Nel perseguimento della sostenibilità, i sensori stanno riducendo i tempi di ciclo, il consumo energetico e gli sprechi, automatizzando il controllo dei processi a circuito chiuso e aumentando la conoscenza, aprendo nuove possibilità per la produzione e le strutture intelligenti.#sensori #sostenibilità #SHM
Sensori a sinistra (dall'alto in basso): flusso di calore (TFX), dielettrici in-mold (Lambient), ultrasuoni (Università di Augusta), dielettrici usa e getta (Synthesites) e tra penny e termocoppie Microwire (AvPro). Grafici (in alto, in senso orario): costante dielettrica del collo (CP) rispetto alla viscosità colloionica (CIV), resistenza della resina rispetto al tempo (Synthesites) e modello digitale di preforme impiantate con caprolattame utilizzando sensori elettromagnetici (progetto CosiMo, DLR ZLP, Università di Augusta).
Mentre l’industria globale continua ad emergere dalla pandemia di COVID-19, si è spostata verso la priorità della sostenibilità, che richiede la riduzione degli sprechi e del consumo di risorse (come energia, acqua e materiali). Di conseguenza, la produzione deve diventare più efficiente e più intelligente. .Ma ciò richiede informazioni. Per i compositi, da dove provengono questi dati?
Come descritto nella serie di articoli 2020 Composites 4.0 di CW, definire le misurazioni necessarie per migliorare la qualità e la produzione delle parti e i sensori necessari per ottenere tali misurazioni è il primo passo verso la produzione intelligente. Durante il 2020 e il 2021, CW ha riferito sui sensori: dielettrici sensori, sensori di flusso di calore, sensori in fibra ottica e sensori senza contatto che utilizzano onde ultrasoniche ed elettromagnetiche, nonché progetti che dimostrano le loro capacità (vedere il set di contenuti dei sensori online di CW). Questo articolo si basa su questo rapporto discutendo i sensori utilizzati in materiali compositi materiali, i vantaggi e le sfide promessi e il panorama tecnologico in fase di sviluppo. In particolare, le aziende che stanno emergendo come leader nel settore dei compositi stanno già esplorando e navigando in questo spazio.
Rete di sensori in CosiMo Una rete di 74 sensori – 57 dei quali sono sensori a ultrasuoni sviluppati presso l'Università di Augusta (mostrati a destra, punti azzurri nelle metà superiore e inferiore dello stampo) – viene utilizzata per il dimostratore del coperchio per il T-RTM progetto CosiMo per stampaggio di batterie in composito termoplastico.Credito immagine: progetto CosiMo, DLR ZLP Augsburg, Università di Augsburg
Obiettivo n. 1: risparmiare denaro. Il blog di dicembre 2021 di CW, "Custom Ultrasonic Sensors for Composite Process Optimization and Control", descrive il lavoro presso l'Università di Augusta (UNA, Augusta, Germania) per sviluppare una rete di 74 sensori che per CosiMo progetto per la produzione di un dimostratore di copertura della batteria di veicoli elettrici (materiali compositi nel trasporto intelligente). La parte è fabbricata utilizzando lo stampaggio a trasferimento di resina termoplastica (T-RTM), che polimerizza il monomero di caprolattame in situ in un composito di poliammide 6 (PA6). Markus Sause, professore presso UNA e responsabile della rete di produzione di intelligenza artificiale (AI) di UNA ad Augusta, spiega perché i sensori sono così importanti: “Il vantaggio più grande che offriamo è la visualizzazione di ciò che accade all'interno della scatola nera durante la lavorazione. Attualmente, la maggior parte dei produttori dispone di sistemi limitati per raggiungere questo obiettivo. Ad esempio, utilizzano sensori molto semplici o specifici quando utilizzano l’infusione di resina per realizzare parti aerospaziali di grandi dimensioni. Se il processo di infusione va storto, in pratica avrai un grosso pezzo di scarto. Ma se hai una soluzione per capire cosa è andato storto nel processo di produzione e perché, puoi risolverlo e correggerlo, risparmiando un sacco di soldi”.
Le termocoppie sono un esempio di "sensore semplice o specifico" utilizzato da decenni per monitorare la temperatura dei laminati compositi durante la polimerizzazione in autoclave o in forno. Vengono anche utilizzati per controllare la temperatura nei forni o nelle coperte riscaldanti per polimerizzare le toppe di riparazione del composito utilizzando incollatori termici. I produttori di resina utilizzano una varietà di sensori in laboratorio per monitorare i cambiamenti nella viscosità della resina nel tempo e nella temperatura per sviluppare formulazioni di polimerizzazione. Ciò che sta emergendo, tuttavia, è una rete di sensori in grado di visualizzare e controllare il processo di produzione in situ sulla base di molteplici parametri (ad esempio, temperatura e pressione) e lo stato del materiale (ad esempio, viscosità, aggregazione, cristallizzazione).
Ad esempio, il sensore a ultrasuoni sviluppato per il progetto CosiMo utilizza gli stessi principi dell'ispezione a ultrasuoni, che è diventata il pilastro dei test non distruttivi (NDI) delle parti composite finite. Petros Karapapas, ingegnere principale presso Meggitt (Loughborough, Regno Unito), ha dichiarato: “Il nostro obiettivo è ridurre al minimo il tempo e la manodopera necessari per l’ispezione post-produzione dei componenti futuri mentre ci muoviamo verso la produzione digitale”. Collaborazione con il Materials Center (NCC, Bristol, UK) per dimostrare il monitoraggio di un anello EP 2400 di Solvay (Alpharetta, GA, USA) durante l'RTM utilizzando un sensore dielettrico lineare sviluppato presso l'Università di Cranfield (Cranfield, UK) Flusso e indurimento dell'ossiresina per un Guscio composito lungo 1,3 m, largo 0,8 m e profondo 0,4 m per uno scambiatore di calore per motore di aereo commerciale. test su ogni parte", ha affermato Karapapas. "In questo momento, realizziamo pannelli di prova accanto a queste parti RTM e quindi eseguiamo test meccanici per convalidare il ciclo di polimerizzazione. Ma con questo sensore non è necessario”.
La sonda Collo è immersa nel recipiente di miscelazione della vernice (cerchio verde in alto) per rilevare quando la miscelazione è completa, risparmiando tempo ed energia. Credito immagine: ColloidTek Oy
"Il nostro obiettivo non è quello di essere un altro dispositivo da laboratorio, ma di concentrarci sui sistemi di produzione", afferma Matti Järveläinen, CEO e fondatore di ColloidTek Oy (Kolo, Tampere, Finlandia). Il blog CW di gennaio 2022 "Fingerprint Liquids for Composites" esplora le soluzioni di Collo combinazione di sensori di campo elettromagnetico (EMF), elaborazione del segnale e analisi dei dati per misurare l'"impronta digitale" di qualsiasi liquido come monomeri, resine o adesivi. “Ciò che offriamo è una nuova tecnologia che fornisce un feedback diretto in tempo reale, in modo da poter comprendere meglio come funziona effettivamente il processo e reagire quando le cose vanno male", afferma Järveläinen. "I nostri sensori convertono i dati in tempo reale in quantità fisiche comprensibili e utilizzabili, come la viscosità reologica, che consentono l'ottimizzazione del processo. Ad esempio, puoi ridurre i tempi di miscelazione perché puoi vedere chiaramente quando la miscelazione è completa. Quindi con You puoi aumentare la produttività, risparmiare energia e ridurre gli scarti rispetto a lavorazioni meno ottimizzate.”
Obiettivo n. 2: aumentare la conoscenza e la visualizzazione dei processi. Per processi come l'aggregazione, Järveläinen afferma: “Non si vedono molte informazioni solo da un'istantanea. Stai semplicemente prendendo un campione, vai in laboratorio e guardi com'era qualche minuto o ora fa. È come guidare in autostrada, ogni ora apri gli occhi per un minuto e prova a prevedere dove andrà la strada." Sause è d’accordo, sottolineando che la rete di sensori sviluppata in CosiMo “ci aiuta a ottenere un quadro completo del processo e del comportamento dei materiali. Possiamo vedere effetti locali nel processo, in risposta alle variazioni dello spessore della parte o dei materiali integrati come l'anima in schiuma. Ciò che stiamo cercando di fare è fornire informazioni su ciò che sta realmente accadendo nello stampo. Ciò ci consente di determinare varie informazioni come la forma del fronte del flusso, l’arrivo di ciascun tempo parziale e il grado di aggregazione in ciascuna posizione del sensore”.
Collo collabora con produttori di adesivi epossidici, vernici e persino birra per creare profili di processo per ciascun lotto prodotto. Ora ogni produttore può visualizzare le dinamiche del proprio processo e impostare parametri più ottimizzati, con avvisi per intervenire quando i lotti non rientrano nelle specifiche. Ciò aiuta stabilizzare e migliorare la qualità.
Video del fronte del flusso in una parte CosiMo (l'ingresso dell'iniezione è il punto bianco al centro) in funzione del tempo, basato sui dati di misurazione provenienti da una rete di sensori nello stampo. Credito immagine: progetto CosiMo, DLR ZLP Augsburg, Università di Augusta
"Voglio sapere cosa succede durante la produzione delle parti, non aprire la scatola e vedere cosa succede dopo", afferma Karapapas di Meggitt. "I prodotti che abbiamo sviluppato utilizzando i sensori dielettrici di Cranfield ci hanno permesso di vedere il processo in situ e siamo anche stati in grado per verificare la polimerizzazione della resina.” Utilizzando tutti e sei i tipi di sensori descritti di seguito (un elenco non esaustivo, solo una piccola selezione, anche i fornitori), è possibile monitorare la polimerizzazione/polimerizzazione e il flusso di resina. Alcuni sensori hanno funzionalità aggiuntive e i tipi di sensori combinati possono espandere le possibilità di tracciamento e visualizzazione durante lo stampaggio di compositi. Ciò è stato dimostrato durante CosiMo, che ha utilizzato sensori in-mode a ultrasuoni, dielettrici e piezoresistivi per misurazioni di temperatura e pressione di Kistler (Winterthur, Svizzera).
Obiettivo n. 3: ridurre il tempo di ciclo. I sensori Collo possono misurare l'uniformità della resina epossidica bicomponente a indurimento rapido mentre le parti A e B vengono miscelate e iniettate durante l'RTM e in ogni punto dello stampo in cui sono posizionati tali sensori. Ciò potrebbe aiutare a consentire resine a polimerizzazione più rapida per applicazioni come Urban Air Mobility (UAM), che fornirebbero cicli di polimerizzazione più rapidi rispetto agli attuali epossidici monocomponenti come RTM6.
I sensori Collo possono anche monitorare e visualizzare la resina epossidica in fase di degasaggio, iniezione e polimerizzazione, nonché il completamento di ciascun processo. La polimerizzazione di finitura e altri processi basati sullo stato effettivo del materiale in lavorazione (rispetto alle tradizionali ricette di tempo e temperatura) sono chiamati gestione dello stato del materiale (MSM). Aziende come AvPro (Norman, Oklahoma, USA) seguono da decenni l'MSM per monitorare i cambiamenti nei materiali e nei processi delle parti mentre persegue obiettivi specifici per la temperatura di transizione vetrosa (Tg), la viscosità, la polimerizzazione e/o cristallizzazione. Ad esempio, una rete di sensori e analisi digitale in CosiMo sono stati utilizzati per determinare il tempo minimo richiesto per riscaldare la pressa e lo stampo RTM e hanno scoperto che il 96% della polimerizzazione massima è stata raggiunta in 4,5 minuti.
Anche i fornitori di sensori dielettrici come Lambient Technologies (Cambridge, MA, USA), Netzsch (Selb, Germania) e Synthesites (Uccle, Belgio) hanno dimostrato la loro capacità di ridurre i tempi di ciclo. Progetto di ricerca e sviluppo di Synthesites con i produttori di compositi Hutchinson (Parigi, Francia ) e Bombardier Belfast (ora Spirit AeroSystems (Belfast, Irlanda)) riferiscono che, sulla base di misurazioni in tempo reale della resistenza e della temperatura della resina, attraverso la sua unità di acquisizione dati Optimold e il software Optiview converte in viscosità stimata e Tg. "I produttori possono vedere la Tg in tempo reale, in modo che possano decidere quando interrompere il ciclo di polimerizzazione", spiega Nikos Pantelelis, direttore di Synthesites. "Non devono aspettare per completare un ciclo di riporto più lungo del necessario. Ad esempio, il ciclo tradizionale per RTM6 prevede una polimerizzazione completa di 2 ore a 180°C. Abbiamo visto che questo può essere ridotto a 70 minuti in alcune geometrie. Ciò è stato dimostrato anche nel progetto INNOTOOL 4.0 (vedi “Accelerazione dell’RTM con sensori di flusso di calore”), dove l’uso di un sensore di flusso di calore ha accorciato il ciclo di polimerizzazione RTM6 da 120 minuti a 90 minuti.
Obiettivo n. 4: controllo a circuito chiuso dei processi adattivi. Per il progetto CosiMo, l'obiettivo finale è automatizzare il controllo a circuito chiuso durante la produzione di parti composite. Questo è anche l'obiettivo dei progetti ZAero e iComposite 4.0 riportati da CW in 2020 (riduzione dei costi del 30-50%). Si noti che questi comportano processi diversi: posizionamento automatizzato del nastro prepreg (ZAero) e preformatura a spruzzo di fibre rispetto al T-RTM ad alta pressione in CosiMo per RTM con resina epossidica a polimerizzazione rapida (iComposite 4.0).Tutto di questi progetti utilizzano sensori con modelli digitali e algoritmi per simulare il processo e prevedere il risultato del pezzo finito.
Il controllo del processo può essere pensato come una serie di passaggi, ha spiegato Sause. Il primo passo è integrare sensori e apparecchiature di processo, ha affermato, “per visualizzare cosa sta succedendo nella scatola nera e i parametri da utilizzare. Gli altri pochi passaggi, forse la metà del controllo a circuito chiuso, consistono nel poter premere il pulsante di arresto per intervenire, mettere a punto il processo e prevenire le parti scartate. Come passaggio finale, è possibile sviluppare un gemello digitale, che può essere automatizzato, ma richiede anche investimenti in metodi di apprendimento automatico”. In CosiMo, questo investimento consente ai sensori di inserire dati nel gemello digitale, l'analisi Edge (calcoli eseguiti ai margini della linea di produzione rispetto ai calcoli provenienti da un archivio dati centrale) viene quindi utilizzata per prevedere le dinamiche del fronte del flusso, il contenuto di volume delle fibre per preforma tessile e potenziali punti asciutti. "Idealmente, è possibile stabilire impostazioni per abilitare il controllo a circuito chiuso e la messa a punto del processo", ha affermato Sause. "Questi includeranno parametri come la pressione di iniezione, la pressione dello stampo e la temperatura. Puoi anche utilizzare queste informazioni per ottimizzare il tuo materiale.
In tal modo, le aziende utilizzano sensori per automatizzare i processi. Ad esempio, Synthesites sta lavorando con i propri clienti per integrare i sensori con apparecchiature per chiudere l'ingresso della resina quando l'infusione è completa o accendere la pressa a caldo quando viene raggiunta la polimerizzazione target.
Järveläinen osserva che per determinare quale sensore è il migliore per ciascun caso d'uso, "è necessario capire quali cambiamenti nel materiale e nel processo si desidera monitorare, quindi è necessario disporre di un analizzatore". Un analizzatore acquisisce i dati raccolti da un interrogatore o da un'unità di acquisizione dati. dati grezzi e convertirli in informazioni utilizzabili dal produttore. "In realtà si vedono molte aziende che integrano sensori, ma poi non fanno nulla con i dati", ha detto Sause. Ciò che serve, ha spiegato, è "un sistema di acquisizione dei dati, nonché un’architettura di archiviazione dei dati per poter elaborare i dati.”
"Gli utenti finali non vogliono solo vedere i dati grezzi", afferma Järveläinen. "Vogliono sapere: 'Il processo è ottimizzato?'" Quando si potrà fare il passo successivo? "Per fare ciò, è necessario combinare più sensori per l'analisi e quindi utilizzare l'apprendimento automatico per accelerare il processo." Questo approccio di analisi dei bordi e apprendimento automatico utilizzato dal team di Collo e CosiMo può essere ottenuto attraverso mappe di viscosità, modelli numerici del fronte del flusso della resina e viene visualizzata la capacità di controllare in definitiva i parametri di processo e i macchinari.
Optimold è un analizzatore sviluppato da Synthesites per i suoi sensori dielettrici. Controllata dal software Optiview di Synthesites, l'unità Optimold utilizza misurazioni di temperatura e resistenza della resina per calcolare e visualizzare grafici in tempo reale per monitorare lo stato della resina, inclusi rapporto di miscelazione, invecchiamento chimico, viscosità, Tg e grado di polimerizzazione. Può essere utilizzato nei processi di prepreg e formatura liquida. Un'unità separata Optiflow viene utilizzata per il monitoraggio del flusso. Synthesites ha inoltre sviluppato un simulatore di polimerizzazione che non richiede un sensore di polimerizzazione nello stampo o nella parte, ma utilizza invece un sensore di temperatura e campioni di resina/prepreg in questa unità di analisi. "Stiamo utilizzando questo metodo all'avanguardia per l'infusione e la polimerizzazione dell'adesivo per la produzione di pale di turbine eoliche", ha affermato Nikos Pantelelis, direttore di Synthesites.
I sistemi di controllo del processo Synthesites integrano sensori, unità di acquisizione dati Optiflow e/o Optimold e software OptiView e/o Online Resin Status (ORS). Credito immagine: Synthesites, a cura di The CW
Pertanto, la maggior parte dei fornitori di sensori ha sviluppato i propri analizzatori, alcuni utilizzando l'apprendimento automatico e altri no. Ma i produttori di compositi possono anche sviluppare i propri sistemi personalizzati o acquistare strumenti standardizzati e modificarli per soddisfare esigenze specifiche. Tuttavia, la capacità dell'analizzatore è solo un fattore da considerare. Ce ne sono molti altri.
Anche il contatto è una considerazione importante quando si sceglie quale sensore utilizzare. Potrebbe essere necessario che il sensore sia in contatto con il materiale, l'interrogatore o entrambi. Ad esempio, i sensori del flusso di calore e degli ultrasuoni possono essere inseriti in uno stampo RTM da 1 a 20 mm di distanza superficie: il monitoraggio accurato non richiede il contatto con il materiale nello stampo. I sensori a ultrasuoni possono anche interrogare le parti a diverse profondità a seconda della frequenza utilizzata. I sensori elettromagnetici Collo possono anche leggere la profondità di liquidi o parti - 2-10 cm, a seconda sulla frequenza dell’interrogatorio – e attraverso contenitori o strumenti non metallici a contatto con la resina.
Tuttavia, i microfili magnetici (vedi “Monitoraggio senza contatto della temperatura e della pressione all'interno dei compositi”) sono attualmente gli unici sensori in grado di interrogare i compositi a una distanza di 10 cm. Questo perché utilizza l'induzione elettromagnetica per suscitare una risposta da parte del sensore, che è incorporato nel materiale composito. Il sensore a microfili ThermoPulse di AvPro, incorporato nello strato adesivo, è stato interrogato attraverso un laminato in fibra di carbonio spesso 25 mm per misurare la temperatura durante il processo di incollaggio. Poiché i microfili hanno un diametro peloso di 3-70 micron, non influiscono sulle prestazioni del composito o della linea di giunzione. Con diametri leggermente maggiori di 100-200 micron, i sensori in fibra ottica possono anche essere incorporati senza degradare le proprietà strutturali. Tuttavia, poiché utilizzano la luce per misurare, i sensori in fibra ottica devono avere una connessione cablata al interrogatore. Allo stesso modo, poiché i sensori dielettrici utilizzano la tensione per misurare le proprietà della resina, devono anche essere collegati a un interrogatore e la maggior parte deve anche essere in contatto con la resina che stanno monitorando.
Il sensore Collo Probe (in alto) può essere immerso in liquidi, mentre la Piastra Collo (in basso) è installata nella parete di un recipiente/recipiente di miscelazione o in una tubazione di processo/linea di alimentazione. Credito immagine: ColloidTek Oy
La capacità del sensore in termini di temperatura è un'altra considerazione chiave. Ad esempio, la maggior parte dei sensori a ultrasuoni disponibili sul mercato normalmente funzionano a temperature fino a 150°C, ma le parti in CosiMo devono essere formate a temperature superiori a 200°C. Pertanto, UNA ha dovuto progettare un sensore a ultrasuoni con questa capacità. I sensori dielettrici usa e getta di Lambent possono essere utilizzati sulle superfici delle parti fino a 350°C, e i suoi sensori in-mold riutilizzabili possono essere utilizzati fino a 250°C.RVmagnetics (Kosice, Slovacchia) ha sviluppato il suo sensore a microfilo per materiali compositi che può resistere alla polimerizzazione a 500°C. Sebbene la tecnologia del sensore Collo non abbia limiti teorici di temperatura, lo schermo in vetro temperato per la piastra Collo e il nuovo alloggiamento in polietereterchetone (PEEK) per la sonda Collo sono entrambi testati per servizio continuo a 150°C, secondo Järveläinen. Nel frattempo, PhotonFirst (Alkmaar, Paesi Bassi) ha utilizzato un rivestimento in poliimmide per fornire una temperatura operativa di 350°C per il suo sensore a fibra ottica per il progetto SuCoHS, per un funzionamento sostenibile ed economico efficace composito ad alta temperatura.
Un altro fattore da considerare, soprattutto per l'installazione, è se il sensore misura in un singolo punto o è un sensore lineare con più punti di rilevamento. Ad esempio, i sensori a fibra ottica Com&Sens (Eke, Belgio) possono essere lunghi fino a 100 metri e sono dotati di a 40 punti di rilevamento con reticolo di Bragg (FBG) in fibra con una distanza minima di 1 cm. Questi sensori sono stati utilizzati per il monitoraggio della salute strutturale (SHM) di ponti compositi lunghi 66 metri e il monitoraggio del flusso di resina durante l'infusione di impalcati di ponti di grandi dimensioni. Installazione I sensori puntiformi individuali per un progetto del genere richiederebbero un gran numero di sensori e molto tempo di installazione. NCC e Cranfield University sostengono vantaggi simili per i loro sensori dielettrici lineari. Rispetto ai sensori dielettrici a punto singolo offerti da Lambient, Netzsch e Synthesites, " Con il nostro sensore lineare, possiamo monitorare il flusso di resina in modo continuo lungo la lunghezza, il che riduce significativamente il numero di sensori richiesti nella parte o nello strumento.
NLR AFP per sensori in fibra ottica Un'unità speciale è integrata nell'ottavo canale della testa AFP Coriolis per posizionare quattro array di sensori in fibra ottica in un pannello di test composito rinforzato con fibra di carbonio ad alta temperatura. Credito immagine: SuCoHS Project, NLR
I sensori lineari aiutano anche ad automatizzare le installazioni. Nel progetto SuCoHS, Royal NLR (Centro aerospaziale olandese, Marknesse) ha sviluppato un'unità speciale integrata nell'ottavo canale Automated Fiber Placement (AFP) capo di Coriolis Composites (Queven, Francia) per incorporare quattro array ( linee in fibra ottica separate), ciascuna con da 5 a 6 sensori FBG (PhotonFirst offre un totale di 23 sensori), in pannelli di test in fibra di carbonio. RVmagnetics ha posizionato i suoi sensori a microfili in barre di rinforzo GFRP pultruse. "I fili sono discontinui [1-4 cm lungo per la maggior parte dei microfili compositi], ma vengono posizionati automaticamente in modo continuo quando viene prodotta l'armatura", ha affermato Ratislav Varga, co-fondatore di RVmagnetics. “Hai un microfilo con un microfilo di 1 km. bobine di filamento e alimentarlo nell’impianto di produzione del tondo per cemento armato senza modificare il modo in cui viene prodotto il tondo per cemento armato”. Nel frattempo, Com&Sens sta lavorando su una tecnologia automatizzata per incorporare sensori in fibra ottica durante il processo di avvolgimento del filamento in recipienti a pressione.
A causa della sua capacità di condurre elettricità, la fibra di carbonio può causare problemi con i sensori dielettrici. I sensori dielettrici utilizzano due elettrodi posizionati uno vicino all'altro. "Se le fibre collegano gli elettrodi, cortocircuitano il sensore", spiega il fondatore di Lambient Huan Lee. In questo caso, utilizzare un filtro. "Il filtro lascia passare la resina attraverso i sensori, ma li isola dalla fibra di carbonio." Il sensore dielettrico lineare sviluppato dalla Cranfield University e dalla NCC utilizza un approccio diverso, che include due coppie intrecciate di fili di rame. Quando viene applicata una tensione, viene creato un campo elettromagnetico tra i fili, che viene utilizzato per misurare l'impedenza della resina. I fili sono rivestiti con un polimero isolante che non influenza il campo elettrico, ma impedisce il cortocircuito della fibra di carbonio.
Naturalmente, anche il costo è un problema. Com&Sens afferma che il costo medio per punto di rilevamento FBG è di 50-125 euro, che può scendere a circa 25-35 euro se utilizzato in lotti (ad esempio, per 100.000 recipienti a pressione). solo una frazione della capacità di produzione attuale e prevista di recipienti a pressione compositi, vedere l'articolo di CW del 2021 sull'idrogeno.) Karapapas di Meggitt afferma di aver ricevuto offerte per linee in fibra ottica con sensori FBG in media £ 250/sensore (≈300 €/sensore), l'interrogatore vale circa £ 10.000 (€ 12.000). "Il sensore dielettrico lineare che abbiamo testato era più simile a un filo rivestito che si può acquistare dallo scaffale", ha aggiunto. "L'interrogatore che usiamo", aggiunge Alex Skordos, lettore ( ricercatore senior) in Composites Process Science presso la Cranfield University, "è un analizzatore di impedenza, che è molto accurato e costa almeno £ 30.000 [≈ € 36.000], ma l'NCC utilizza un interrogatore molto più semplice che consiste fondamentalmente di strumenti standardizzati moduli della società commerciale Advise Deta [Bedford, Regno Unito].” Synthesites propone un preventivo di € 1.190 per i sensori in-mold e € 20 per i sensori monouso/pezzo. In EUR, Optiflow è quotato a 3.900 euro e Optimold a 7.200 euro, con sconti crescenti per unità analizzatrici multiple. Questi prezzi includono il software Optiview e qualsiasi necessario, ha affermato Pantelelis, aggiungendo che i produttori di pale eoliche risparmiano 1,5 ore per ciclo, aggiungono pale per linea al mese e riducono il consumo di energia del 20%, con un ritorno sull'investimento di soli quattro mesi.
Le aziende che utilizzano sensori trarranno vantaggio dall'evoluzione della produzione digitale dei compositi 4.0. Ad esempio, afferma Grégoire Beauduin, Direttore dello sviluppo aziendale presso Com&Sens, "Mentre i produttori di recipienti a pressione cercano di ridurre il peso, l'utilizzo dei materiali e i costi, possono utilizzare i nostri sensori per giustificare i loro progetti e monitorare la produzione man mano che raggiungono i livelli richiesti entro il 2030. Gli stessi sensori utilizzati per valutare i livelli di deformazione all'interno degli strati durante l'avvolgimento e l'indurimento dei filamenti possono anche monitorare l'integrità del serbatoio durante migliaia di cicli di rifornimento, prevedere la manutenzione richiesta e ricertificare alla fine della progettazione vita. Possiamo Per ogni recipiente a pressione in materiale composito prodotto viene fornito un pool di dati digital twin e la soluzione è in fase di sviluppo anche per i satelliti”.
Abilitazione di gemelli e thread digitali Com&Sens sta collaborando con un produttore di compositi per utilizzare i suoi sensori in fibra ottica per consentire il flusso di dati digitali attraverso la progettazione, la produzione e l'assistenza (a destra) per supportare le carte d'identità digitali che supportano il gemello digitale di ciascuna parte (a sinistra) realizzata. Credito immagine: Com&Sens e Figura 1, "Ingegneria con thread digitali" di V. Singh, K. Wilcox.
Pertanto, i dati dei sensori supportano il gemello digitale, così come il filo digitale che abbraccia progettazione, produzione, operazioni di servizio e obsolescenza. Quando analizzati utilizzando l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, questi dati si ripercuotono sulla progettazione e sull'elaborazione, migliorando le prestazioni e la sostenibilità. Questo ha anche cambiato il modo in cui le catene di fornitura lavorano insieme. Ad esempio, il produttore di adesivi Kiilto (Tampere, Finlandia) utilizza i sensori Collo per aiutare i propri clienti a controllare il rapporto dei componenti A, B, ecc. nelle loro apparecchiature di miscelazione di adesivi multicomponente. "Kiilto può ora adattare la composizione dei suoi adesivi ai singoli clienti”, afferma Järveläinen, “ma consente anche a Kiilto di comprendere come le resine interagiscono nei processi dei clienti e come i clienti interagiscono con i loro prodotti, il che sta cambiando il modo in cui viene effettuata la fornitura. Le catene possono lavorare insieme”.
OPTO-Light utilizza sensori Kistler, Netzsch e Synthesites per monitorare la polimerizzazione di parti CFRP epossidiche termoplastiche sovrastampate. Credito immagine: AZL
I sensori supportano anche nuove combinazioni innovative di materiali e processi. Descritto nell'articolo di CW del 2019 sul progetto OPTO-Light (vedi "Termoindurenti per sovrastampaggio termoplastico, ciclo di 2 minuti, una batteria"), AZL Aachen (Aquisgrana, Germania) utilizza un processo in due fasi processo per comprimere orizzontalmente un singolo preimpregnato in fibra di carbonio/epossidica To (UD), quindi sovrastampato con PA6 rinforzato con fibra di vetro corta al 30%. La chiave è polimerizzare solo parzialmente il preimpregnato in modo che la reattività rimanente nella resina epossidica possa consentire il legame con il materiale termoplastico .AZL utilizza gli analizzatori Epsilon Optimold e Netzsch DEA288 con sensori dielettrici Synthesites e Netzsch, sensori in-mold Kistler e il software DataFlow per ottimizzare lo stampaggio a iniezione. comprendere lo stato di polimerizzazione per ottenere una buona connessione al sovrastampaggio termoplastico”, spiega Richard Schares, ingegnere ricercatore dell’AZL. “In futuro, il processo potrebbe essere adattivo e intelligente, la rotazione del processo viene attivata dai segnali dei sensori.”
Tuttavia, esiste un problema fondamentale, afferma Järveläinen, “e cioè la mancanza di comprensione da parte dei clienti su come integrare questi diversi sensori nei loro processi. La maggior parte delle aziende non dispone di esperti in sensori”. Attualmente, la via da seguire richiede che i produttori di sensori e i clienti si scambino informazioni avanti e indietro. Organizzazioni come AZL, DLR (Augusta, Germania) e NCC stanno sviluppando competenze multisensore. Sause ha affermato che ci sono gruppi all'interno di UNA, nonché spin-off aziende che offrono integrazione di sensori e servizi di gemello digitale. Ha aggiunto che la rete di produzione di intelligenza artificiale di Augusta ha affittato una struttura di 7.000 metri quadrati a questo scopo, "espandendo il progetto di sviluppo di CosiMo ad un ambito molto ampio, comprese le celle di automazione collegate, dove i partner industriali può posizionare macchine, eseguire progetti e imparare come integrare nuove soluzioni di intelligenza artificiale.
Carapappas ha affermato che la dimostrazione del sensore dielettrico di Meggitt presso l'NCC è stato solo il primo passo in questo senso. "In definitiva, voglio monitorare i miei processi e flussi di lavoro e inserirli nel nostro sistema ERP in modo da sapere in anticipo quali componenti produrre, quali persone necessità e quali materiali ordinare. Si sviluppa l’automazione digitale”.
Benvenuti nel SourceBook online, che corrisponde all'edizione cartacea annuale di CompositesWorld della SourceBook Composites Industry Buyer's Guide.
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Orario di pubblicazione: 20 maggio 2022
