W dążeniu do zrównoważonego rozwoju czujniki redukują czas cykli, zużycie energii i ilość odpadów, automatyzują kontrolę procesów w pętli zamkniętej i poszerzają wiedzę, otwierając nowe możliwości dla inteligentnej produkcji i konstrukcji.#czujniki #zrównoważony rozwój #SHM
Czujniki po lewej stronie (od góry do dołu): strumień ciepła (TFX), dielektryki w formie (Lambient), ultradźwięki (Uniwersytet w Augsburgu), dielektryki jednorazowego użytku (Syntezyty) oraz między groszami i termoparami Microwire (AvPro).Wykresy (na górze, zgodnie z ruchem wskazówek zegara): stała dielektryczna kolo (CP) w funkcji lepkości jonowej kolo (CIV), rezystancji żywicy w funkcji czasu (syntezyty) i cyfrowy model preformy wszczepiane kaprolaktamem z wykorzystaniem czujników elektromagnetycznych (projekt CosiMo, DLR ZLP, Uniwersytet w Augsburgu).
W miarę jak światowy przemysł w dalszym ciągu wychodzi z pandemii COVID-19, zaczął on priorytetowo traktować zrównoważony rozwój, który wymaga ograniczenia ilości odpadów i zużycia zasobów (takich jak energia, woda i materiały). W rezultacie produkcja musi stać się bardziej wydajna i inteligentna .Ale to wymaga informacji. Skąd pochodzą te dane w przypadku kompozytów?
Jak opisano w serii artykułów CW 2020 Composites 4.0, zdefiniowanie pomiarów niezbędnych do poprawy jakości części i produkcji oraz czujników potrzebnych do osiągnięcia tych pomiarów jest pierwszym krokiem w inteligentnej produkcji. W latach 2020 i 2021 CW informowało o czujnikach – dielektrykach czujniki, czujniki strumienia ciepła, czujniki światłowodowe i czujniki bezkontaktowe wykorzystujące fale ultradźwiękowe i elektromagnetyczne, a także projekty demonstrujące ich możliwości (zobacz stronę internetową CW zestaw zawartości czujników). Ten artykuł opiera się na tym raporcie i omawia czujniki stosowane w materiałach kompozytowych, obiecane korzyści i wyzwania z nimi związane, a także krajobraz technologiczny w fazie rozwoju. W szczególności firmy, które wyłaniają się na liderów w branży kompozytów, już badają i nawigują tę przestrzeń.
Sieć czujników w CosiMo Sieć 74 czujników – z których 57 to czujniki ultradźwiękowe opracowane na Uniwersytecie w Augsburgu (pokazane po prawej stronie, jasnoniebieskie kropki w górnej i dolnej połowie formy) – jest wykorzystywana w demonstratorze pokrywy dla T-RTM projekt CosiMo do formowania akumulatorów z kompozytów termoplastycznych. Źródło zdjęcia: projekt CosiMo, DLR ZLP Augsburg, Uniwersytet w Augsburgu
Cel nr 1: Oszczędność pieniędzy. Blog CW z grudnia 2021 r. „Niestandardowe czujniki ultradźwiękowe do optymalizacji i kontroli procesów kompozytowych” opisuje prace na Uniwersytecie w Augsburgu (UNA, Augsburg, Niemcy) mające na celu opracowanie sieci 74 czujników, które dla CosiMo projekt mający na celu produkcję demonstratora pokrywy akumulatora pojazdu elektrycznego (materiały kompozytowe w inteligentnym transporcie). Część jest wytwarzana przy użyciu formowania przetłaczanego żywicy termoplastycznej (T-RTM), która polimeryzuje monomer kaprolaktamu in situ w kompozyt poliamidu 6 (PA6).Markus Sause, profesor w UNA i szef sieci produkcyjnej sztucznej inteligencji (AI) UNA w Augsburgu, wyjaśnia, dlaczego czujniki są tak ważne: „Największą zaletą, jaką oferujemy, jest wizualizacja co dzieje się wewnątrz czarnej skrzynki podczas przetwarzania. Obecnie większość producentów ma ograniczone systemy umożliwiające osiągnięcie tego celu. Na przykład używają bardzo prostych lub specyficznych czujników podczas infuzji żywicy do wytwarzania dużych części lotniczych. Jeśli proces infuzji pójdzie nie tak, w zasadzie masz duży kawałek złomu. Jeśli jednak dysponujesz rozwiązaniami pozwalającymi zrozumieć, co poszło nie tak w procesie produkcyjnym i dlaczego, możesz to naprawić i poprawić, oszczędzając dużo pieniędzy”.
Termopary są przykładem „prostego lub specyficznego czujnika”, który jest używany od dziesięcioleci do monitorowania temperatury laminatów kompozytowych podczas utwardzania w autoklawie lub piecu. Są one nawet używane do kontrolowania temperatury w piecach lub kocach grzewczych w celu utwardzania łat kompozytowych za pomocą spoiwa termiczne. Producenci żywic używają w laboratorium różnych czujników do monitorowania zmian lepkości żywicy w czasie i temperaturze w celu opracowania receptur utwardzania. Wyłania się jednak sieć czujników, która może wizualizować i kontrolować proces produkcyjny na miejscu w oparciu o wiele parametry (np. temperatura i ciśnienie) oraz stan materiału (np. lepkość, agregacja, krystalizacja).
Na przykład czujnik ultradźwiękowy opracowany na potrzeby projektu CosiMo wykorzystuje te same zasady, co kontrola ultradźwiękowa, która stała się podstawą badań nieniszczących (NDI) gotowych części kompozytowych. Petros Karapapas, główny inżynier w Meggitt (Loughborough, Wielka Brytania), powiedział: „Naszym celem jest zminimalizowanie czasu i pracy wymaganej do kontroli poprodukcyjnej przyszłych komponentów w miarę zbliżania się do produkcji cyfrowej”. Współpraca z Materials Center (NCC, Bristol, Wielka Brytania) w celu zademonstrowania monitorowania pierścienia EP 2400 Solvay (Alpharetta, GA, USA) podczas RTM przy użyciu liniowego czujnika dielektrycznego opracowanego na Uniwersytecie Cranfield (Cranfield, Wielka Brytania) Przepływ i utwardzanie oksyżywicy dla Płaszcz kompozytowy o długości 1,3 m, szerokości 0,8 m i głębokości 0,4 m do wymiennika ciepła silnika samolotu komercyjnego. „Kiedy zastanawialiśmy się, jak wykonać większe zespoły przy użyciu wyższej produktywności, nie mogliśmy sobie pozwolić na wszystkie tradycyjne kontrole i testy po obróbce każdej części” – powiedział Karapapas. „W tej chwili obok tych części RTM wykonujemy panele testowe, a następnie przeprowadzamy testy mechaniczne, aby potwierdzić cykl utwardzania . Ale w przypadku tego czujnika nie jest to konieczne.”
Sonda Collo jest zanurzana w naczyniu do mieszania farby (zielone kółko u góry), aby wykryć zakończenie mieszania, oszczędzając czas i energię. Źródło zdjęcia: ColloidTek Oy
„Naszym celem nie jest bycie kolejnym urządzeniem laboratoryjnym, ale skupienie się na systemach produkcyjnych” – mówi Matti Järveläinen, dyrektor generalny i założyciel ColloidTek Oy (Kolo, Tampere, Finlandia). Blog CW ze stycznia 2022 r. „Fingerprint Liquids for Composites” omawia technologię Collo połączenie czujników pola elektromagnetycznego (EMF), przetwarzania sygnałów i analizy danych w celu pomiaru „odcisku palca” dowolnej cieczy, takiej jak monomery, żywice lub kleje „Oferujemy nową technologię, która zapewnia bezpośrednią informację zwrotną w czasie rzeczywistym, dzięki czemu można lepiej zrozumieć, jak faktycznie działa proces i reagować, gdy coś pójdzie nie tak” – mówi Järveläinen. „Nasze czujniki przekształcają dane czasu rzeczywistego w zrozumiałe i możliwe do wykorzystania wielkości fizyczne, takie jak lepkość reologiczna, które umożliwiają optymalizację procesu. Można na przykład skrócić czas mieszania, ponieważ wyraźnie widać, kiedy mieszanie zostało zakończone. Dzięki temu możesz zwiększyć produktywność, zaoszczędzić energię i zmniejszyć ilość odpadów w porównaniu do mniej zoptymalizowanego przetwarzania.”
Cel nr 2: Zwiększenie wiedzy o procesach i wizualizacji. W przypadku procesów takich jak agregacja Järveläinen mówi: „Na podstawie migawki nie widać zbyt wielu informacji. Po prostu pobierasz próbkę, idziesz do laboratorium i sprawdzasz, jak to było kilka minut lub godzin temu. To jak jazda autostradą: co godzinę otwórz oczy na minutę i spróbuj przewidzieć, dokąd prowadzi droga. Sause zgadza się z tym, zauważając, że sieć czujników opracowana w CosiMo „pomaga nam uzyskać pełny obraz procesu i zachowania materiału. W procesie możemy zaobserwować lokalne efekty w odpowiedzi na różnice w grubości części lub zintegrowanych materiałach, takich jak rdzeń piankowy. Staramy się dostarczać informacji o tym, co faktycznie dzieje się w formie. Pozwala nam to określić różne informacje, takie jak kształt czoła przepływu, przybycie każdej części czasu i stopień agregacji w każdej lokalizacji czujnika”.
Collo współpracuje z producentami klejów epoksydowych, farb, a nawet piwa, aby stworzyć profile procesów dla każdej wyprodukowanej partii. Teraz każdy producent może przeglądać dynamikę swojego procesu i ustawiać bardziej zoptymalizowane parametry, wraz z alertami informującymi o interwencji, gdy partia jest niezgodna ze specyfikacją. Pomaga to stabilizować i poprawiać jakość.
Film przedstawiający czoło przepływu w części CosiMo (wejście wtrysku to biała kropka pośrodku) w funkcji czasu, na podstawie danych pomiarowych z sieci czujników wbudowanych w formę. Źródło zdjęcia: projekt CosiMo, DLR ZLP Augsburg, Uniwersytet w Augsburgu Augsburgu
„Chcę wiedzieć, co dzieje się podczas produkcji części, a nie otwierać pudełko i zobaczyć, co stanie się później” – mówi Karapapas z Meggitt. „Produkty, które opracowaliśmy przy użyciu czujników dielektrycznych Cranfielda, pozwoliły nam zobaczyć proces na miejscu, a także mogliśmy aby sprawdzić utwardzenie żywicy.” Korzystanie ze wszystkich sześciu typów czujników opisanych poniżej (nie jest to wyczerpująca lista, tylko niewielki wybór, dostawcy również) może monitorować utwardzanie/polimeryzację i przepływ żywicy. Niektóre czujniki mają dodatkowe możliwości, a połączone typy czujników mogą rozszerzyć możliwości śledzenia i wizualizacji podczas formowania kompozytów. Zostało to zademonstrowane podczas CosiMo, w którym firma Kistler (Winterthur, Szwajcaria) wykorzystała czujniki ultradźwiękowe, dielektryczne i piezorezystancyjne w trybie in-mode do pomiarów temperatury i ciśnienia.
Cel nr 3: Skrócenie czasu cyklu. Czujniki Collo mogą mierzyć jednorodność dwuskładnikowej, szybko utwardzającej się żywicy epoksydowej, gdy części A i B są mieszane i wtryskiwane podczas RTM oraz w każdym miejscu formy, w którym umieszczone są takie czujniki. Może to pomóc w umożliwieniu żywice utwardzające się szybciej do zastosowań takich jak Urban Air Mobility (UAM), które zapewniają szybsze cykle utwardzania w porównaniu z obecnymi jednoskładnikowymi żywicami epoksydowymi, takimi jak RTM6.
Czujniki Collo mogą również monitorować i wizualizować odgazowanie, wtryskiwanie i utwardzanie żywicy epoksydowej, a także zakończenie każdego procesu. Utwardzanie wykończeniowe i inne procesy w oparciu o rzeczywisty stan przetwarzanego materiału (w porównaniu z tradycyjnymi przepisami dotyczącymi czasu i temperatury) nazywane są zarządzaniem stanem materiału (MSM). Firmy takie jak AvPro (Norman, Oklahoma, USA) od dziesięcioleci poszukują MSM w celu śledzenia zmian w materiałach i procesach części, dążąc do określonych celów w zakresie temperatury zeszklenia (Tg), lepkość, polimeryzacja i/lub krystalizacja. Na przykład wykorzystano sieć czujników i analizę cyfrową w CosiMo, aby określić minimalny czas wymagany do podgrzania prasy i formy RTM i stwierdzono, że 96% maksymalnej polimeryzacji nastąpiło osiągnąć w 4,5 minuty.
Dostawcy czujników dielektrycznych, tacy jak Lambient Technologies (Cambridge, MA, USA), Netzsch (Selb, Niemcy) i Synthesites (Uccle, Belgia) również wykazali swoją zdolność do skracania czasów cykli. Projekt badawczo-rozwojowy Synthesites realizowany wspólnie z producentami kompozytów Hutchinson (Paryż, Francja) ) i Bombardier Belfast (obecnie Spirit AeroSystems (Belfast, Irlandia)) podają, że na podstawie pomiarów rezystancji żywicy i temperatury w czasie rzeczywistym, uzyskanych w wyniku gromadzenia danych przez Optimold Jednostka i oprogramowanie Optiview konwertują na szacowaną lepkość i Tg. „Producenci mogą zobaczyć Tg w czasie rzeczywistym, dzięki czemu mogą zdecydować, kiedy zatrzymać cykl utwardzania” – wyjaśnia Nikos Pantelelis, dyrektor ds. syntezy. „Nie muszą czekać ukończyć cykl przeniesienia, który jest dłuższy niż to konieczne. Na przykład tradycyjny cykl dla RTM6 to 2-godzinne pełne utwardzanie w temperaturze 180°C. Widzieliśmy, że w niektórych geometriach można to skrócić do 70 minut. Wykazano to również w projekcie INNOTOOL 4.0 (patrz „Przyspieszenie RTM za pomocą czujników strumienia ciepła”), w którym zastosowanie czujnika strumienia ciepła skróciło cykl utwardzania RTM6 ze 120 minut do 90 minut.
Cel nr 4: Sterowanie procesami adaptacyjnymi w pętli zamkniętej. W przypadku projektu CosiMo ostatecznym celem jest automatyzacja sterowania w pętli zamkniętej podczas produkcji części kompozytowych. Jest to również cel projektów ZAero i iComposite 4.0 zgłoszonych przez CW w 2020 (obniżka kosztów o 30-50%). Należy pamiętać, że obejmują one różne procesy – automatyczne umieszczanie taśmy prepregowej (ZAero) i wstępne formowanie natryskowe włókien w porównaniu z wysokociśnieniowym T-RTM w CosiMo dla RTM z szybkoutwardzalną żywicą epoksydową (iComposite 4.0). We wszystkich tych projektach wykorzystuje się czujniki z modelami cyfrowymi i algorytmami do symulacji procesu i przewidywania wyniku gotowej części.
Sause wyjaśnił, że kontrolę procesu można traktować jako serię kroków. Pierwszym krokiem jest integracja czujników i sprzętu procesowego, powiedział, „w celu wizualizacji tego, co dzieje się w czarnej skrzynce i parametrów, które należy zastosować. Pozostałe kilka kroków, być może połowa sterowania w pętli zamkniętej, to możliwość naciśnięcia przycisku stop w celu interwencji, dostrojenia procesu i zapobiegania odrzuceniu części. Ostatnim krokiem będzie opracowanie cyfrowego bliźniaka, który można zautomatyzować, ale wymaga on również inwestycji w metody uczenia maszynowego”. W CosiMo ta inwestycja umożliwia czujnikom wprowadzanie danych do cyfrowego bliźniaka. Analiza krawędzi (obliczenia wykonywane na krawędzi linii produkcyjnej w porównaniu z obliczeniami z centralnego repozytorium danych) jest następnie wykorzystywana do przewidywania dynamiki frontu przepływu, zawartości włókien w preformie tekstylnej i potencjalne suche miejsca”. Idealnym rozwiązaniem byłoby określenie ustawień umożliwiających sterowanie i dostrajanie procesu w pętli zamkniętej” – powiedział Sause. „Będą one obejmować parametry takie jak ciśnienie wtrysku, ciśnienie formy i temperatura. Możesz także wykorzystać te informacje do optymalizacji materiału.”
W ten sposób firmy wykorzystują czujniki do automatyzacji procesów. Na przykład Synthesites współpracuje ze swoimi klientami w celu integracji czujników ze sprzętem zamykającym wlot żywicy po zakończeniu infuzji lub włączającym prasę cieplną po osiągnięciu docelowego utwardzenia.
Järveläinen zauważa, że aby określić, który czujnik jest najlepszy dla każdego przypadku użycia, „trzeba zrozumieć, jakie zmiany w materiale i procesie, które chcesz monitorować, a następnie trzeba mieć analizator”. Analizator zbiera dane zebrane przez interrogator lub jednostkę akwizycji danych. surowe dane i przekształcają je w informacje przydatne dla producenta. „W rzeczywistości wiele firm integruje czujniki, ale potem nic z danymi nie robią” – powiedział Sause. Potrzebny jest – wyjaśnił – „system pozyskiwania danych, a także architekturę przechowywania danych, aby móc je przetwarzać.”
„Użytkownicy końcowi nie chcą tylko widzieć surowych danych” – mówi Järveläinen. „Chcą wiedzieć, «Czy proces jest zoptymalizowany?»”. Kiedy można podjąć kolejny krok?” Aby to zrobić, należy połączyć wiele czujników do analizy, a następnie wykorzystaj uczenie maszynowe, aby przyspieszyć proces. To podejście do analizy krawędzi i uczenia maszynowego stosowane przez zespoły Collo i CosiMo można osiągnąć za pomocą map lepkości, modeli numerycznych czoła przepływu żywicy oraz wizualizacji możliwości ostatecznego kontrolowania parametrów procesu i maszyn.
Optimold to analizator opracowany przez firmę Synthesites na potrzeby czujników dielektrycznych. Kontrolowany przez oprogramowanie Optiview firmy Synthesites, moduł Optimold wykorzystuje pomiary temperatury i rezystancji żywicy do obliczania i wyświetlania wykresów w czasie rzeczywistym w celu monitorowania stanu żywicy, w tym proporcji mieszania, starzenia chemicznego, lepkości, Tg i stopnia utwardzenia. Można go stosować w procesach prepregu i formowania cieczy. Do monitorowania przepływu służy oddzielna jednostka Optiflow. Firma Synthesites opracowała także symulator utwardzania, który nie wymaga czujnika utwardzania formy lub części, ale zamiast tego wykorzystuje w tym analizatorze czujnik temperatury oraz próbki żywicy/prepregu. „Korzystamy z tej najnowocześniejszej metody infuzji i utwardzania klejem przy produkcji łopatek turbin wiatrowych” – powiedział Nikos Pantelelis, Dyrektor Syntetyków.
Systemy kontroli procesów Synthesites integrują czujniki, jednostki gromadzenia danych Optiflow i/lub Optimold oraz oprogramowanie OptiView i/lub Online Resin Status (ORS). Źródło zdjęcia: Synthesites, pod redakcją The CW
Dlatego większość dostawców czujników opracowała własne analizatory, niektórzy korzystający z uczenia maszynowego, a niektórzy nie. Jednak producenci kompozytów mogą również opracowywać własne, niestandardowe systemy lub kupować gotowe instrumenty i modyfikować je w celu spełnienia określonych potrzeb. Jednak możliwości analizatorów są należy wziąć pod uwagę tylko jeden czynnik. Jest ich wiele innych.
Kontakt jest również ważnym czynnikiem przy wyborze czujnika. Może zaistnieć potrzeba kontaktu czujnika z materiałem, interrogatorem lub obydwoma. Na przykład czujniki strumienia ciepła i czujniki ultradźwiękowe można włożyć do formy RTM w odległości 1–20 mm od powierzchni – dokładne monitorowanie nie wymaga kontaktu z materiałem w formie. Czujniki ultradźwiękowe mogą również badać części na różnych głębokościach w zależności od stosowanej częstotliwości. Czujniki elektromagnetyczne Collo mogą również odczytywać głębokość cieczy lub części – 2-10 cm, w zależności od częstotliwości przesłuchań – oraz przez niemetalowe pojemniki lub narzędzia mające kontakt z żywicą.
Jednakże mikrodruty magnetyczne (patrz „Bezdotykowe monitorowanie temperatury i ciśnienia wewnątrz kompozytów”) to obecnie jedyne czujniki zdolne do badania kompozytów w odległości 10 cm. Dzieje się tak dlatego, że wykorzystują indukcję elektromagnetyczną do wywołania odpowiedzi czujnika, która jest osadzony w materiale kompozytowym. Czujnik mikrodrutowy ThermoPulse firmy AvPro, osadzony w warstwie klejącej, został przetestowany przez laminat z włókna węglowego o grubości 25 mm w celu pomiaru temperatury podczas łączenia Ponieważ mikrodruty mają owłosioną średnicę 3–70 mikronów, nie wpływają one na właściwości kompozytu ani spoiwa. Przy nieco większych średnicach 100–200 mikronów można również osadzić czujniki światłowodowe bez pogorszenia właściwości strukturalnych. Ponieważ jednak do pomiaru wykorzystują światło, czujniki światłowodowe muszą mieć przewodowe połączenie z interrogatorem. Podobnie, ponieważ czujniki dielektryczne wykorzystują napięcie do pomiaru właściwości żywicy, muszą być również podłączone do interrogatora, a większość muszą mieć także kontakt z monitorowaną żywicą.
Czujnik Collo Probe (na górze) można zanurzać w cieczach, natomiast płytkę Collo (na dole) instaluje się w ścianie zbiornika/zbiornika mieszającego lub rurociągu technologicznego/ciągu zasilającego. Źródło zdjęcia: ColloidTek Oy
Kolejnym kluczowym czynnikiem jest odporność temperaturowa czujnika. Na przykład większość dostępnych na rynku czujników ultradźwiękowych zazwyczaj działa w temperaturach do 150°C, ale części CosiMo muszą być formowane w temperaturach powyżej 200°C. Dlatego UNA musieli zaprojektować czujnik ultradźwiękowy posiadający tę zdolność. Jednorazowe czujniki dielektryczne firmy Lambient można stosować na powierzchniach części w temperaturach do 350°C, a czujniki wielokrotnego użytku w formie można stosować do 250°C. Firma RVmagnetics (Koszyce, Słowacja) opracowała czujnik mikroprzewodowy do materiałów kompozytowych, który wytrzymuje utwardzanie w temperaturze 500°C. Chociaż sama technologia czujników Collo nie ma teoretycznego limitu temperatury, osłona ze szkła hartowanego dla płyty Collo i nowy Według Järveläinena obie obudowy z polieteroeteroketonu (PEEK) sondy Collo Probe zostały przetestowane pod kątem pracy ciągłej w temperaturze 150°C. W firmie PhotonFirst (Alkmaar, Holandia) zastosowano powłokę poliimidową, aby zapewnić temperaturę roboczą 350°C czujnika światłowodowego na potrzeby projektu SuCoHS, tworząc zrównoważony i opłacalny kompozyt wysokotemperaturowy.
Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, szczególnie podczas instalacji, jest to, czy czujnik mierzy w jednym punkcie, czy jest to czujnik liniowy z wieloma punktami detekcji. Na przykład czujniki światłowodowe Com&Sens (Eke, Belgia) mogą mieć długość do 100 metrów i być wyposażone w do 40 punktów pomiarowych z siatką Bragga (FBG) w odległości minimalnej 1 cm. Czujniki te zostały wykorzystane do monitorowania stanu konstrukcji (SHM) 66-metrowych mostów kompozytowych oraz monitorowania przepływu żywicy podczas infuzji dużych pomostów mostowych. Instalacja pojedynczych czujników punktowych w takim projekcie wymagałaby dużej liczby czujników i długiego czasu instalacji. NCC i Cranfield University twierdzą, że ich liniowe czujniki dielektryczne mają podobne zalety. W porównaniu do jednopunktowych czujników dielektrycznych oferowanych przez Lambient , Netzsch i Synthesites: „Dzięki naszemu czujnikowi liniowemu możemy w sposób ciągły monitorować przepływ żywicy na całej długości, co znacznie zmniejsza liczbę czujników wymaganych w części lub narzędziu”.
AFP NLR do czujników światłowodowych W 8. kanale głowicy Coriolisa AFP zintegrowano specjalną jednostkę, która umożliwia umieszczenie czterech układów czujników światłowodowych w wysokotemperaturowym, kompozytowym panelu testowym wzmocnionym włóknem węglowym. Źródło zdjęcia: SuCoHS Project, NLR
Czujniki liniowe pomagają również w automatyzacji instalacji. W ramach projektu SuCoHS Royal NLR (Holenderskie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki, Marknesse) opracowało specjalną jednostkę zintegrowaną z 8-kanałowym modułem automatycznego rozmieszczania włókien (AFP) firmy Coriolis Composites (Queven, Francja) w celu osadzenia czterech macierzy ( oddzielne linie światłowodowe), każdy z 5 do 6 czujnikami FBG (PhotonFirst oferuje łącznie 23 czujniki), w teście włókna węglowego panele. Firma RVmagnetics umieściła swoje czujniki mikrodrutowe w prętach zbrojeniowych z GFRP metodą pultrudacji. Druty są nieciągłe [długość 1–4 cm w przypadku większości mikrodrutów kompozytowych], ale są automatycznie umieszczane w sposób ciągły podczas produkcji prętów zbrojeniowych” – powiedział Ratislav Varga, współzałożyciel firmy RVmagnetyczne. „Masz mikroprzewód o długości 1 km. zwoje włókna i dostarczają je do zakładu produkującego pręty zbrojeniowe, nie zmieniając sposobu ich wytwarzania.” Tymczasem Com&Sens pracuje nad zautomatyzowaną technologią osadzania czujników światłowodowych podczas procesu nawijania włókien w zbiornikach ciśnieniowych.
Ze względu na zdolność przewodzenia prądu włókno węglowe może powodować problemy z czujnikami dielektrycznymi. Czujniki dielektryczne wykorzystują dwie elektrody umieszczone blisko siebie. „Jeśli włókna łączą elektrody, powodują zwarcie czujnika” – wyjaśnia założyciel firmy Lambient, Huan Lee. W takim przypadku użyj filtra. Filtr przepuszcza żywicę przez czujniki, ale izoluje je od włókna węglowego. Liniowy czujnik dielektryczny opracowany przez Cranfield University i NCC wykorzystuje inne podejście i wykorzystuje dwie skręcone pary miedzianych drutów. Po przyłożeniu napięcia pomiędzy drutami wytwarza się pole elektromagnetyczne, które służy do pomiaru impedancji żywicy. Druty są powlekane z polimerem izolacyjnym, który nie wpływa na pole elektryczne, ale zapobiega zwarciu włókna węglowego.
Oczywiście koszt również stanowi problem. Com&Sens twierdzi, że średni koszt na punkt pomiarowy FBG wynosi 50–125 euro, który może spaść do około 25–35 euro w przypadku stosowania w partiach (np. na 100 000 zbiorników ciśnieniowych).(To jest tylko ułamek obecnej i przewidywanej zdolności produkcyjnej kompozytowych zbiorników ciśnieniowych, zob. artykuł CW z 2021 r. na temat wodoru). Karapapas z Meggitt twierdzi, że otrzymał oferty na światłowodowych z czujnikami FBG, średnio 250 GBP za czujnik (≈300 EUR za czujnik), wartość interrogatora wynosi około 10 000 GBP (12 000 EUR). Testowany przez nas liniowy czujnik dielektryczny przypominał raczej drut powlekany, który można kupić w sklepie półce” – dodał. „Przesłuchujący, którego używamy” – dodaje Alex Skordos, czytelnik (starszy pracownik naukowy) w Composites Process Science na Uniwersytecie Cranfield, „to impedancja analizator, który jest bardzo dokładny i kosztuje co najmniej 30 000 funtów [≈ 36 000 euro], jednak NCC korzysta ze znacznie prostszego interrogatora, który zasadniczo składa się z gotowych modułów komercyjnej firmy Advise Deta [Bedford, Wielka Brytania]”. Synthesites podaje cenę 1190 euro za czujniki in-mold i 20 euro za czujniki jednorazowego użytku/części. W EUR Optiflow kosztuje 3900 EUR, a Optiflow 7200 EUR, przy rosnących rabatach w przypadku wielu analizatorów. Ceny te obejmują oprogramowanie Optiview i wszelkie niezbędnego wsparcia, powiedział Pantelelis, dodając, że producenci łopat wiatrowych oszczędzają 1,5 godziny na cykl, dodają łopaty na linię miesięcznie i zmniejszają zużycie energii poprzez 20 procent, a zwrot z inwestycji wynosi tylko cztery miesiące.
Firmy korzystające z czujników zyskają przewagę w miarę ewolucji cyfrowej produkcji kompozytów 4.0. Na przykład, mówi Grégoire Beauduin, dyrektor ds. rozwoju biznesu w Com&Sens: „Ponieważ producenci zbiorników ciśnieniowych starają się zmniejszać wagę, zużycie materiałów i koszty, mogą wykorzystać nasze czujniki do uzasadnienia swoje projekty i monitorować produkcję, gdy do 2030 r. osiągną wymagany poziom. Te same czujniki, które służą do oceny poziomu naprężeń w warstwach podczas nawijania i utwardzania włókien, mogą również monitorować integralność zbiornika podczas tysięcy cykli tankowania, przewidywać wymaganej konserwacji i ponownej certyfikacji na koniec projektowego okresu użytkowania. Możemy. Dla każdego wyprodukowanego kompozytowego zbiornika ciśnieniowego udostępniana jest pula danych cyfrowych bliźniaków, a rozwiązanie jest również opracowywane dla satelitów.
Umożliwienie cyfrowych bliźniaków i wątków Com&Sens współpracuje z producentem kompozytów, aby wykorzystać jego czujniki światłowodowe do umożliwienia cyfrowego przepływu danych przez projektowanie, produkcję i serwis (po prawej) w celu obsługi cyfrowych kart identyfikacyjnych obsługujących cyfrowego bliźniaka każdej wykonanej części (po lewej). Źródło obrazu: Com&Sens i rysunek 1, „Engineering with Digital Threads” autorstwa V. Singha, K. Wilcoxa.
W ten sposób dane z czujników wspierają cyfrowego bliźniaka, a także wątek cyfrowy obejmujący projektowanie, produkcję, operacje serwisowe i starzenie się. Dane te, analizowane przy użyciu sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, są wykorzystywane ponownie do projektowania i przetwarzania, poprawiając wydajność i zrównoważony rozwój.To zmieniło także sposób współpracy łańcuchów dostaw. Na przykład producent klejów Kiilto (Tampere, Finlandia) wykorzystuje czujniki Collo, aby pomóc swoim klientom kontrolować proporcje składników A, B itp. w swoich urządzeniach do mieszania klejów wieloskładnikowych.” Kiilto można teraz dostosować składu klejów dla klientów indywidualnych” – mówi Järveläinen – „ale pozwala także firmie Kiilto zrozumieć, w jaki sposób żywice oddziałują na procesy realizowane przez klientów oraz jak klienci wchodzą w interakcję ze swoimi produktami, co zmienia sposób realizacji dostaw. Łańcuchy mogą ze sobą współpracować.”
OPTO-Light wykorzystuje czujniki Kistler, Netzsch i Synthesites do monitorowania utwardzania termoplastycznych części z żywicy epoksydowej formowanych natryskowo z CFRP. Źródło zdjęcia: AZL
Czujniki obsługują również nowe, innowacyjne kombinacje materiałów i procesów. Opisane w artykule CW z 2019 r. na temat projektu OPTO-Light (patrz „Termoplastyczne termoutwardzalne termoutwardzacze, cykl 2-minutowy, jedna bateria”), AZL Aachen (Aachen, Niemcy) wykorzystuje dwuetapowy proces poziomego prasowania pojedynczego prepregu z włókna węglowego/epoksydu To (UD), a następnie formowanie za pomocą 30% krótkiego włókna szklanego wzmocnionego PA6. Kluczem jest jedynie częściowe utwardzenie prepregu, tak aby pozostała reaktywność w żywicy epoksydowej mogła umożliwić połączenie z tworzywem termoplastycznym. AZL wykorzystuje analizatory Optimold i Netzsch DEA288 Epsilon z czujnikami dielektrycznymi Synthesites i Netzsch oraz czujnikami Kistler in-mold i oprogramowaniem DataFlow do zoptymalizować formowanie wtryskowe.” Musisz dogłębnie zrozumieć proces formowania tłocznego prepregów, ponieważ musisz upewnić się, że rozumiesz stan utwardzenia aby uzyskać dobre połączenie z metodą obtrysku tworzywem termoplastycznym” – wyjaśnia inżynier badawczy AZL Richard Schares. „W przyszłości proces może mieć charakter adaptacyjny. Inteligentna rotacja procesu jest wyzwalana przez sygnały z czujników”.
Istnieje jednak zasadniczy problem, mówi Järveläinen, „a mianowicie brak zrozumienia ze strony klientów, w jaki sposób integrować te różne czujniki w swoich procesach. Większość firm nie ma ekspertów od czujników”. Obecnie dalszy rozwój wymaga od producentów czujników i klientów wymiany informacji tam i z powrotem. Organizacje takie jak AZL, DLR (Augsburg, Niemcy) i NCC rozwijają wiedzę specjalistyczną w zakresie wielu czujników. Sauuse powiedział, że w ramach UNA istnieją grupy, a także spółki wydzielone firm oferujących integrację czujników i usługi cyfrowych bliźniaków. Dodał, że sieć produkcyjna AI w Augsburgu wynajęła w tym celu obiekt o powierzchni 7 000 metrów kwadratowych, „rozszerzając plan rozwoju CosiMo o bardzo szeroki zakres, obejmujący połączone komórki automatyki, w których partnerzy przemysłowi mogą umieszczać maszyny, prowadzić projekty i uczyć się, jak integrować nowe rozwiązania AI.”
Carapappas powiedział, że demonstracja czujnika dielektrycznego firmy Meggitt w NCC była dopiero pierwszym krokiem w tym kierunku. „Docelowo chcę monitorować moje procesy i przepływy pracy oraz wprowadzać je do naszego systemu ERP, aby wiedzieć z wyprzedzeniem, które komponenty wyprodukować i jakich ludzi zatrudnić. potrzebne i jakie materiały zamówić. Rozwija się automatyzacja cyfrowa.”
Witamy w internetowym SourceBooku, który odpowiada corocznemu, drukowanemu wydaniu Przewodnika dla nabywców branży kompozytów SourceBook.
Spirit AeroSystems wdraża inteligentny projekt Airbusa w środkowym kadłubie i przednich dźwigarach A350 w Kingston w Karolinie Północnej
Czas publikacji: 20 maja 2022 r
