Im Streben nach Nachhaltigkeit reduzieren Sensoren Zykluszeiten, Energieverbrauch und Abfall, automatisieren die Prozesssteuerung im geschlossenen Regelkreis und erweitern das Wissen, wodurch neue Möglichkeiten für intelligente Fertigung und Strukturen eröffnet werden.#Sensoren #Nachhaltigkeit #SHM
Sensoren links (von oben nach unten): Wärmefluss (TFX), In-Mold-Dielektrika (Lambient), Ultraschall (Universität Augsburg), Einweg-Dielektrika (Synthesites) und zwischen Pennys und Thermoelementen Microwire (AvPro). Diagramme (oben, im Uhrzeigersinn): Collo-Dielektrizitätskonstante (CP) vs. Collo-Ionenviskosität (CIV), Harzwiderstand vs. Zeit (Synthesites) und digitales Modell von Caprolactam-implantierten Vorformen unter Verwendung elektromagnetische Sensoren (CosiMo-Projekt, DLR ZLP, Universität Augsburg).
Während sich die globale Industrie weiterhin von der COVID-19-Pandemie erholt, hat sie sich dazu verlagert, der Nachhaltigkeit Priorität einzuräumen, was eine Reduzierung des Abfalls und des Ressourcenverbrauchs (wie Energie, Wasser und Materialien) erfordert. Infolgedessen muss die Fertigung effizienter und intelligenter werden .Aber dafür sind Informationen erforderlich.Woher kommen diese Daten bei Verbundwerkstoffen?
Wie in der Artikelserie 2020 Composites 4.0 von CW beschrieben, ist die Definition der zur Verbesserung der Teilequalität und -produktion erforderlichen Messungen sowie der zur Erreichung dieser Messungen erforderlichen Sensoren der erste Schritt in der intelligenten Fertigung. In den Jahren 2020 und 2021 berichtete CW über Sensoren – Dielektrikum Sensoren, Wärmeflusssensoren, faseroptische Sensoren und berührungslose Sensoren mit Ultraschall und elektromagnetischen Wellen – sowie Projekte, die ihre Fähigkeiten demonstrieren (siehe CWs Online-Sensorinhaltssatz).Dieser Artikel baut auf diesem Bericht auf und diskutiert die in Verbundwerkstoffen verwendeten Sensoren, ihre versprochenen Vorteile und Herausforderungen sowie die in der Entwicklung befindliche Technologielandschaft. Insbesondere Unternehmen, die sich zu führenden Unternehmen in der Verbundwerkstoffindustrie entwickeln, erforschen und navigieren bereits in diesem Bereich.
Sensornetzwerk in CosiMo Ein Netzwerk aus 74 Sensoren – davon 57 Ultraschallsensoren, die an der Universität Augsburg entwickelt wurden (rechts dargestellt, hellblaue Punkte in der oberen und unteren Formhälfte) – werden für den Deckeldemonstrator für das T-RTM verwendet Formen CosiMo-Projekt für thermoplastische Verbundbatterien. Bildnachweis: CosiMo-Projekt, DLR ZLP Augsburg, Universität Augsburg
Ziel Nr. 1: Geld sparen. Der CW-Blog vom Dezember 2021 mit dem Titel „Maßgeschneiderte Ultraschallsensoren für die Optimierung und Steuerung von Verbundwerkstoffen“ beschreibt die Arbeit an der Universität Augsburg (UNA, Augsburg, Deutschland) zur Entwicklung eines Netzwerks von 74 Sensoren für den CosiMo Projekt zur Herstellung eines Demonstrators für die Batterieabdeckung eines Elektrofahrzeugs (Verbundwerkstoffe im intelligenten Transportwesen). Das Teil wird mittels Thermoplast-Harz-Spritzpressen (T-RTM) hergestellt, bei dem Caprolactam-Monomer in situ zu einem Polyamid polymerisiert wird 6 (PA6) zusammengesetzt. Markus Sause, Professor an der UNA und Leiter des UNA-Produktionsnetzwerks für künstliche Intelligenz (KI) in Augsburg, erklärt, warum Sensoren so wichtig sind: „Der größte Vorteil, den wir bieten, ist die Visualisierung dessen, was in der Black Box passiert während der Bearbeitung. Derzeit verfügen die meisten Hersteller nur über begrenzte Systeme, um dies zu erreichen. Beispielsweise nutzen sie sehr einfache oder spezielle Sensoren, wenn sie große Teile für die Luft- und Raumfahrt mittels Harzinfusion herstellen. Wenn der Aufgussvorgang schiefgeht, entsteht im Grunde ein großes Stück Abfall. Aber wenn Sie eine Lösung haben, um zu verstehen, was im Produktionsprozess schief gelaufen ist und warum, können Sie das Problem beheben und korrigieren, was Ihnen viel Geld spart.“
Thermoelemente sind ein Beispiel für einen „einfachen oder spezifischen Sensor“, der seit Jahrzehnten zur Überwachung der Temperatur von Verbundlaminaten während der Aushärtung im Autoklaven oder Ofen verwendet wird. Sie werden sogar zur Steuerung der Temperatur in Öfen oder Heizdecken zum Aushärten von Reparaturflicken aus Verbundwerkstoffen verwendet thermische Bonder. Harzhersteller verwenden im Labor eine Vielzahl von Sensoren, um Änderungen der Harzviskosität über Zeit und Temperatur zu überwachen und Aushärtungsformulierungen zu entwickeln. Was jedoch entsteht, ist ein Sensornetzwerk, das den Herstellungsprozess visualisieren und steuern kann situ basierend auf mehreren Parametern (z. B. Temperatur und Druck) und dem Zustand des Materials (z. B. Viskosität, Aggregation, Kristallisation).
Beispielsweise verwendet der für das CosiMo-Projekt entwickelte Ultraschallsensor dieselben Prinzipien wie die Ultraschallprüfung, die zum Hauptbestandteil der zerstörungsfreien Prüfung (NDI) fertiger Verbundteile geworden ist.Petros Karapapas, Chefingenieur bei Meggitt (Loughborough, Großbritannien), sagte: „Unser Ziel ist es, den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Postproduktionsprüfung zukünftiger Komponenten auf dem Weg zur digitalen Fertigung zu minimieren.“ Zusammenarbeit mit dem Materials Centre (NCC, Bristol, UK) zur Demonstration der Überwachung eines EP 2400-Rings von Solvay (Alpharetta, GA, USA) während der RTM unter Verwendung eines linearen dielektrischen Sensors, der an der Cranfield University (Cranfield, UK) entwickelt wurde. Fluss und Aushärtung von Oxyresin für a 1,3 m lange, 0,8 m breite und 0,4 m tiefe Verbundschale für den Wärmetauscher eines Verkehrsflugzeugtriebwerks. „Als wir überlegten, wie wir größere Baugruppen mit höherer Produktivität herstellen können, haben wir „Wir konnten es uns nicht leisten, alle herkömmlichen Nachbearbeitungsinspektionen und -tests an jedem Teil durchzuführen“, sagte Karapapas. „Derzeit fertigen wir Testplatten neben diesen RTM-Teilen und führen dann mechanische Tests durch, um den Aushärtungszyklus zu validieren. Aber mit diesem Sensor ist das nicht nötig.“
Die Collo Probe wird in das Farbmischgefäß (grüner Kreis oben) eingetaucht, um zu erkennen, wann das Mischen abgeschlossen ist, was Zeit und Energie spart. Bildnachweis: ColloidTek Oy
„Unser Ziel ist es nicht, ein weiteres Laborgerät zu sein, sondern uns auf Produktionssysteme zu konzentrieren“, sagt Matti Järveläinen, CEO und Gründer von ColloidTek Oy (Kolo, Tampere, Finnland). Der CW-Blog „Fingerprint Liquids for Composites“ vom Januar 2022 untersucht Collos Kombination aus elektromagnetischen Feldsensoren (EMF), Signalverarbeitung und Datenanalyse zur Messung des „Fingerabdrucks“ von Flüssigkeiten wie Monomeren, Harzen oder Klebstoffen. „Was wir anbieten, ist ein „Neue Technologie, die direktes Feedback in Echtzeit liefert, sodass Sie besser verstehen können, wie Ihr Prozess tatsächlich funktioniert, und reagieren können, wenn etwas schief geht“, sagt Järveläinen. „Unsere Sensoren wandeln Echtzeitdaten in verständliche und umsetzbare physikalische Größen um, beispielsweise rheologische Viskosität, die eine Prozessoptimierung ermöglichen. Sie können beispielsweise die Mischzeiten verkürzen, da Sie deutlich erkennen können, wann der Mischvorgang abgeschlossen ist. Daher können Sie im Vergleich zu einer weniger optimierten Verarbeitung die Produktivität steigern, Energie sparen und den Ausschuss reduzieren.“
Ziel Nr. 2: Prozesswissen und Visualisierung verbessern. Für Prozesse wie die Aggregation sagt Järveläinen: „Man sieht nicht viele Informationen nur aus einer Momentaufnahme. Sie nehmen einfach eine Probe, gehen ins Labor und sehen sich an, wie es vor Minuten oder Stunden war. Es ist, als würde man jede Stunde auf der Autobahn fahren. Öffnen Sie für eine Minute die Augen und versuchen Sie vorherzusagen, wohin die Straße führt.“ Sause stimmt zu und stellt fest, dass das in CosiMo entwickelte Sensornetzwerk „uns hilft, ein vollständiges Bild des Prozesses und des Materialverhaltens zu erhalten.“ Wir können lokale Auswirkungen im Prozess erkennen, als Reaktion auf Schwankungen in der Teiledicke oder integrierten Materialien wie dem Schaumkern. Wir versuchen, Informationen darüber bereitzustellen, was tatsächlich in der Form passiert. Dadurch können wir verschiedene Informationen wie die Form der Strömungsfront, die Ankunft jedes Teilzeitpunkts und den Aggregationsgrad an jedem Sensorstandort ermitteln.“
Collo arbeitet mit Herstellern von Epoxidklebstoffen, Farben und sogar Bier zusammen, um Prozessprofile für jede produzierte Charge zu erstellen. Jetzt kann jeder Hersteller die Dynamik seines Prozesses einsehen und optimiertere Parameter einstellen, mit Warnmeldungen, um einzugreifen, wenn Chargen außerhalb der Spezifikation liegen. Das hilft stabilisieren und die Qualität verbessern.
Video der Fließfront in einem CosiMo-Teil (Einspritzeingang ist der weiße Punkt in der Mitte) als Funktion der Zeit, basierend auf Messdaten eines In-Mold-Sensornetzwerks. Bildnachweis: CosiMo-Projekt, DLR ZLP Augsburg, Universität Augsburg
„Ich möchte wissen, was während der Teileherstellung passiert, und nicht die Schachtel öffnen und sehen, was danach passiert“, sagt Karapapas von Meggitt. „Die Produkte, die wir mit den dielektrischen Sensoren von Cranfield entwickelt haben, ermöglichten es uns, den Prozess vor Ort zu sehen, und wir waren auch in der Lage um die Aushärtung des Harzes zu überprüfen.“ Durch die Verwendung aller unten beschriebenen Sensortypen (keine vollständige Liste, sondern nur eine kleine Auswahl von Lieferanten) können die Aushärtung/Polymerisation und der Harzfluss überwacht werden. Einige Sensoren verfügen über zusätzliche Funktionen, und kombinierte Sensortypen können die Verfolgungs- und Visualisierungsmöglichkeiten erweitern Dies wurde während der CosiMo demonstriert, bei der Ultraschall-, dielektrische und piezoresistive In-Mode-Sensoren für Temperatur- und Druckmessungen von Kistler (Winterthur, Schweiz) zum Einsatz kamen.
Ziel Nr. 3: Zykluszeit verkürzen. Collo-Sensoren können die Gleichmäßigkeit von zweikomponentigem schnell aushärtendem Epoxidharz messen, wenn die Teile A und B während des RTM gemischt und eingespritzt werden, und zwar an jeder Stelle in der Form, an der solche Sensoren platziert sind. Dies könnte dazu beitragen, dies zu ermöglichen schneller aushärtende Harze für Anwendungen wie Urban Air Mobility (UAM), die im Vergleich zu aktuellen Einkomponenten-Epoxidharzen wie RTM6 schnellere Aushärtungszyklen ermöglichen würden.
Collo-Sensoren können auch das Entgasen, Einspritzen und Aushärten von Epoxidharz sowie den Abschluss jedes Prozesses überwachen und visualisieren. Das Abschließen der Aushärtung und anderer Prozesse auf der Grundlage des tatsächlichen Zustands des zu verarbeitenden Materials (im Gegensatz zu herkömmlichen Zeit- und Temperaturrezepten) wird als Materialzustandsmanagement bezeichnet (MSM).Unternehmen wie AvPro (Norman, Oklahoma, USA) verfolgen seit Jahrzehnten MSM, um Änderungen in Teilmaterialien und Prozessen zu verfolgen, während sie spezifische Ziele für Glasübergangstemperatur (Tg), Viskosität, Polymerisation und/oder verfolgen Kristallisation. Beispielsweise wurde mithilfe eines Netzwerks von Sensoren und digitaler Analyse in CosiMo die Mindestzeit bestimmt, die zum Aufheizen der RTM-Presse und -Form erforderlich ist, und es wurde festgestellt, dass 96 % der maximalen Polymerisation in 4,5 Minuten erreicht wurden.
Anbieter von dielektrischen Sensoren wie Lambient Technologies (Cambridge, MA, USA), Netzsch (Selb, Deutschland) und Synthesites (Uccle, Belgien) haben ebenfalls ihre Fähigkeit unter Beweis gestellt, Zykluszeiten zu verkürzen. Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt von Synthesites mit dem Verbundwerkstoffhersteller Hutchinson (Paris, Frankreich). ) und Bombardier Belfast (jetzt Spirit AeroSystems (Belfast, Irland)) berichten, dass dies auf Echtzeitmessungen des Harzwiderstands und der Temperatur mithilfe seiner Optimold-Datenerfassungseinheit und der Optiview-Software basiert wandelt sich in geschätzte Viskosität und Tg um. „Hersteller können die Tg in Echtzeit sehen und so entscheiden, wann sie den Aushärtungszyklus stoppen“, erklärt Nikos Pantelelis, Direktor von Synthesites. „Sie müssen nicht warten, bis ein Verschleppungszyklus abgeschlossen ist.“ das ist länger als nötig. Beispielsweise ist der herkömmliche Zyklus für RTM6 eine zweistündige vollständige Aushärtung bei 180 °C. Wir haben gesehen, dass dieser Zeitraum in einigen Geometrien auf 70 Minuten verkürzt werden kann. Dies wurde auch im INNOTOOL 4.0-Projekt demonstriert (siehe „Beschleunigung von RTM mit Wärmeflusssensoren“), wo der Einsatz eines Wärmeflusssensors den RTM6-Aushärtungszyklus von 120 Minuten auf 90 Minuten verkürzte.
Ziel Nr. 4: Regelung adaptiver Prozesse. Für das CosiMo-Projekt besteht das ultimative Ziel darin, die Regelung während der Produktion von Verbundwerkstoffteilen zu automatisieren. Dies ist auch das Ziel der Projekte ZAero und iComposite 4.0, über die CW in berichtet 2020 (Kostenreduzierung um 30–50 %). Beachten Sie, dass es sich hierbei um unterschiedliche Prozesse handelt – automatisierte Platzierung von Prepreg-Band (ZAero) und Faserspray-Vorformung im Vergleich zum Hochdruck-T-RTM in CosiMo für RTM mit schnell aushärtendem Epoxidharz (iComposite 4.0). Bei all diesen Projekten werden Sensoren mit digitalen Modellen und Algorithmen verwendet, um den Prozess zu simulieren und das Ergebnis des fertigen Teils vorherzusagen.
Prozesskontrolle könne man sich als eine Reihe von Schritten vorstellen, erklärte Sause. Der erste Schritt sei die Integration von Sensoren und Prozessgeräten, sagte er, „um zu visualisieren, was in der Blackbox vor sich geht und welche Parameter verwendet werden sollen.“ Die anderen Schritte, vielleicht die Hälfte der Regelung, bestehen darin, den Stopp-Knopf zu drücken, um einzugreifen, den Prozess zu optimieren und Ausschussteile zu verhindern. Als letzten Schritt kann man einen digitalen Zwilling entwickeln, der automatisiert werden kann, aber auch Investitionen in Methoden des maschinellen Lernens erfordert.“ In CosiMo können Sensoren mit dieser Investition Daten in den digitalen Zwilling einspeisen. Die Kantenanalyse (am Rand der Produktionslinie durchgeführte Berechnungen im Vergleich zu Berechnungen aus einem zentralen Datenspeicher) wird dann verwendet, um die Dynamik der Fließfront und den Faservolumengehalt pro Textilvorform vorherzusagen und mögliche trockene Stellen. „Idealerweise können Sie Einstellungen festlegen, um eine Regelung und Abstimmung des Prozesses zu ermöglichen“, sagte Sause. „Dazu gehören Parameter wie Einspritzdruck, Formdruck und Temperatur. Sie können diese Informationen auch nutzen, um Ihr Material zu optimieren.“
Dabei nutzen Unternehmen Sensoren, um Prozesse zu automatisieren. Beispielsweise arbeitet Synthesites mit seinen Kunden daran, Sensoren in Geräte zu integrieren, um den Harzeinlass zu schließen, wenn die Infusion abgeschlossen ist, oder die Heißpresse einzuschalten, wenn die Zielaushärtung erreicht ist.
Järveläinen weist darauf hin, dass man, um zu bestimmen, welcher Sensor für den jeweiligen Anwendungsfall am besten geeignet ist, „verstehen muss, welche Veränderungen im Material und im Prozess man überwachen möchte, und dann muss man über einen Analysator verfügen.“ Ein Analysegerät erfasst die von einem Abfragegerät oder einer Datenerfassungseinheit gesammelten Daten. „Wir sehen tatsächlich viele Unternehmen, die Sensoren integrieren, aber dann machen sie nichts mit den Daten“, sagte Sause. Was benötigt wird, erklärte er, sei „ein System“. der Datenerfassung sowie einer Datenspeicherarchitektur, um die Daten verarbeiten zu können.“
„Endbenutzer möchten nicht nur Rohdaten sehen“, sagt Järveläinen. „Sie möchten wissen: ‚Ist der Prozess optimiert?‘“ Wann kann der nächste Schritt erfolgen? „Dazu müssen Sie mehrere Sensoren kombinieren zur Analyse und nutzen Sie dann maschinelles Lernen, um den Prozess zu beschleunigen.“ Dieser vom Collo- und CosiMo-Team verwendete Ansatz der Kantenanalyse und des maschinellen Lernens kann durch Viskositätskarten, numerische Modelle der Harzfließfront und Visualisierung der Fähigkeit zur letztendlichen Steuerung von Prozessparametern und Maschinen erreicht werden.
Optimold ist ein von Synthesites für seine dielektrischen Sensoren entwickeltes Analysegerät. Gesteuert von der Optiview-Software von Synthesites nutzt die Optimold-Einheit Temperatur- und Harzwiderstandsmessungen, um Echtzeitdiagramme zu berechnen und anzuzeigen, um den Harzstatus einschließlich Mischungsverhältnis, chemische Alterung, Viskosität und Tg zu überwachen und Grad der Aushärtung. Es kann in Prepreg- und Flüssigkeitsformungsprozessen verwendet werden. Eine separate Einheit Optiflow wird zur Durchflussüberwachung verwendet. Synthesites hat außerdem einen Aushärtungssimulator entwickelt, der keine Aushärtung erfordert In dieser Analyseeinheit werden stattdessen ein Temperatursensor und Harz-/Prepreg-Proben verwendet. „Wir verwenden diese hochmoderne Methode zur Infusion und Klebstoffaushärtung für die Produktion von Rotorblättern für Windkraftanlagen“, sagte Nikos Pantelelis, Direktor von Synthesites.
Die Prozesssteuerungssysteme von Synthesites integrieren Sensoren, Optiflow- und/oder Optimold-Datenerfassungseinheiten sowie die Software OptiView und/oder Online Resin Status (ORS). Bildnachweis: Synthesites, herausgegeben von The CW
Aus diesem Grund haben die meisten Sensorlieferanten ihre eigenen Analysegeräte entwickelt, von denen einige maschinelles Lernen nutzen, andere nicht. Hersteller von Verbundwerkstoffen können jedoch auch ihre eigenen kundenspezifischen Systeme entwickeln oder handelsübliche Instrumente kaufen und sie an spezifische Anforderungen anpassen. Die Fähigkeit des Analysegeräts ist jedoch vorhanden Es ist nur ein Faktor zu berücksichtigen. Es gibt noch viele andere.
Auch der Kontakt ist ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl des zu verwendenden Sensors. Der Sensor muss möglicherweise in Kontakt mit dem Material, dem Abfragegerät oder beiden sein. Beispielsweise können Wärmefluss- und Ultraschallsensoren in einem Abstand von 1–20 mm in eine RTM-Form eingesetzt werden Die Oberfläche – eine genaue Überwachung erfordert keinen Kontakt mit dem Material in der Form. Ultraschallsensoren können je nach verwendeter Frequenz auch Teile in unterschiedlichen Tiefen abfragen. Elektromagnetische Sensoren von Collo können auch die Tiefe von Flüssigkeiten oder Teilen ablesen – je nach Bedarf 2–10 cm auf der Häufigkeit der Befragung – und durch nichtmetallische Behälter oder Werkzeuge, die mit dem Harz in Kontakt kommen.
Allerdings sind magnetische Mikrodrähte (siehe „Berührungslose Überwachung von Temperatur und Druck in Verbundwerkstoffen“) derzeit die einzigen Sensoren, die Verbundwerkstoffe in einer Entfernung von 10 cm abfragen können. Dies liegt daran, dass sie elektromagnetische Induktion nutzen, um eine Reaktion des Sensors auszulösen ist in das Verbundmaterial eingebettet. Der in die Klebeschicht eingebettete ThermoPulse-Mikrodrahtsensor von AvPro wurde durch ein 25 mm dickes Kohlefaserlaminat abgefragt, um die Temperatur während des Klebevorgangs zu messen Die Mikrodrähte haben einen haarigen Durchmesser von 3–70 Mikrometern und haben keinen Einfluss auf die Leistung des Verbundwerkstoffs oder der Verbindungslinie. Bei etwas größeren Durchmessern von 100–200 Mikrometern können auch faseroptische Sensoren eingebettet werden, ohne dass sich die strukturellen Eigenschaften verschlechtern. Allerdings nutzen sie Licht dazu Für die Messung müssen faseroptische Sensoren über eine Kabelverbindung zum Abfragegerät verfügen. Da dielektrische Sensoren Spannung zur Messung der Harzeigenschaften verwenden, müssen sie ebenfalls an ein Abfragegerät angeschlossen werden, und die meisten müssen dies auch tun mit dem Harz, das sie überwachen, in Kontakt kommen.
Der Collo Probe-Sensor (oben) kann in Flüssigkeiten eingetaucht werden, während die Collo Plate (unten) in der Wand eines Behälters/Mischgefäßes oder einer Prozessrohrleitung/Zufuhrleitung installiert wird. Bildnachweis: ColloidTek Oy
Die Temperaturbeständigkeit des Sensors ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Beispielsweise arbeiten die meisten handelsüblichen Ultraschallsensoren normalerweise bei Temperaturen von bis zu 150 °C, Teile aus CosiMo müssen jedoch bei Temperaturen über 200 °C geformt werden. Daher UNA musste einen Ultraschallsensor mit dieser Fähigkeit entwickeln. Die dielektrischen Einwegsensoren von Lambient können auf Teileoberflächen bis zu 350 °C verwendet werden, und die wiederverwendbaren In-Mold-Sensoren können bis zu 350 °C verwendet werden 250°C.RVmagnetics (Kosice, Slowakei) hat seinen Mikrodrahtsensor für Verbundwerkstoffe entwickelt, der einer Aushärtung bei 500°C standhält.Während die Collo-Sensortechnologie selbst keine theoretische Temperaturbegrenzung hat, ist die Abschirmung aus gehärtetem Glas für die Collo-Platte und die neuen Laut Järveläinen wurden die Gehäuse aus Polyetheretherketon (PEEK) für die Collo Probe beide auf Dauerbetrieb bei 150 °C getestet. PhotonFirst (Alkmaar, Niederlande) nutzte eine Polyimidbeschichtung, um seinem faseroptischen Sensor für das SuCoHS-Projekt eine Betriebstemperatur von 350 °C zu verleihen und so einen nachhaltigen und kostengünstigen Hochtemperatur-Verbundwerkstoff zu schaffen.
Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor, insbesondere bei der Installation, ist, ob der Sensor an einem einzelnen Punkt misst oder ein linearer Sensor mit mehreren Erfassungspunkten ist. Die faseroptischen Sensoren von Com&Sens (Eke, Belgien) können beispielsweise bis zu 100 Meter lang sein und eine höhere Leistung aufweisen Bis zu 40 Faser-Bragg-Gitter-Sensorpunkte (FBG) mit einem Mindestabstand von 1 cm. Diese Sensoren wurden für die strukturelle Gesundheitsüberwachung (SHM) von 66 Meter langen Verbundbrücken und die Überwachung des Harzflusses während der Infusion von verwendet Große Brückendecks. Die Installation einzelner Punktsensoren für ein solches Projekt würde eine große Anzahl von Sensoren und viel Installationszeit erfordern. NCC und die Cranfield University behaupten ähnliche Vorteile für ihre linearen dielektrischen Sensoren. Im Vergleich zu den von Lambient angebotenen dielektrischen Einzelpunktsensoren Netzsch und Synthesites: „Mit unserem Linearsensor können wir den Harzfluss kontinuierlich entlang der Länge überwachen, was die Anzahl der im Teil oder Werkzeug erforderlichen Sensoren erheblich reduziert.“
AFP NLR für faseroptische Sensoren Eine spezielle Einheit ist in den 8. Kanal des Coriolis-AFP-Kopfes integriert, um vier faseroptische Sensorarrays in einer Hochtemperatur-Testplatte aus kohlenstofffaserverstärktem Verbundwerkstoff zu platzieren. Bildnachweis: SuCoHS Project, NLR
Lineare Sensoren helfen auch bei der Automatisierung von Installationen. Im SuCoHS-Projekt entwickelte Royal NLR (Dutch Aerospace Centre, Marknesse) eine spezielle Einheit, die in den 8. Kanal integriert ist. Automated Fiber Placement (AFP) Leiter von Coriolis Composites (Queven, Frankreich) zum Einbetten von vier Arrays ( separate Glasfaserleitungen), jeweils mit 5 bis 6 FBG-Sensoren (PhotonFirst bietet insgesamt 23 Sensoren), in Kohlefaser-Testpanels. RVmagnetics hat platzierte seine Mikrodrahtsensoren in pultrudierten GFK-Bewehrungsstäben. „Die Drähte sind diskontinuierlich [1–4 cm lang für die meisten Verbundwerkstoff-Mikrodrähte], werden aber automatisch kontinuierlich platziert, wenn der Bewehrungsstab hergestellt wird“, sagte Ratislav Varga, Mitbegründer von RVmagnetics. „Sie haben einen Mikrodraht mit einem 1 km langen Mikrodraht. Wir können Filamente in Spulen wickeln und der Bewehrungsstahlproduktionsanlage zuführen, ohne die Art und Weise zu verändern, wie der Bewehrungsstab hergestellt wird.“ Unterdessen arbeitet Com&Sens an einer automatisierten Technologie zur Einbettung faseroptischer Sensoren während des Filamentwickelprozesses in Druckbehältern.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, kann Kohlefaser Probleme mit dielektrischen Sensoren verursachen. Dielektrische Sensoren verwenden zwei nahe beieinander angeordnete Elektroden. „Wenn die Fasern die Elektroden überbrücken, schließen sie den Sensor kurz“, erklärt Lambient-Gründer Huan Lee. Verwenden Sie in diesem Fall einen Filter. „Der Filter lässt das Harz durch die Sensoren passieren, isoliert sie jedoch von der Kohlefaser.“ Der von der Cranfield University und NCC entwickelte lineare dielektrische Sensor verwendet einen anderen Ansatz, der zwei verdrillte Kupferdrahtpaare umfasst. Wenn eine Spannung angelegt wird, wird zwischen den Drähten ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das zur Messung der Harzimpedanz verwendet wird. Die Drähte sind beschichtet mit einem isolierenden Polymer, das das elektrische Feld nicht beeinflusst, aber einen Kurzschluss der Kohlefaser verhindert.
Natürlich sind auch die Kosten ein Problem. Com&Sens gibt an, dass die durchschnittlichen Kosten pro FBG-Messpunkt 50–125 Euro betragen und bei der Verwendung in Chargen (z. B. für 100.000 Druckbehälter) auf etwa 25–35 Euro sinken können (nur ein Bruchteil der aktuellen und geplanten Produktionskapazität von Verbunddruckbehältern, siehe CW-Artikel 2021 über Wasserstoff.) Karapapas von Meggitt sagt, er habe Angebote für Fasern erhalten Optische Leitungen mit FBG-Sensoren kosten durchschnittlich 250 £/Sensor (ca. 300 €/Sensor), der Abfragesender ist rund 10.000 £ (12.000 €) wert. „Der lineare dielektrische Sensor, den wir getestet haben, ähnelte eher einem beschichteten Draht, den man von der Stange kaufen kann „Der Vernehmer, den wir verwenden“, fügt Alex Skordos, Dozent (leitender Forscher) für Composites Process Science an der Cranfield University, hinzu, „ist ein Impedanzanalysator sehr genau und kostet mindestens 30.000 £ [≈ 36.000 €], aber das NCC verwendet ein viel einfacheres Abfragegerät, das im Wesentlichen aus Standardmodulen des kommerziellen Unternehmens Advise Deta [Bedford, Großbritannien] besteht.“ Synthesites gibt 1.190 € für In-Mold-Sensoren und 20 € für Einweg-/Teilesensoren an. In EUR wird Optiflow mit 3.900 € und Optimold mit 7.200 € notiert, mit steigenden Rabatten für mehrere Analyseeinheiten. Diese Preise beinhalten Optiview-Software und alle anderen Pantelelis sagte, dass dies die notwendige Unterstützung sei, und fügte hinzu, dass die Hersteller von Rotorblättern 1,5 Stunden pro Zyklus einsparen, Rotorblätter pro Linie und Monat hinzufügen und den Energieverbrauch um 20 reduzieren könnten Prozent, bei einer Kapitalrendite von nur vier Monaten.
Unternehmen, die Sensoren verwenden, werden einen Vorteil erlangen, wenn sich die digitale Fertigung von Verbundwerkstoffen 4.0 weiterentwickelt. Grégoire Beauduin, Direktor für Geschäftsentwicklung bei Com&Sens, sagt beispielsweise: „Während Druckbehälterhersteller versuchen, Gewicht, Materialverbrauch und Kosten zu reduzieren, können sie unsere Sensoren zur Rechtfertigung nutzen.“ Sie entwerfen ihre Entwürfe und überwachen die Produktion, wenn sie bis 2030 die erforderlichen Werte erreichen. Dieselben Sensoren, die zur Beurteilung der Spannungsniveaus innerhalb der Schichten während des Filamentwickelns und Aushärtens verwendet werden, können auch die Tankintegrität während Tausender Betankungszyklen überwachen und den Bedarf vorhersagen Wartung und Rezertifizierung am Ende der Designlebensdauer. Wir können für jeden produzierten Verbunddruckbehälter einen digitalen Zwillingsdatenpool bereitstellen und die Lösung wird auch für Satelliten entwickelt.“
Ermöglichung digitaler Zwillinge und Threads Com&Sens arbeitet mit einem Verbundwerkstoffhersteller zusammen, um mithilfe seiner Glasfasersensoren den digitalen Datenfluss durch Design, Produktion und Service (rechts) zu ermöglichen und digitale ID-Karten zu unterstützen, die den digitalen Zwilling jedes hergestellten Teils (links) unterstützen. Bildnachweis: Com&Sens und Abbildung 1, „Engineering with Digital Threads“ von V. Singh, K. Wilcox.
Somit unterstützen Sensordaten den digitalen Zwilling sowie den digitalen Thread, der Design, Produktion, Servicebetrieb und Obsoleszenz umfasst. Bei der Analyse mithilfe künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen fließen diese Daten in Design und Verarbeitung ein und verbessern so Leistung und Nachhaltigkeit. Dies hat auch die Art und Weise verändert, wie Lieferketten zusammenarbeiten. Beispielsweise verwendet der Klebstoffhersteller Kiilto (Tampere, Finnland) Collo-Sensoren, um seinen Kunden dabei zu helfen, das Verhältnis der Komponenten A, B usw. in ihren Mehrkomponenten-Klebstoffmischanlagen zu kontrollieren.“ kann nun anpassen „Es ermöglicht Kiilto aber auch zu verstehen, wie Harze in den Prozessen der Kunden interagieren und wie Kunden mit ihren Produkten interagieren, was die Art und Weise der Lieferung verändert.“ Ketten können zusammenarbeiten.“
OPTO-Light verwendet Sensoren von Kistler, Netzsch und Synthesites, um die Aushärtung von thermoplastisch umspritzten Epoxid-CFK-Teilen zu überwachen. Bildnachweis: AZL
Sensoren unterstützen auch innovative neue Material- und Prozesskombinationen. Wie im CW-Artikel 2019 zum OPTO-Light-Projekt beschrieben (siehe „Thermoplastische Overmolding-Duroplaste, 2-Minuten-Zyklus, eine Batterie“), verwendet AZL Aachen (Aachen, Deutschland) einen zweistufigen Prozess Verfahren zum horizontalen Komprimieren eines einzelnen To (UD)-Kohlefaser-/Epoxidharz-Prepregs, anschließendes Umspritzen mit 30 % kurzglasfaserverstärktem PA6. Der Schlüssel besteht darin, das nur teilweise auszuhärten Prepreg, damit die verbleibende Reaktivität im Epoxidharz eine Verbindung mit dem Thermoplasten ermöglichen kann. AZL verwendet Optimold und Netzsch DEA288 Epsilon-Analysatoren mit dielektrischen Sensoren von Synthesites und Netzsch sowie In-Mold-Sensoren von Kistler und DataFlow-Software, um das Spritzgießen zu optimieren. „Sie müssen über eine verfügen „Sie benötigen ein tiefes Verständnis des Prepreg-Formpressprozesses, da Sie sicherstellen müssen, dass Sie den Aushärtungszustand verstehen, um eine gute Verbindung zum thermoplastischen Umspritzen zu erreichen“, erklärt AZL-Forschungsingenieur Richard Schares. „In Zukunft könnte der Prozess adaptiv und intelligent sein, die Prozessdrehung wird durch Sensorsignale ausgelöst.“
Es gibt jedoch ein grundlegendes Problem, sagt Järveläinen, „und das ist das mangelnde Verständnis der Kunden darüber, wie sie diese verschiedenen Sensoren in ihre Prozesse integrieren können.“ Die meisten Unternehmen haben keine Sensorexperten.“ Derzeit erfordert der weitere Weg, dass Sensorhersteller und Kunden Informationen austauschen. Organisationen wie AZL, DLR (Augsburg, Deutschland) und NCC entwickeln Multisensor-Expertise. Sause sagte, es gebe Gruppen innerhalb der UNA sowie Spin-offs Unternehmen, die Sensorintegration und digitale Zwillingsdienste anbieten. Er fügte hinzu, dass das Augsburger KI-Produktionsnetzwerk zu diesem Zweck eine 7.000 Quadratmeter große Anlage angemietet hat und „den Entwicklungsplan von CosiMo auf einen sehr breiten Umfang erweitert, einschließlich vernetzte Automatisierungszellen, in denen Industriepartner Maschinen platzieren, Projekte durchführen und lernen können, wie man neue KI-Lösungen integriert.“
Carapappas sagte, dass die Demonstration des dielektrischen Sensors von Meggitt im NCC nur der erste Schritt dazu sei: „Letztendlich möchte ich meine Prozesse und Arbeitsabläufe überwachen und sie in unser ERP-System einspeisen, damit ich im Voraus weiß, welche Komponenten ich herstellen muss, welche Leute ich brauche.“ benötigen und welche Materialien Sie bestellen müssen. Die digitale Automatisierung entwickelt sich.“
Willkommen beim Online-SourceBook, das der jährlichen gedruckten Ausgabe des SourceBook Composites Industry Buyer's Guide von CompositesWorld entspricht.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 20. Mai 2022
