Im Streben nach Nachhaltigkeit reduzieren Sensoren Zykluszeiten, Energieverbrauch und Abfall, automatisieren die Prozesssteuerung und erweitern das Wissen und eröffnen neue Möglichkeiten für intelligente Fertigung und Strukturen. #Sensoren #Nachhaltigkeit #SHM
Sensoren links (von oben nach unten): Wärmefluss (TFX), In-Mold-Dielektrika (Lambient), Ultraschall (Universität Augsburg), Einweg-Dielektrika (Synthesites) und zwischen Pennies und Thermoelementen Microwire (AvPro). Diagramme (oben, im Uhrzeigersinn): Collo-Dielektrizitätskonstante (CP) versus Collo-Ionenviskosität (CIV), Harzresistenz versus Zeit (Synthesites) und digitales Modell von Caprolactam-implantierten Vorformen unter Verwendung elektromagnetischer 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 von Abfall und Ressourcenverbrauch (wie Energie, Wasser und Materialien) erfordert. Infolgedessen muss die Fertigung effizienter und intelligenter werden .Aber dazu sind Informationen erforderlich.Woher kommen diese Daten für Verbundwerkstoffe?
Wie in der Artikelserie 2020 Composites 4.0 von CW beschrieben, ist die Definition der Messungen, die zur Verbesserung der Teilequalität und -produktion erforderlich sind, sowie der Sensoren, die zum Erreichen dieser Messungen erforderlich sind, der erste Schritt in der intelligenten Fertigung. In den Jahren 2020 und 2021 berichtete CW über Sensoren – Dielektrika Sensoren, Wärmeflusssensoren, faseroptische Sensoren und berührungslose Sensoren mit Ultraschall und elektromagnetischen Wellen – sowie Projekte, die ihre Fähigkeiten demonstrieren (siehe CWs Online-Sensor-Content-Set). Dieser Artikel baut auf diesem Bericht auf, indem er die in Verbundwerkstoffen verwendeten Sensoren diskutiert Materialien, ihre versprochenen Vorteile und Herausforderungen und die technologische Landschaft, die sich in der Entwicklung befindet. 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 an der Universität Augsburg entwickelte Ultraschallsensoren (rechts abgebildet, hellblaue Punkte in der oberen und unteren Formhälfte) – kommt beim Lid-Demonstrator für das T-RTM zum Einsatz Gießen von CosiMo-Projekt für thermoplastische Verbundbatterien. Bildnachweis: CosiMo-Projekt, DLR ZLP Augsburg, Universität Augsburg
Ziel Nr. 1: Geld sparen. Der CW-Blog vom Dezember 2021, „Custom Ultrasonic Sensors for Composite Process Optimization and Control“, beschreibt die Arbeit an der Universität Augsburg (UNA, Augsburg, Deutschland) zur Entwicklung eines Netzwerks von 74 Sensoren, die für den CosiMo Projekt zur Herstellung eines Demonstrators für eine EV-Batterieabdeckung (Verbundwerkstoffe im intelligenten Transportwesen). Das Teil wird mittels thermoplastischem Harz-Spritzpressen (T-RTM) hergestellt, bei dem Caprolactam-Monomer in situ zu einem Polyamid 6 (PA6)-Verbundwerkstoff polymerisiert wird. Markus Sause, Professor bei 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 während der Verarbeitung in der Blackbox passiert.Derzeit haben die meisten Hersteller begrenzte Systeme, um dies zu erreichen.Zum Beispiel verwenden sie sehr einfache oder spezifische Sensoren, wenn sie Harzinfusionen verwenden, um große Luft- und Raumfahrtteile herzustellen.Wenn der Infusionsprozess schief geht, haben Sie im Grunde ein großes Stück Schrott.Aber wenn Sie eine Lösung haben, um zu verstehen, was im Produktionsprozess schief gelaufen ist und warum, können Sie es beheben und korrigieren, was Ihnen viel Geld spart.“
Thermoelemente sind ein Beispiel für einen „einfachen oder spezifischen Sensor“, der seit Jahrzehnten verwendet wird, um die Temperatur von Verbundlaminaten während der Autoklaven- oder Ofenhärtung zu überwachen. Sie werden sogar verwendet, um die Temperatur in Öfen oder Heizdecken zu steuern, um Verbundreparaturflicken zu härten Thermobonder. Harzhersteller verwenden eine Vielzahl von Sensoren im Labor, um Änderungen der Harzviskosität im Laufe der Zeit und Temperatur zu überwachen, um Härtungsformulierungen zu entwickeln mehrere Parameter (z. B. Temperatur und Druck) und der Zustand des Materials (z. B. Viskosität, Aggregation, Kristallisation).
Beispielsweise nutzt der für das CosiMo-Projekt entwickelte Ultraschallsensor dieselben Prinzipien wie die Ultraschallprüfung, die zur Hauptstütze der zerstörungsfreien Prüfung (NDI) von fertigen Verbundteilen geworden ist. Petros Karapapas, leitender Ingenieur bei Meggitt (Loughborough, UK), sagte: „Unser Ziel ist es, den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Inspektion zukünftiger Komponenten nach der Produktion auf dem Weg zur digitalen Fertigung zu minimieren.“Materials Centre (NCC, Bristol, UK) Zusammenarbeit zur Demonstration der Überwachung eines EP 2400-Rings von Solvay (Alpharetta, GA, USA) während RTM mit einem linearen dielektrischen Sensor, der an der Cranfield University (Cranfield, UK) entwickelt wurde. Fluss und Aushärtung von Oxyharz für a 1,3 m langes, 0,8 m breites und 0,4 m tiefes Verbundgehäuse für einen Wärmetauscher eines kommerziellen Flugzeugtriebwerks Tests an jedem Teil“, sagte Karapapas. „Im Moment stellen wir Testplatten neben diesen RTM-Teilen her und führen dann mechanische Tests durch, um den Aushärtungszyklus zu validieren.Aber mit diesem Sensor ist das nicht nötig.“
Die Collo-Sonde wird in das Farbmischgefäß eingetaucht (grüner Kreis oben), um zu erkennen, wann das Mischen abgeschlossen ist, was Zeit und Energie spart. Bildnachweis: ColloidTek Oy
„Unser Ziel ist es, kein 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 befasst sich mit Collos Kombination aus Sensoren für elektromagnetische Felder (EMF), Signalverarbeitung und Datenanalyse zur Messung des „Fingerabdrucks“ von Flüssigkeiten wie Monomeren, Harzen oder Klebstoffen. „Was wir anbieten, ist eine neue Technologie, die direktes Feedback in Echtzeit liefert, damit Sie es können besser verstehen, wie Ihr Prozess tatsächlich funktioniert, und reagieren, wenn etwas schief geht“, sagt Järveläinen. „Unsere Sensoren wandeln Echtzeitdaten in verständliche und umsetzbare physikalische Größen wie die rheologische Viskosität um, die eine Prozessoptimierung ermöglichen.Sie können zum Beispiel die Mischzeiten verkürzen, da Sie deutlich sehen können, wann das Mischen abgeschlossen ist.Daher können Sie mit You die Produktivität steigern, Energie sparen und Ausschuss im Vergleich zu einer weniger optimierten Verarbeitung reduzieren.“
Ziel Nr. 2: Verbessern Sie das Prozesswissen und die Visualisierung. Für Prozesse wie Aggregation sagt Järveläinen: „Sie sehen nicht viele Informationen aus nur einer Momentaufnahme.Sie nehmen nur eine Probe und gehen ins Labor und schauen sich an, wie es vor Minuten oder Stunden war.Es ist, als würde man auf der Autobahn fahren, öffne jede Stunde für eine Minute die Augen und versuche vorherzusagen, wohin die Straße führt.“Sause stimmt dem zu und stellt fest, dass das in CosiMo entwickelte Sensornetzwerk „uns hilft, ein vollständiges Bild des Prozesses und des Materialverhaltens zu bekommen.Wir können lokale Effekte im Prozess als Reaktion auf Variationen in der Teildicke oder integrierten Materialien wie Schaumkern sehen.Wir versuchen, Informationen darüber zu liefern, was tatsächlich in der Form passiert.Dadurch können wir verschiedene Informationen wie die Form der Fließfront, die Ankunft jeder Teilzeit 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 anzeigen und optimiertere Parameter festlegen, mit Warnmeldungen, um einzugreifen, wenn Chargen außerhalb der Spezifikation liegen. Dies hilft stabilisieren und 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 Teilefertigung passiert, und nicht die Kiste öffnen und sehen, was danach passiert“, sagt Karapapas von Meggitt um die Aushärtung des Harzes zu überprüfen.“Die Verwendung aller sechs unten beschriebenen Sensortypen (keine vollständige Liste, nur eine kleine Auswahl, auch Lieferanten) kann die Aushärtung/Polymerisation und den Harzfluss überwachen. Einige Sensoren verfügen über zusätzliche Funktionen, und kombinierte Sensortypen können die Verfolgungs- und Visualisierungsmöglichkeiten erweitern beim Composite-Molding. Dies wurde während CosiMo demonstriert, das Ultraschall-, dielektrische und piezoresistive In-Mode-Sensoren für Temperatur- und Druckmessungen von Kistler (Winterthur, Schweiz) verwendete.
Ziel Nr. 3: Reduzierung der Zykluszeit. Collo-Sensoren können die Gleichmäßigkeit von schnell aushärtendem Zweikomponenten-Epoxid messen, wenn die Teile A und B während des RTM gemischt und eingespritzt werden, und 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 einteiligen Epoxiden wie RTM6 schnellere Aushärtungszyklen bieten würden.
Collo-Sensoren können auch das Entgasen, Einspritzen und Aushärten von Epoxid sowie den Abschluss jedes Prozesses überwachen und visualisieren. Das Beenden des Aushärtens 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 MSM seit Jahrzehnten, um Änderungen in Teilematerialien und -prozessen zu verfolgen, da sie spezifische Ziele für die Glasübergangstemperatur (Tg), die Viskosität, die Polymerisation und/oder verfolgen Kristallisation. Zum Beispiel wurden ein Netzwerk von Sensoren und eine digitale Analyse in CosiMo verwendet, um die Mindestzeit zu bestimmen, 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 dielektrischer 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 F&E-Projekt von Synthesites mit dem Verbundstoffhersteller Hutchinson (Paris, Frankreich). ) und Bombardier Belfast (jetzt Spirit AeroSystems (Belfast, Irland)) berichten, dass basierend auf Echtzeitmessungen des Harzwiderstands und der Temperatur durch seine Optimold-Datenerfassungseinheit und die Optiview-Software in geschätzte Viskosität und Tg umgewandelt werden. „Hersteller können die Tg sehen in Echtzeit, sodass sie entscheiden können, wann sie den Aushärtungszyklus stoppen“, erklärt Nikos Pantelelis, Direktor von Synthesites. „Sie müssen nicht warten, bis ein Verschleppungszyklus abgeschlossen ist, der länger als nötig ist.Beispielsweise ist der traditionelle Zyklus für RTM6 eine 2-stündige vollständige Aushärtung bei 180 °C.Wir haben gesehen, dass dies in einigen Geometrien auf 70 Minuten verkürzt werden kann.Dies wurde auch im Projekt INNOTOOL 4.0 demonstriert (siehe „Beschleunigung von RTM mit Wärmeflusssensoren“), wo der Einsatz eines Wärmeflusssensors den RTM6-Härtungszyklus von 120 Minuten auf 90 Minuten verkürzte.
Ziel Nr. 4: Regelung adaptiver Prozesse. Für das CosiMo-Projekt ist das ultimative Ziel, die Regelung während der Produktion von Verbundbauteilen zu automatisieren. Dies ist auch das Ziel der von CW in berichteten Projekte ZAero und iComposite 4.0 2020 (Kostenreduzierung um 30-50 %). Beachten Sie, dass diese unterschiedliche Prozesse beinhalten – automatisiertes Anbringen von Prepreg-Tape (ZAero) und Fasersprühvorformung im Vergleich zu Hochdruck-T-RTM in CosiMo für RTM mit schnell aushärtendem Epoxid (iComposite 4.0). Alle dieser Projekte verwenden Sensoren mit digitalen Modellen und Algorithmen, um den Prozess zu simulieren und das Ergebnis des fertigen Teils vorherzusagen.
Die Prozesssteuerung kann als eine Reihe von Schritten betrachtet werden, erklärte Sause. Der erste Schritt besteht darin, Sensoren und Prozessausrüstung zu integrieren, sagte er, „um zu visualisieren, was in der Black Box vor sich geht und welche Parameter zu verwenden sind.Die anderen paar Schritte, vielleicht die Hälfte der Closed-Loop-Steuerung, sind die Möglichkeit, die Stopptaste zu drücken, um einzugreifen, den Prozess abzustimmen 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 ermöglicht diese Investition Sensoren, Daten in den digitalen Zwilling einzuspeisen. Die Kantenanalyse (Berechnungen, die am Rand der Produktionslinie durchgeführt werden, im Vergleich zu Berechnungen aus einem zentralen Datenspeicher) wird dann verwendet, um die Fließfrontdynamik und den Faservolumengehalt pro Textilvorformling vorherzusagen und potenzielle trockene Stellen. „Idealerweise können Sie Einstellungen vornehmen, um eine geschlossene Regelkreissteuerung und Abstimmung im Prozess zu ermöglichen“, sagte Sause. „Dazu gehören Parameter wie Einspritzdruck, Formdruck und Temperatur.Sie können diese Informationen auch verwenden, um Ihr Material zu optimieren.“
Dabei verwenden Unternehmen Sensoren, um Prozesse zu automatisieren. Beispielsweise arbeitet Synthesites mit seinen Kunden zusammen, um Sensoren mit Geräten zu integrieren, um den Harzeinlass zu schließen, wenn die Infusion abgeschlossen ist, oder die Heizpresse einzuschalten, wenn die Zielaushärtung erreicht ist.
Järveläinen merkt an, dass man, um zu bestimmen, welcher Sensor für jeden Anwendungsfall am besten geeignet ist, „verstehen muss, welche Änderungen im Material und Prozess man überwachen möchte, und dann braucht man ein Analysegerät.“Ein Analysator erfasst die von einem Abfragegerät oder einer Datenerfassungseinheit erfassten Daten.Rohdaten und wandeln sie in für den Hersteller nutzbare Informationen um. „Es gibt tatsächlich viele Unternehmen, die Sensoren integrieren, aber dann machen sie nichts mit den Daten“, sagte Sause. Was benötigt wird, erklärte er, ist „ein System der Datenerfassung sowie eine Datenspeicherarchitektur, um die Daten verarbeiten zu können.“
„Endbenutzer wollen nicht nur Rohdaten sehen“, sagt Järveläinen. „Sie wollen wissen: ‚Ist der Prozess optimiert?'“ Wann kann der nächste Schritt unternommen werden?“ Dazu müssen mehrere Sensoren kombiniert werden zur Analyse und verwenden Sie dann maschinelles Lernen, um den Prozess zu beschleunigen.“Dieser Ansatz der Kantenanalyse und des maschinellen Lernens, der vom Collo- und CosiMo-Team verwendet wird, kann durch Viskositätskarten, numerische Modelle der Harzfließfront und die Fähigkeit zur letztendlichen Steuerung von Prozessparametern und Maschinen visualisiert werden.
Optimold ist ein Analysegerät, das von Synthesites für seine dielektrischen Sensoren entwickelt wurde. Gesteuert von der Optiview-Software von Synthesites verwendet die Optimold-Einheit Temperatur- und Harzwiderstandsmessungen zur Berechnung und Anzeige von Echtzeitdiagrammen zur Überwachung des Harzstatus, einschließlich Mischungsverhältnis, chemischer Alterung, Viskosität, Tg und Aushärtungsgrad. Es kann in Prepreg- und Liquid-Forming-Prozessen verwendet werden. Zur Durchflussüberwachung wird eine separate Einheit Optiflow verwendet Temperatursensor und Harz-/Prepreg-Proben in dieser Analyseeinheit. „Wir verwenden diese hochmoderne Methode zur Infusions- 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 und die Software OptiView und/oder Online Resin Status (ORS). Bildnachweis: Synthesites, herausgegeben von The CW
Daher haben die meisten Sensorlieferanten ihre eigenen Analysatoren entwickelt, einige nutzen maschinelles Lernen, andere nicht. Aber Hersteller von Verbundwerkstoffen können auch ihre eigenen kundenspezifischen Systeme entwickeln oder handelsübliche Instrumente kaufen und sie an spezifische Anforderungen anpassen. Die Analysatorfähigkeit ist es jedoch nur ein Faktor zu berücksichtigen. Es gibt viele andere.
Der Kontakt ist auch ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl des zu verwendenden Sensors. Der Sensor muss möglicherweise mit dem Material, dem Interrogator oder beiden in Kontakt sein. Beispielsweise können Wärmefluss- und Ultraschallsensoren 1–20 mm entfernt in eine RTM-Form eingesetzt werden der Oberfläche – für eine genaue Überwachung ist kein Kontakt mit dem Material in der Form erforderlich. Ultraschallsensoren können je nach verwendeter Frequenz auch Teile in unterschiedlichen Tiefen abfragen. Elektromagnetische Sensoren von Collo können auch die Tiefe von Flüssigkeiten oder Teilen messen – je nach 2-10 cm von der Häufigkeit der Verhöre – und durch nichtmetallische Behälter oder Werkzeuge, die mit dem Harz in Kontakt kommen.
Magnetische Mikrodrähte (siehe „Berührungslose Überwachung von Temperatur und Druck im Inneren von Verbundwerkstoffen“) sind derzeit jedoch die einzigen Sensoren, die Verbundwerkstoffe in einer Entfernung von 10 cm abfragen können. Dies liegt daran, dass sie elektromagnetische Induktion verwenden, um dem Sensor eine Antwort zu entlocken, die ist in das Verbundmaterial eingebettet. Der ThermoPulse-Mikrodrahtsensor von AvPro, der in die Klebeverbindungsschicht eingebettet ist, wurde durch ein 25 mm dickes Kohlefaserlaminat hindurch abgefragt, um die Temperatur während des Verbindungsprozesses zu messen. Da die Mikrodrähte einen haarigen Durchmesser von 3–70 Mikron haben, Sie haben keinen Einfluss auf die Leistung von Verbundwerkstoffen oder Klebelinien. Bei etwas größeren Durchmessern von 100-200 Mikrometern können faseroptische Sensoren auch eingebettet werden, ohne die strukturellen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Da sie jedoch Licht zum Messen verwenden, müssen faseroptische Sensoren eine Kabelverbindung zum haben Abfragegerät. Da dielektrische Sensoren Spannung verwenden, um Harzeigenschaften zu messen, müssen sie ebenfalls an ein Abfragegerät angeschlossen werdenDie meisten müssen auch in Kontakt mit dem Harz sein, das sie überwachen.
Der Sensor Collo Probe (oben) kann in Flüssigkeiten eingetaucht werden, während die Collo Plate (unten) in der Wand eines Behälters/Mischbehälters oder einer Prozessrohrleitung/Zufuhrleitung installiert wird. Bildnachweis: ColloidTek Oy
Die Temperaturfähigkeit des Sensors ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Beispielsweise arbeiten die meisten handelsüblichen Ultraschallsensoren typischerweise bei Temperaturen bis zu 150 °C, aber Teile in CosiMo müssen 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 seine wiederverwendbaren In-Mold-Sensoren können bis zu 250 °C verwendet werden. RV Magnetics (Kosice, Slowakei) hat entwickelt sein Mikrodrahtsensor für Verbundwerkstoffe, der einer Aushärtung bei 500 °C standhalten kann. Während die Collo-Sensortechnologie selbst keine theoretische Temperaturgrenze hat, werden sowohl die gehärtete Glasabschirmung für die Collo-Platte als auch das neue Gehäuse aus Polyetheretherketon (PEEK) für die Collo-Sonde getestet für Dauerbetrieb bei 150 °C, laut Järveläinen. In der Zwischenzeit verwendete PhotonFirst (Alkmaar, Niederlande) eine Polyimidbeschichtung, um eine Betriebstemperatur von 350 °C für seinen faseroptischen Sensor für das SuCoHS-Projekt bereitzustellenect, für einen nachhaltigen und kostengünstigen Hochtemperaturverbundwerkstoff.
Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor, insbesondere bei der Installation, ist, ob der Sensor an einem einzelnen Punkt misst oder ein linearer Sensor mit mehreren Messpunkten ist. Beispielsweise können faseroptische Sensoren von Com&Sens (Eke, Belgien) bis zu 100 Meter lang sein und mehr Funktionen aufweisen bis 40 Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Sensorpunkte mit einem Mindestabstand von 1 cm. Diese Sensoren wurden für die Zustandsüberwachung (SHM) von 66 Meter langen Verbundbrücken und die Überwachung des Harzflusses während der Infusion großer Brückendecks verwendet. Installation Einzelne Punktsensoren für ein solches Projekt würden eine große Anzahl von Sensoren und viel Installationszeit erfordern. NCC und die Cranfield University beanspruchen ähnliche Vorteile für ihre linearen dielektrischen Sensoren. Im Vergleich zu dielektrischen Einzelpunktsensoren, die von Lambient, Netzsch und Synthesites angeboten werden, „ Mit unserem linearen Sensor 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-Kopfs integriert, um vier faseroptische Sensorarrays in einer kohlefaserverstärkten Verbundtestplatte für hohe Temperaturen zu platzieren. Bildnachweis: SuCoHS Project, NLR
Lineare Sensoren helfen auch bei der Automatisierung von Installationen.Im SuCoHS-Projekt hat Royal NLR (Dutch Aerospace Centre, Marknesse) eine spezielle Einheit entwickelt, die in den 8th Channel Automated Fiber Placement (AFP)-Kopf von Coriolis Composites (Queven, Frankreich) integriert ist, um vier Arrays einzubetten ( separate Glasfaserleitungen), jeder mit 5 bis 6 FBG-Sensoren (PhotonFirst bietet insgesamt 23 Sensoren an), in Kohlefaser-Testpanels 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.Spulen von Filamenten und speisen sie in die Bewehrungsstahl-Produktionsanlage ein, ohne die Art und Weise zu ändern, wie der Bewehrungsstab hergestellt wird.“Unterdessen arbeitet Com&Sens an einer automatisierten Technologie, um faseroptische Sensoren während des Filamentwickelprozesses in Druckbehälter einzubetten.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, Elektrizität zu leiten, können Kohlenstofffasern 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 an den Sensoren vorbei, isoliert sie aber von der Kohlefaser.“Der von der Cranfield University und NCC entwickelte lineare dielektrische Sensor verwendet einen anderen Ansatz, einschließlich zwei verdrillter Kupferdrahtpaare. Wenn eine Spannung angelegt wird, entsteht zwischen den Drähten ein elektromagnetisches Feld, 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 spielen auch die Kosten eine Rolle. Com&Sens gibt an, dass die durchschnittlichen Kosten pro FBG-Messpunkt 50-125 Euro betragen, was bei Verwendung in Chargen (z. B. für 100.000 Druckbehälter) auf etwa 25-35 Euro sinken kann nur ein Bruchteil der aktuellen und geplanten Produktionskapazität von Druckbehältern aus Verbundwerkstoffen, siehe Artikel von CW aus dem Jahr 2021 über Wasserstoff.) Karapapas von Meggitt sagt, er habe Angebote für Glasfaserleitungen mit FBG-Sensoren im Wert von durchschnittlich 250 £/Sensor (≈300 €/Sensor) erhalten, der Interrogator ist etwa 10.000 £ (12.000 €) wert. „Der lineare dielektrische Sensor, den wir getestet haben, war eher wie ein beschichteter Draht, den man von der Stange kaufen kann“, fügte er hinzu. „Der Interrogator, den wir verwenden“, fügt Alex Skordos, Leser ( Senior Researcher) in Composites Process Science an der Cranfield University, „ist ein Impedanzanalysator, der sehr genau ist und mindestens 30.000 £ [≈ 36.000 €] kostet, aber das NCC verwendet einen viel einfacheren Interrogator, der im Grunde aus handelsüblichen besteht Module des kommerziellen Unternehmens Advise Deta [Bedford, UK].“Synthesites bietet 1.190 € für In-Mold-Sensoren und 20 € für Einweg-/Teilsensoren an. In EUR werden Optiflow mit 3.900 € und Optimold mit 7.200 € notiert, mit steigenden Rabatten für mehrere Analyseeinheiten. Diese Preise beinhalten Optiview-Software und alle anderen notwendige Unterstützung, sagte Pantelelis und fügte hinzu, dass Hersteller von Rotorblättern 1,5 Stunden pro Zyklus einsparen, Blätter pro Linie und Monat hinzufügen und den Energieverbrauch um 20 Prozent senken, 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, Director of Business Development bei Com&Sens, sagt beispielsweise: „Wenn Hersteller von Druckbehältern versuchen, Gewicht, Materialverbrauch und Kosten zu reduzieren, können sie unsere Sensoren verwenden, um dies zu rechtfertigen ihre Konstruktionen und überwachen die Produktion, wenn sie die erforderlichen Werte bis 2030 erreichen. Dieselben Sensoren, die zur Bewertung der Belastungsniveaus innerhalb der Schichten während des Filamentwickelns und Aushärtens verwendet werden, können auch die Tankintegrität während Tausender von Betankungszyklen überwachen, die erforderliche Wartung vorhersagen und am Ende der Konstruktion erneut zertifizieren Leben.Wir können für jeden produzierten Composite-Druckbehälter einen digitalen Zwillings-Datenpool bereitstellen, und die Lösung wird auch für Satelliten entwickelt.“
Ermöglichung digitaler Zwillinge und Threads Com&Sens arbeitet mit einem Hersteller von Verbundwerkstoffen zusammen, um seine faseroptischen Sensoren zu verwenden, um den digitalen Datenfluss durch Design, Produktion und Service (rechts) zu ermöglichen, um 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 Faden, der sich über Design, Produktion, Servicebetrieb und Veralterung erstreckt. Wenn sie mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen analysiert werden, fließen diese Daten in Design und Verarbeitung ein und verbessern Leistung und Nachhaltigkeit. Dies hat auch die Art und Weise verändert, wie Lieferketten zusammenarbeiten. Beispielsweise verwendet der Klebstoffhersteller Kiilto (Tampere, Finnland) Sensoren von Collo, um seinen Kunden dabei zu helfen, das Verhältnis der Komponenten A, B usw. in ihren Mischanlagen für Mehrkomponentenklebstoffe zu kontrollieren.“ Kiilto kann jetzt die Zusammensetzung seiner Klebstoffe für einzelne Kunden anpassen“, sagt Järveläinen, „aber es ermöglicht Kiilto 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.Beschrieben im Artikel von CW aus dem Jahr 2019 über das OPTO-Light-Projekt (siehe „Thermoplastisches Umspritzen von Duroplasten, 2-Minuten-Zyklus, eine Batterie“) verwendet das AZL Aachen (Aachen, Deutschland) einen zweistufigen Verfahren zum horizontalen Komprimieren eines einzelnen To (UD)-Kohlefaser/Epoxid-Prepregs, das dann mit 30 % kurzglasfaserverstärktem PA6 umspritzt wird. Der Schlüssel liegt darin, das Prepreg nur teilweise auszuhärten, damit die verbleibende Reaktivität im Epoxid eine Verbindung mit dem Thermoplast ermöglichen kann .AZL verwendet Optimold und Netzsch DEA288 Epsilon Analysatoren mit Synthesites und Netzsch dielektrischen Sensoren und Kistler In-Mold-Sensoren und DataFlow-Software, um das Spritzgießen zu optimieren den Aushärtungszustand zu verstehen, um eine gute Anbindung an die thermoplastische Umspritzung zu erreichen“, erklärt AZL-Forschungsingenieur Richard Schares.„Künftig kann der Prozess adaptiv und intelligent sein, die Prozessrotation wird durch Sensorsignale ausgelöst.“
Es gibt jedoch ein grundlegendes Problem, sagt Järveläinen, „und das ist das mangelnde Verständnis der Kunden, wie sie diese verschiedenen Sensoren in ihre Prozesse integrieren können.Die meisten Unternehmen haben keine Sensorexperten.“Derzeit erfordert der Weg nach vorne, dass Sensorhersteller und Kunden Informationen hin und her 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 Dienstleistungen für digitale Zwillinge anbieten. Er fügte hinzu, dass das Augsburger KI-Produktionsnetzwerk zu diesem Zweck eine 7.000 Quadratmeter große Anlage gemietet habe, „um den Entwicklungsplan von CosiMo auf ein sehr breites Spektrum zu erweitern, einschließlich vernetzter Automatisierungszellen, in denen Industriepartner kann Maschinen platzieren, Projekte durchführen und lernen, wie man neue KI-Lösungen integriert.“
Carapappas sagte, dass die Vorführung des dielektrischen Sensors von Meggitt im NCC nur der erste Schritt dazu war benötigen und welche Materialien bestellt werden müssen.Die digitale Automatisierung entwickelt sich.“
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Postzeit: 20. Mai 2022
