klanten om sensoren te integreren met apparatuur om de harsinlaat te sluiten wanneer de infusie voltooid is, of om de hittepers aan te zetten wanneer de beoogde uitharding is bereikt.
Järveläinen merkt op dat om te bepalen welke sensor het beste is voor elke gebruikssituatie, “je moet begrijpen welke veranderingen in het materiaal en het proces je wilt monitoren, en dan moet je een analysator hebben.” Een analysator verkrijgt de gegevens die zijn verzameld door een ondervrager of data-acquisitie-eenheid. ruwe data en deze omzetten in informatie die bruikbaar is voor de fabrikant. ‘Je ziet eigenlijk veel bedrijven sensoren integreren, maar vervolgens doen ze niets met de data’, zei Sause. Wat nodig is, legde hij uit, is ‘een systeem van data-acquisitie, evenals een data-opslagarchitectuur om de data te kunnen verwerken.”
“Eindgebruikers willen niet alleen ruwe data zien”, zegt Järveläinen. “Ze willen weten: ‘Is het proces geoptimaliseerd?’” Wanneer kan de volgende stap worden gezet?” Om dit te doen, moet je meerdere sensoren combineren voor analyse en gebruik vervolgens machine learning om het proces te versnellen.” Deze edge-analyse en machine learning-aanpak die door het Collo- en CosiMo-team wordt gebruikt, kan worden bereikt door middel van viscositeitskaarten, numerieke modellen van het harsstroomfront, en de mogelijkheid om uiteindelijk procesparameters en machines te controleren wordt gevisualiseerd.
Optimold is een analysator ontwikkeld door Synthesites voor zijn diëlektrische sensoren. De Optimold-eenheid wordt bestuurd door de Optiview-software van Synthesites en gebruikt temperatuur- en harsweerstandsmetingen om realtime grafieken te berekenen en weer te geven om de harsstatus te controleren, inclusief mengverhouding, chemische veroudering, viscositeit, Tg en mate van uitharding. Het kan worden gebruikt in prepreg- en vloeistofvormprocessen. Voor flowmonitoring wordt een aparte unit Optiflow gebruikt. Synthesites heeft ook een uithardingssimulator ontwikkeld waarbij geen uithardingssensor in de mal of het onderdeel nodig is, maar in plaats daarvan gebruik wordt gemaakt van een temperatuursensor en hars/prepreg-monsters in deze analyse-eenheid. “We gebruiken deze geavanceerde methode voor infusie en lijmuitharding voor de productie van windturbinebladen”, aldus Nikos Pantelelis, directeur van Synthesites.
De procesbesturingssystemen van Synthesites integreren sensoren, Optiflow en/of Optimold data-acquisitie-eenheden en OptiView en/of Online Resin Status (ORS)-software. Afbeelding tegoed: Synthesites, onder redactie van The CW
Daarom hebben de meeste sensorleveranciers hun eigen analysatoren ontwikkeld, waarvan sommige gebruikmaken van machinaal leren en andere niet. Maar fabrikanten van composieten kunnen ook hun eigen systemen op maat ontwikkelen of kant-en-klare instrumenten kopen en deze aanpassen om aan specifieke behoeften te voldoen. De capaciteit van de analysatoren is echter Er is slechts één factor waarmee rekening moet worden gehouden. Er zijn nog veel meer factoren.
Contact is ook een belangrijke overweging bij het kiezen van de te gebruiken sensor. De sensor moet mogelijk in contact zijn met het materiaal, de ondervrager of beide. Warmteflux- en ultrasone sensoren kunnen bijvoorbeeld in een RTM-mal worden geplaatst op een afstand van 1-20 mm van het oppervlak – nauwkeurige monitoring vereist geen contact met het materiaal in de mal. Ultrasone sensoren kunnen ook onderdelen op verschillende diepten ondervragen, afhankelijk van de gebruikte frequentie. Collo elektromagnetische sensoren kunnen ook de diepte van vloeistoffen of onderdelen lezen – 2-10 cm, afhankelijk over de frequentie van ondervragingen – en via niet-metalen containers of gereedschappen die in contact komen met de hars.
Magnetische microdraden (zie ‘Contactloze monitoring van temperatuur en druk in composieten’) zijn momenteel echter de enige sensoren die composieten op een afstand van 10 cm kunnen ondervragen. Dat komt omdat ze gebruik maken van elektromagnetische inductie om een reactie van de sensor op te wekken, die is ingebed in het composietmateriaal. AvPro's ThermoPulse microdraadsensor, ingebed in de lijmlaag, is door een 25 mm dik koolstofvezellaminaat ondervraagd om de temperatuur te meten tijdens het hechtingsproces. Omdat de microdraden een harige diameter hebben van 3-70 micron, ze hebben geen invloed op de prestaties van composiet of verbindingslijnen. Bij iets grotere diameters van 100-200 micron kunnen glasvezelsensoren ook worden ingebed zonder de structurele eigenschappen aan te tasten. Omdat ze echter licht gebruiken om te meten, moeten glasvezelsensoren een bekabelde verbinding hebben met de En omdat diëlektrische sensoren spanning gebruiken om harseigenschappen te meten, moeten ze ook worden aangesloten op een ondervrager, en de meeste moeten ook in contact staan met de hars die ze monitoren.
De Collo Probe (bovenste) sensor kan worden ondergedompeld in vloeistoffen, terwijl de Collo Plate (onderste) wordt geïnstalleerd in de wand van een vat/mengvat of procesleiding/toevoerleiding. Krediet: ColloidTek Oy
De temperatuurbestendigheid van de sensor is een andere belangrijke overweging. De meeste kant-en-klare ultrasone sensoren werken bijvoorbeeld doorgaans bij temperaturen tot 150 °C, maar onderdelen in CosiMo moeten worden gevormd bij temperaturen boven 200 °C. Daarom heeft UNA moest een ultrasone sensor ontwerpen die deze mogelijkheid biedt. De diëlektrische wegwerpsensoren van Lambient kunnen worden gebruikt op onderdeeloppervlakken tot 350 °C, en de herbruikbare in-mold-sensoren kunnen worden gebruikt tot 250 °C. RVmagnetics (Kosice, Slowakije) heeft zijn microdraadsensor voor composietmaterialen die uitharding bij 500 °C kunnen weerstaan. Hoewel de Collo-sensortechnologie zelf geen theoretische temperatuurlimiet kent, zijn de geharde glazen afscherming voor de Collo Plate en de nieuwe polyetheretherketon (PEEK) behuizing voor de Collo Probe beide getest voor continu gebruik bij 150°C, volgens Järveläinen. Ondertussen gebruikte PhotonFirst (Alkmaar, Nederland) een polyimidecoating om een bedrijfstemperatuur van 350°C te bieden voor zijn glasvezelsensor voor het SuCoHS-project, voor een duurzame en kostenbesparende effectief composiet voor hoge temperaturen.
Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden, vooral bij installatie, is of de sensor op één punt meet of een lineaire sensor is met meerdere detectiepunten. De glasvezelsensoren van Com&Sens (Eke, België) kunnen bijvoorbeeld tot 100 meter lang zijn en beschikken over tot 40 vezel Bragg-rooster (FBG)-detectiepunten met een minimale tussenruimte van 1 cm. Deze sensoren zijn gebruikt voor structurele gezondheidsmonitoring (SHM) van 66 meter lange composietbruggen en monitoring van de harsstroom tijdens infusie van grote brugdekken. Installeren individuele puntsensoren voor een dergelijk project zouden een groot aantal sensoren en veel installatietijd vergen. NCC en Cranfield University claimen vergelijkbare voordelen voor hun lineaire diëlektrische sensoren. Vergeleken met diëlektrische enkelpuntssensoren aangeboden door Lambient, Netzsch en Synthesites, “ Met onze lineaire sensor kunnen we de harsstroom continu over de lengte monitoren, waardoor het aantal benodigde sensoren in het onderdeel of gereedschap aanzienlijk wordt verminderd.”
AFP NLR voor glasvezelsensoren Een speciale eenheid is geïntegreerd in het 8e kanaal van de Coriolis AFP-kop om vier glasvezelsensorarrays in een hoge temperatuur, met koolstofvezel versterkt composiettestpaneel te plaatsen. Krediet: SuCoHS Project, NLR
Lineaire sensoren helpen ook bij het automatiseren van installaties. In het SuCoHS-project ontwikkelde Koninklijk NLR (Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum, Marknesse) een speciale eenheid geïntegreerd in het 8e kanaal Automated Fiber Placement (AFP), hoofd van Coriolis Composites (Queven, Frankrijk) om vier arrays in te bedden ( afzonderlijke glasvezellijnen), elk met 5 tot 6 FBG-sensoren (PhotonFirst biedt in totaal 23 sensoren), in testpanelen van koolstofvezel. RVmagnetics heeft zijn microdraadsensoren in gepultrudeerde GFRP-wapening geplaatst. De draden zijn discontinu [1-4 cm lang voor de meeste composietmicrodraden], maar worden automatisch continu geplaatst wanneer de wapening wordt geproduceerd”, zegt Ratislav Varga, medeoprichter van RVmagnetics. “Je hebt een microdraad met een microdraad van 1 km. rollen filament op en voeren deze naar de productiefaciliteit voor wapening, zonder de manier waarop de wapening wordt gemaakt te veranderen.” Ondertussen werkt Com&Sens aan geautomatiseerde technologie om glasvezelsensoren in te bedden tijdens het filamentwikkelproces in drukvaten.
Vanwege zijn vermogen om elektriciteit te geleiden, kan koolstofvezel problemen veroorzaken met diëlektrische sensoren. Diëlektrische sensoren gebruiken twee elektroden die dicht bij elkaar zijn geplaatst. “Als de vezels de elektroden overbruggen, kortsluiten ze de sensor”, legt Lambient-oprichter Huan Lee uit. Gebruik dan een filter.”Het filter laat de hars langs de sensoren, maar isoleert ze van de koolstofvezel.” De lineaire diëlektrische sensor ontwikkeld door Cranfield University en NCC gebruikt een andere aanpak, waaronder twee getwiste paren koperdraden. Wanneer er spanning wordt aangelegd, ontstaat er een elektromagnetisch veld tussen de draden, dat wordt gebruikt om de harsimpedantie te meten. De draden zijn gecoat met een isolerend polymeer dat het elektrische veld niet beïnvloedt, maar voorkomt dat de koolstofvezel kortsluit.
Natuurlijk zijn de kosten ook een probleem. Com&Sens stelt dat de gemiddelde kosten per FBG-detectiepunt 50-125 euro bedragen, wat kan dalen tot ongeveer 25-35 euro bij gebruik in batches (bijvoorbeeld voor 100.000 drukvaten). slechts een fractie van de huidige en verwachte productiecapaciteit van composiet drukvaten, zie CW's artikel uit 2021 over waterstof.) Meggitt's Karapapas zegt dat hij aanbiedingen heeft ontvangen voor glasvezellijnen met FBG-sensoren van gemiddeld £ 250 per sensor (≈300 € / sensor), de ondervrager is ongeveer £10.000 (€12.000) waard.” De lineaire diëlektrische sensor die we hebben getest leek meer op een gecoate draad die je van de plank kunt kopen”, voegde hij eraan toe.” De ondervrager die we gebruiken”, voegt Alex Skordos, lezer, toe ( senior onderzoeker) in Composites Process Science aan de Cranfield University, “is een impedantieanalysator, die zeer nauwkeurig is en minstens £ 30.000 [≈ € 36.000] kost. Maar de NCC gebruikt een veel eenvoudiger ondervrager die in feite bestaat uit kant-en-klare modules van het commerciële bedrijf Advise Deta [Bedford, VK].” Synthesites vraagt € 1.190 voor in-mold-sensoren en € 20 voor sensoren voor eenmalig gebruik/deel. In EUR wordt Optiflow genoteerd voor € 3.900 en Optimold voor € 7.200, met toenemende kortingen voor meerdere analyse-eenheden. Deze prijzen zijn inclusief Optiview-software en eventuele De noodzakelijke ondersteuning, zei Pantelelis, eraan toevoegend dat fabrikanten van windbladen 1,5 uur per cyclus besparen, bladen per lijn per maand toevoegen en het energieverbruik met 20 procent verminderen, met een rendement op de investering van slechts vier maanden.
Bedrijven die sensoren gebruiken zullen een voordeel behalen naarmate de digitale productie van composieten 4.0 evolueert. Grégoire Beauduin, directeur Business Development bij Com&Sens, zegt bijvoorbeeld: “Terwijl fabrikanten van drukvaten proberen het gewicht, het materiaalgebruik en de kosten te verminderen, kunnen ze onze sensoren gebruiken om hun ontwerpen en bewaken de productie zodra deze in 2030 de vereiste niveaus bereiken. Dezelfde sensoren die worden gebruikt om de spanningsniveaus in lagen tijdens het wikkelen en uitharden van filamenten te beoordelen, kunnen ook de integriteit van de tank monitoren tijdens duizenden tankcycli, het vereiste onderhoud voorspellen en opnieuw certificeren aan het einde van het ontwerp leven. Wij kunnen Voor elk geproduceerd composiet drukvat wordt een digitale dubbele datapool geleverd, en de oplossing wordt ook ontwikkeld voor satellieten.”
Digitale tweelingen en threads mogelijk maken Com&Sens werkt samen met een fabrikant van composieten om zijn glasvezelsensoren te gebruiken om de digitale gegevensstroom door ontwerp, productie en service mogelijk te maken (rechts) ter ondersteuning van digitale identiteitskaarten die de digitale tweeling van elk gemaakt onderdeel (links) ondersteunen. Beeldcredits: Com&Sens en figuur 1, "Engineering with Digital Threads" door V. Singh, K. Wilcox.
Sensorgegevens ondersteunen dus de digitale tweeling, evenals de digitale draad die ontwerp, productie, serviceactiviteiten en veroudering omvat. Wanneer ze worden geanalyseerd met behulp van kunstmatige intelligentie en machinaal leren, worden deze gegevens teruggekoppeld naar het ontwerp en de verwerking, waardoor de prestaties en duurzaamheid worden verbeterd. heeft ook de manier veranderd waarop toeleveringsketens samenwerken. Lijmfabrikant Kiilto (Tampere, Finland) gebruikt bijvoorbeeld Collo-sensoren om zijn klanten te helpen de verhouding van componenten A, B, enz. in hun meercomponentenlijmmengapparatuur te controleren. kan nu de samenstelling van zijn lijmen aanpassen voor individuele klanten”, zegt Järveläinen, “maar het stelt Kiilto ook in staat te begrijpen hoe harsen interageren in de processen van klanten, en hoe klanten omgaan met hun producten, wat de manier waarop het aanbod tot stand komt verandert. Ketens kunnen samenwerken.”
OPTO-Light maakt gebruik van Kistler-, Netzsch- en Synthesites-sensoren om de uitharding van thermoplastische gegoten epoxy CFRP-onderdelen te monitoren. Krediet: AZL
Sensoren ondersteunen ook innovatieve nieuwe materiaal- en procescombinaties. Beschreven in het artikel van CW uit 2019 over het OPTO-Light-project (zie “Thermoplastische overmolding-thermosets, cyclus van 2 minuten, één batterij”), gebruikt AZL Aachen (Aken, Duitsland) een tweestaps proces om een enkele To (UD) koolstofvezel/epoxy prepreg horizontaal te comprimeren, vervolgens omgevormd met 30% korte glasvezelversterkte PA6. De sleutel is om de prepreg slechts gedeeltelijk uit te harden, zodat de resterende reactiviteit in de epoxy binding aan de thermoplast mogelijk kan maken .AZL gebruikt Optimold en Netzsch DEA288 Epsilon-analyzers met diëlektrische sensoren van Synthesites en Netzsch en Kistler in-mold-sensoren en DataFlow-software om het spuitgieten te optimaliseren. de staat van uitharding begrijpen om een goede aansluiting op thermoplastische overmolding te bereiken”, legt AZL-onderzoeksingenieur Richard Schares uit. “In de toekomst kan het proces adaptief en intelligent zijn, procesrotatie wordt geactiveerd door sensorsignalen.”
Er is echter een fundamenteel probleem, zegt Järveläinen, “en dat is het gebrek aan inzicht bij klanten over hoe ze deze verschillende sensoren in hun processen kunnen integreren. De meeste bedrijven hebben geen sensorexperts.” Momenteel vereist de weg vooruit dat sensorfabrikanten en klanten informatie heen en weer uitwisselen. Organisaties zoals AZL, DLR (Augsburg, Duitsland) en NCC ontwikkelen multi-sensor expertise. Sause zei dat er groepen binnen UNA zijn, evenals een spin-off bedrijven die sensorintegratie en digital twin-diensten aanbieden. Hij voegde eraan toe dat het AI-productienetwerk van Augsburg voor dit doel een faciliteit van 7.000 vierkante meter heeft gehuurd, “waarmee de ontwikkelingsblauwdruk van CosiMo wordt uitgebreid tot een zeer brede reikwijdte, inclusief gekoppelde automatiseringscellen, waar industriële partners kan machines plaatsen, projecten uitvoeren en leren hoe je nieuwe AI-oplossingen kunt integreren.”
Carapappas zei dat de diëlektrische sensordemonstratie van Meggitt bij de NCC daar slechts de eerste stap in was. “Uiteindelijk wil ik mijn processen en workflows monitoren en deze in ons ERP-systeem invoeren, zodat ik van tevoren weet welke componenten ik moet produceren, welke mensen ik nodig hebben en welke materialen u moet bestellen. Digitale automatisering ontwikkelt zich.”
Welkom bij het online SourceBook, dat overeenkomt met CompositesWorld's jaarlijkse gedrukte editie van de SourceBook Composites Industry Buyer's Guide.
Spirit AeroSystems implementeert Airbus Smart Design voor A350 middenromp en frontliggers in Kingston, NC
Posttijd: 20 mei 2022
