חיישנים: נתונים לייצור מרוכבים מהדור הבא | עולם מרוכבים

במרדף אחר קיימות, חיישנים מצמצמים את זמני המחזור, השימוש באנרגיה ובזבוז, אוטומציה של בקרת תהליכים במעגל סגור ומגדילים את הידע, פותחים אפשרויות חדשות לייצור ומבנים חכמים.#חיישנים #קיימות #SHM
חיישנים משמאל (מלמעלה למטה): שטף חום (TFX), דיאלקטריים בתבנית (Lambient), אולטרסאונדים (אוניברסיטת אוגסבורג), דיאלקטריים חד פעמיים (סינטזיטים) ובין אגורות לצמדים תרמיים Microwire (AvPro). גרפים (למעלה, עם כיוון השעון): קבוע דיאלקטרי של קולו (CP) לעומת צמיגות יונית קולו (CIV), עמידות שרף מול זמן (סינתזיטים) ומודל דיגיטלי של פרפורמים מושתלים קפרולקטאם באמצעות חיישנים אלקטרומגנטיים (פרויקט CosiMo, DLR ZLP, אוניברסיטת אוגסבורג).
ככל שהתעשייה העולמית ממשיכה לצאת ממגיפת COVID-19, היא עברה למתן עדיפות לקיימות, הדורשת צמצום בזבוז וצריכת משאבים (כגון אנרגיה, מים וחומרים). כתוצאה מכך, הייצור חייב להיות יעיל וחכם יותר. .אבל זה דורש מידע. לגבי מרוכבים, מאיפה הנתונים האלה מגיעים?
כפי שמתואר בסדרת המאמרים 2020 Composites 4.0 של CW, הגדרת המדידות הדרושות לשיפור איכות החלקים והייצור, והחיישנים הדרושים להשגת מדידות אלו, היא הצעד הראשון בייצור חכם. במהלך 2020 ו-2021, CW דיווח על חיישנים - דיאלקטריים חיישנים, חיישני שטף חום, חיישני סיבים אופטיים וחיישנים ללא מגע המשתמשים בגלים קוליים ואלקטרומגנטיים - כמו גם פרויקטים המדגימים את היכולות שלהם (ראה ערכת תוכן החיישנים המקוונת של CW). מאמר זה מתבסס על דוח זה על ידי דיון בחיישנים המשמשים בקומפוזיט חומרים, היתרונות והאתגרים המובטחים שלהם, והנוף הטכנולוגי בפיתוח. יש לציין שחברות שמתגלות כמובילות בתעשיית החומרים המרוכבים כבר חוקרות ומנווטות את המרחב הזה.
רשת חיישנים ב-CosiMo רשת של 74 חיישנים - 57 מהם חיישנים קוליים שפותחו באוניברסיטת אוגסבורג (מוצגים מימין, נקודות כחולות בהירות בחצאי התבנית העליונים והתחתונים) - משמשות להדגמת Lid עבור T-RTM יציקת פרויקט CosiMo עבור סוללות תרמופלסטיות מרוכבות. קרדיט תמונה: פרויקט CosiMo, DLR ZLP Augsburg, University of Augsburg
יעד מס' 1: לחסוך כסף. הבלוג של ה-CW מדצמבר 2021, "חיישנים אולטרא-קוליים מותאמים אישית לאופטימיזציה ובקרה של תהליכים מורכבים", מתאר את העבודה באוניברסיטת אוגסבורג (UNA, אוגסבורג, גרמניה) לפיתוח רשת של 74 חיישנים שעבור ה-CosiMo פרויקט לייצור מדגמן כיסוי סוללה EV (חומרים מרוכבים בהובלה חכמה). החלק מיוצר באמצעות יציקת שרף תרמופלסטית (T-RTM), אשר מפילמר מונומר קפרולקטם באתרו לתוך קומפוזיט פוליאמיד 6 (PA6). מרקוס סאוס, פרופסור ב-UNA וראש רשת ייצור הבינה המלאכותית (AI) של UNA באוגסבורג, מסביר מדוע חיישנים כל כך חשובים: "היתרון הגדול ביותר שאנו מציעים הוא ההדמיה של מה שקורה בתוך הקופסה השחורה במהלך העיבוד. נכון לעכשיו, לרוב היצרנים יש מערכות מוגבלות כדי להשיג זאת. לדוגמה, הם משתמשים בחיישנים פשוטים מאוד או ספציפיים בעת שימוש בחליטת שרף לייצור חלקים גדולים בתעופה וחלל. אם תהליך העירוי משתבש, יש לך בעצם חתיכה גדולה של גרוטאות. אבל אם יש לך פתרון פתרונות כדי להבין מה השתבש בתהליך הייצור ומדוע, אתה יכול לתקן את זה ולתקן את זה ולחסוך לך הרבה כסף".
צמדים תרמיים הם דוגמה ל"חיישן פשוט או ספציפי" ששימש במשך עשרות שנים לניטור הטמפרטורה של לרבדים מרוכבים במהלך ריפוי חיטוי או תנור. הם אפילו משמשים לשליטה בטמפרטורה בתנורים או בשמיכות חימום כדי לרפא תיקוני תיקון מרוכבים באמצעות יצרני שרף משתמשים במגוון חיישנים במעבדה כדי לנטר שינויים בצמיגות השרף לאורך זמן וטמפרטורה כדי לפתח ניסוחים לריפוי. מה שמתפתח, לעומת זאת, הוא רשת חיישנים שיכולה לדמיין ולשלוט בתהליך הייצור במקום על בסיס פרמטרים מרובים (למשל, טמפרטורה ולחץ) ומצב החומר (למשל, צמיגות, צבירה, התגבשות).
לדוגמה, החיישן הקולי שפותח עבור פרויקט CosiMo משתמש באותם עקרונות כמו בדיקה קולית, שהפכה לעמוד התווך של בדיקות לא הרסניות (NDI) של חלקים מרוכבים מוגמרים. Petros Karapapas, מהנדס ראשי ב-Meggitt (Loughborough, בריטניה), אמר: "המטרה שלנו היא למזער את הזמן והעבודה הנדרשים לבדיקה שלאחר הייצור של רכיבים עתידיים ככל שאנו מתקדמים לעבר ייצור דיגיטלי." שיתוף הפעולה של מרכז החומרים (NCC, בריסטול, בריטניה) להדגמת הניטור של טבעת Solvay (Alpharetta, GA, ארה"ב) EP 2400 במהלך RTM באמצעות חיישן דיאלקטרי ליניארי שפותח באוניברסיטת Cranfield (Cranfield, בריטניה) זרימה ואשפרה של אוקסירזין עבור אורך 1.3 מ', רוחב 0.8 מ' ועומק של מעטפת מרוכבת עבור מחליף חום של מנוע מטוס מסחרי. "כשבדקנו כיצד ליצור מכלולים גדולים יותר עם פרודוקטיביות גבוהה יותר, לא יכולנו להרשות לעצמנו לבצע את כל הבדיקות המסורתיות שלאחר העיבוד. בדיקות על כל חלק," אמר Karapapas. "כרגע, אנו מייצרים לוחות בדיקה ליד חלקי ה-RTM הללו ולאחר מכן מבצעים בדיקות מכניות כדי לאמת את מחזור הריפוי. אבל עם החיישן הזה, זה לא הכרחי."
ה-Collo Probe טבול בכלי ערבוב הצבע (עיגול ירוק בחלק העליון) כדי לזהות מתי הערבוב הושלם, חוסך זמן ואנרגיה. קרדיט תמונה: ColloidTek Oy
"המטרה שלנו היא לא להיות עוד מכשיר מעבדה, אלא להתמקד במערכות ייצור", אומר מתי Järveläinen, מנכ"ל ומייסד ColloidTek Oy (Kolo, Tampere, פינלנד). הבלוג של CW ינואר 2022 "Fingerprint Liquids for Composites" חוקר את ה-Collo's שילוב של חיישני שדה אלקטרומגנטי (EMF), עיבוד אותות וניתוח נתונים למדידת "טביעת האצבע" של כל נוזל כגון מונומרים, שרפים או דבקים. "מה שאנו מציעים הוא טכנולוגיה חדשה המספקת משוב ישיר בזמן אמת, כך שתוכל להבין טוב יותר איך התהליך שלך עובד בפועל ולהגיב כשדברים משתבשים", אומר Järveläinen. "החיישנים שלנו ממירים נתונים בזמן אמת לכמויות פיזיקליות מובנות וניתנות לפעולה, כגון צמיגות ראוולוגית, המאפשרות אופטימיזציה של התהליך. לדוגמה, ניתן לקצר את זמני הערבוב כי ניתן לראות בבירור מתי הערבוב הסתיים. לכן, עם אתה יכול להגדיל את הפרודוקטיביות, לחסוך באנרגיה ולהפחית גרוטאות בהשוואה לעיבוד פחות אופטימלי."
מטרה מס' 2: הגדלת הידע וההדמיה של התהליך. לתהליכים כמו צבירה, Järveläinen אומר, "אינך רואה הרבה מידע רק מתמונת מצב. אתה רק לוקח דגימה ונכנס למעבדה ומסתכל איך זה היה לפני דקות או שעות. זה כמו לנסוע בכביש המהיר, כל שעה פקחו את העיניים לדקה ותנסו לחזות לאן הכביש הולך”. סוס מסכים ומציין שרשת החיישנים שפותחה ב-CosiMo "עוזרת לנו לקבל תמונה מלאה של התהליך והתנהגות החומר. אנו יכולים לראות השפעות מקומיות בתהליך, בתגובה לשינויים בעובי חלק או חומרים משולבים כגון ליבת קצף. מה שאנחנו מנסים לעשות זה לספק מידע על מה שקורה בפועל בתבנית. זה מאפשר לנו לקבוע מידע שונה כמו צורת חזית הזרימה, הגעתו של כל חלק משרה ומידת הצבירה בכל מיקום חיישן".
Collo עובדת עם יצרנים של דבקי אפוקסי, צבעים ואפילו בירה כדי ליצור פרופילי תהליך עבור כל אצווה המיוצרת. כעת כל יצרן יכול לראות את הדינמיקה של התהליך שלו ולהגדיר פרמטרים אופטימליים יותר, עם התראות להתערבות כאשר אצווה אינן במפרט. זה עוזר לייצב ולשפר את האיכות.
וידאו של חזית הזרימה בחלק של CosiMo (כניסה להזרקה היא הנקודה הלבנה במרכז) כפונקציה של זמן, בהתבסס על נתוני מדידה מרשת חיישנים בתוך עובש. קרדיט תמונה: פרויקט CosiMo, DLR ZLP Augsburg, University of אוגסבורג
"אני רוצה לדעת מה קורה במהלך ייצור חלקים, לא לפתוח את הקופסה ולראות מה קורה לאחר מכן", אומר ה-Karapapas של מגגיט. "המוצרים שפיתחנו באמצעות החיישנים הדיאלקטריים של קרנפילד אפשרו לנו לראות את התהליך במקום, והצלחנו גם להיות מסוגלים לאמת את ריפוי השרף". שימוש בכל ששת סוגי החיישנים המתוארים להלן (לא רשימה ממצה, רק מבחר קטן, גם ספקים), יכול לנטר ריפוי/פילמור וזרימת שרף. לחיישנים מסוימים יש יכולות נוספות, וסוגי חיישנים משולבים יכולים להרחיב את אפשרויות המעקב וההדמיה במהלך יציקת מרוכבים. הדבר הוכח במהלך CosiMo, שהשתמש בחיישני במצב אולטרה-סוני, דיאלקטרי ופיזוריסיסטטיבי למדידת טמפרטורה ולחץ על ידי Kistler (Winterthur, שוויץ).
מטרה מס' 3: צמצום זמן המחזור. חיישני קולו יכולים למדוד את האחידות של אפוקסי שני חלקים המתאפק במהירות כאשר חלקים A ו-B מעורבבים ומוזרקים במהלך RTM ובכל מקום בתבנית שבו ממוקמים חיישנים כאלה. זה יכול לעזור לאפשר שרפי ריפוי מהירים יותר עבור יישומים כגון Urban Air Mobility (UAM), אשר יספקו מחזורי ריפוי מהירים יותר בהשוואה לאפוקסי חד חלקים הנוכחיים כגון RTM6.
חיישני קולו יכולים גם לנטר ולדמיין אפוקסי מנופח, מוזרק ומתרפא, וכאשר כל תהליך הושלם. סיום ריפוי ותהליכים אחרים המבוססים על המצב בפועל של החומר המעובד (לעומת מתכוני זמן וטמפרטורה מסורתיים) נקרא ניהול מצב החומר (MSM). חברות כמו AvPro ​​(נורמן, אוקלהומה, ארה"ב) רודפות אחרי MSM במשך עשרות שנים כדי לעקוב אחר שינויים בחומרים ותהליכים חלקים, תוך שהיא רודפת אחר יעדים ספציפיים לטמפרטורת מעבר זכוכית (Tg), צמיגות, פילמור ו/או התגבשות .לדוגמה, רשת של חיישנים וניתוח דיגיטלי ב-CosiMo שימשו לקביעת הזמן המינימלי הדרוש לחימום מכבש ה-RTM והתבנית וגילו ש-96% מהפילמור המקסימלי הושג תוך 4.5 דקות.
ספקי חיישנים דיאלקטריים כגון Lambient Technologies (Cambridge, MA, ארה"ב), Netzsch (Selb, גרמניה) ו-Synthesites (Uccle, בלגיה) הוכיחו גם הם את יכולתם לצמצם את זמני המחזור. פרויקט המו"פ של Synthesites עם יצרני החומרים המרוכבים Hutchinson (פריז, צרפת) ) ו-Bombardier Belfast (כיום Spirit AeroSystems (בלפסט, אירלנד)) מדווחים כי בהתבסס על מדידות בזמן אמת של התנגדות שרף וטמפרטורה, באמצעות יחידת רכישת הנתונים Optimold שלה ותוכנת Optiview ממירה לצמיגות משוערת ו-Tg. "היצרנים יכולים לראות את ה-Tg בזמן אמת, כך שהם יכולים להחליט מתי להפסיק את מחזור הריפוי", מסביר ניקוס פנטלליס, מנהל הסינתזיטים. "הם לא צריכים לחכות כדי להשלים מחזור העברה ארוך מהנדרש. לדוגמה, המחזור המסורתי של RTM6 הוא ריפוי מלא של שעתיים ב-180 מעלות צלזיוס. ראינו שניתן לקצר את זה ל-70 דקות בכמה גיאומטריות. הדבר הוכח גם בפרויקט INNOTOOL 4.0 (ראה "האצת RTM עם חיישני שטף חום"), שבו השימוש בחיישן שטף חום קיצר את מחזור הריפוי של RTM6 מ-120 דקות ל-90 דקות.
מטרה מס' 4: שליטה במעגל סגור של תהליכים אדפטיביים. עבור פרויקט CosiMo, המטרה הסופית היא להפוך שליטה בלולאה סגורה במהלך ייצור חלקים מרוכבים. זו גם המטרה של פרויקטי ZAero ו- iComposite 4.0 שדווחו על ידי CW ב 2020 (הפחתה של 30-50% בעלויות). שימו לב שאלו כרוכים בתהליכים שונים - מיקום אוטומטי של קלטת prepreg (ZAero) ופרפורמינג סיבים בהשוואה ל-T-RTM בלחץ גבוה ב-CosiMo for RTM עם אפוקסי מתרפא מהיר (iComposite 4.0). מתוך פרויקטים אלה משתמשים בחיישנים עם מודלים ואלגוריתמים דיגיטליים כדי לדמות את התהליך ולחזות את התוצאה של החלק המוגמר.
ניתן לחשוב על בקרת תהליכים כסדרה של שלבים, הסביר סאוס. השלב הראשון הוא שילוב חיישנים וציוד תהליך, לדבריו, "כדי לדמיין מה קורה בקופסה השחורה ואת הפרמטרים שבהם יש להשתמש. השלבים הנוספים, אולי חצי מהשליטה בלולאה סגורה, הם היכולת ללחוץ על כפתור העצירה כדי להתערב, לכוון את התהליך ולמנוע חלקים שנדחו. כשלב אחרון, ניתן לפתח תאום דיגיטלי, שניתן לבצע אוטומציה, אך גם דורש השקעה בשיטות למידת מכונה”. ב-CosiMo, השקעה זו מאפשרת לחיישנים להזין נתונים לתוך התאום הדיגיטלי, ניתוח Edge (חישובים המבוצעים בקצה קו הייצור לעומת חישובים ממאגר נתונים מרכזי) משמש לאחר מכן לניבוי דינמיקה של חזית זרימה, תכולת נפח סיבים לכל תבנית טקסטיל. ונקודות יבשות פוטנציאליות. "באופן אידיאלי, אתה יכול לקבוע הגדרות כדי לאפשר שליטה וכוונון בלולאה סגורה בתהליך," אמר סאוס. "אלה יכללו פרמטרים כמו לחץ הזרקה, לחץ עובש וטמפרטורה. אתה יכול גם להשתמש במידע זה כדי לייעל את החומר שלך."
בכך, חברות משתמשות בחיישנים לאוטומציה של תהליכים. לדוגמה, Synthesites עובדת עם לקוחותיה כדי לשלב חיישנים עם ציוד לסגירת כניסת השרף עם השלמת העירוי, או להפעיל את מכבש החום כאשר הושגה ריפוי המטרה.
Järveläinen מציין שכדי לקבוע איזה חיישן הוא הטוב ביותר עבור כל מקרה שימוש, "עליך להבין אילו שינויים בחומר ובתהליך אתה רוצה לנטר, ואז אתה צריך מנתח." מנתח רוכש את הנתונים שנאספים על ידי חוקר או יחידת רכישת נתונים. נתונים גולמיים ולהמיר אותם למידע שמיש על ידי היצרן. "דווקא אתה רואה הרבה חברות המשלבות חיישנים, אבל אז הן לא עושות כלום עם הנתונים", אמר סאוס. מה שדרוש, הוא הסביר, הוא "מערכת של רכישת נתונים, כמו גם ארכיטקטורת אחסון נתונים כדי להיות מסוגלים לעבד את הנתונים."
"משתמשי קצה לא רוצים רק לראות נתונים גולמיים", אומר Järveläinen. "הם רוצים לדעת, 'האם התהליך מותאם?'" מתי ניתן לעשות את הצעד הבא?" כדי לעשות זאת, עליך לשלב חיישנים מרובים לניתוח, ולאחר מכן השתמש בלמידת מכונה כדי להאיץ את התהליך." גישת ניתוח קצה ולמידת מכונה המשמשת את צוות Collo ו-CosiMo ניתנת להשגה באמצעות מפות צמיגות, מודלים מספריים של חזית זרימת השרף, והיכולת לשלוט בסופו של דבר בפרמטרים ובמכונות של תהליך.
Optimold הוא מנתח שפותח על ידי Synthesites עבור החיישנים הדיאלקטריים שלה. נשלט על ידי תוכנת Optiview של Synthesites, יחידת Optimold משתמשת במדידות טמפרטורה והתנגדות שרף כדי לחשב ולהציג גרפים בזמן אמת לניטור מצב שרף כולל יחס תערובת, הזדקנות כימית, צמיגות, Tg ומידת הריפוי. ניתן להשתמש בו בתהליכי prepreg ויצירת נוזלים. יחידה נפרדת Optiflow משמשת לניטור זרימה. Synthesites פיתחה גם סימולטור אשפרה שאינו דורש חיישן אשפרה בתבנית או בחלק, אלא משתמש ב- חיישן טמפרטורה ודגימות שרף/פרפרג ביחידת מנתח זו. "אנו משתמשים בשיטה המתקדמת הזו עבור עירוי וריפוי דבק לייצור להבי טורבינות רוח", אמר ניקוס פנטלליס, מנהל סינתזיטים.
מערכות בקרת תהליכים של Synthesites משלבות חיישנים, יחידות רכישת נתונים Optiflow ו/או Optimold, ותוכנת OptiView ו/או Online Resin Status (ORS). קרדיט תמונה: Synthesites, בעריכת The CW
לכן, רוב ספקי החיישנים פיתחו מנתחים משלהם, חלקם משתמשים בלמידת מכונה וחלקם לא. אבל יצרני מרוכבים יכולים גם לפתח מערכות מותאמות אישית משלהם או לקנות מכשירי מדף ולשנות אותם כדי לענות על צרכים ספציפיים. עם זאת, יכולת הנתח היא רק גורם אחד שיש לקחת בחשבון. ישנם רבים אחרים.
מגע הוא גם שיקול חשוב בבחירת חיישן להשתמש. ייתכן שהחיישן צריך להיות במגע עם החומר, החוקר או שניהם. לדוגמה, ניתן להכניס חיישני שטף חום וחיישנים קוליים לתוך תבנית RTM 1-20 מ"מ מ המשטח - ניטור מדויק אינו מצריך מגע עם החומר בתבנית. חיישנים אולטראסאונדים יכולים גם לחקור חלקים בעומקים שונים בהתאם לתדר המשמש. חיישנים אלקטרומגנטיים של קולו יכולים גם לקרוא את עומקם של נוזלים או חלקים - 2-10 ס"מ, תלוי על תדירות החקירה - ובאמצעות מיכלים או כלים שאינם מתכתיים במגע עם השרף.
עם זאת, מיקרו-חוטים מגנטיים (ראה "ניטור ללא מגע של טמפרטורה ולחץ בתוך חומרים מרוכבים") הם כיום החיישנים היחידים המסוגלים לחקור חומרים מרוכבים במרחק של 10 ס"מ. הסיבה לכך היא שהוא משתמש באינדוקציה אלקטרומגנטית כדי לעורר תגובה מהחיישן, אשר מוטבע בחומר המרוכב. חיישן המיקרו-חוטי ThermoPulse של AvPro, המוטמע בשכבת החיבור ההדבקה, נחקר דרך למינציה של סיבי פחמן בעובי 25 מ"מ למדידת טמפרטורה במהלך תהליך ההדבקה. מאחר שלחוטי המיקרו יש קוטר שעיר של 3-70 מיקרון, הם אינם משפיעים על ביצועים מרוכבים או קו חיבור. בקטרים ​​מעט גדולים יותר של 100-200 מיקרון, חיישני סיבים אופטיים יכולים להיות מוטמעים גם מבלי לפגוע במאפיינים המבניים. עם זאת, מכיוון שהם משתמשים באור למדידה, חיישני סיבים אופטיים חייבים להיות בעלי חיבור קווי ל- חוקר. כמו כן, מכיוון שחיישנים דיאלקטריים משתמשים במתח למדידת תכונות שרף, הם חייבים להיות מחוברים גם לחוקר, ורובם חייבים להיות גם במגע עם השרף שהם מנטרים.
ניתן לטבול את חיישן ה-Collo Probe (העליון) בנוזלים, בעוד ש-Collo Plate (התחתון) מותקן בדופן של כלי/כלי ערבוב או בצנרת/קו הזנה של תהליך. קרדיט תמונה: ColloidTek Oy
יכולת הטמפרטורות של החיישן היא שיקול מרכזי נוסף. לדוגמה, רוב החיישנים האולטרא-קוליים מהמדף פועלים בדרך כלל בטמפרטורות של עד 150 מעלות צלזיוס, אך חלקים ב-CosiMo צריכים להיווצר בטמפרטורות מעל 200 מעלות צלזיוס. לכן, UNA נאלץ לתכנן חיישן קולי עם יכולת זו. החיישנים הדיאלקטריים החד פעמיים של Lambient יכולים לשמש על משטחים של עד 350 מעלות צלזיוס, וניתן להשתמש בחיישני ב-Mod הניתנים לשימוש חוזר עד 250 מעלות צלזיוס. RVmagnetics (Kosice, סלובקיה) פיתחה חיישן המיקרו-חוטים שלו לחומרים מרוכבים שיכולים לעמוד בהתרפאות ב-500 מעלות צלזיוס. בעוד שלטכנולוגיית חיישן Collo עצמה אין מגבלת טמפרטורה תיאורטית, מגן הזכוכית המחוסמת עבור ה-Collo Plate ומארס הפוליאתתרקטון החדש (PEEK) עבור ה-Collo Probe נבדקו שניהם להפעלה רציפה ב-150 מעלות צלזיוס, לפי Järveläinen. בינתיים, PhotonFirst (אלקמאר, הולנד) השתמשה בציפוי פוליאמיד כדי לספק טמפרטורת פעולה של 350 מעלות צלזיוס לחיישן הסיבים האופטיים שלה עבור פרויקט SuCoHS, למען בר-קיימא ועלות- קומפוזיט יעיל בטמפרטורה גבוהה.
גורם נוסף שיש לקחת בחשבון, במיוחד עבור התקנה, הוא האם החיישן מודד בנקודה אחת או שהוא חיישן ליניארי עם נקודות חישה מרובות. לדוגמה, חיישני סיבים אופטיים של Com&Sens (Eke, בלגיה) יכולים להיות באורך של עד 100 מטרים ולהתארח. עד 40 נקודות חישה של סיב Bragg grating (FBG) עם מרווח מינימלי של 1 ס"מ. חיישנים אלו שימשו לניטור בריאות מבני (SHM) של גשרים מרוכבים באורך 66 מטר וניטור זרימת שרף במהלך עירוי של סיפונים גשרים גדולים. התקנה חיישנים נקודתיים בודדים עבור פרויקט כזה ידרשו מספר רב של חיישנים וזמן התקנה רב.NCC ואוניברסיטת Cranfield טוענים ליתרונות דומים עבור החיישנים הדיאלקטריים הליניאריים שלהם. בהשוואה לחיישנים דיאלקטריים חד-נקודתיים המוצעים על ידי Lambient, Netzsch ו-Synthesites, " עם החיישן הליניארי שלנו, אנחנו יכולים לנטר את זרימת השרף ברציפות לאורך, מה שמפחית משמעותית את מספר החיישנים הנדרשים בחלק או בכלי."
AFP NLR עבור חיישני סיבים אופטיים יחידה מיוחדת משולבת בערוץ ה-8 של ראש Coriolis AFP כדי להציב ארבעה מערכי חיישני סיבים אופטיים לתוך לוח בדיקה מורכב מחוזק בסיבי פחמן בטמפרטורה גבוהה. קרדיט תמונה: SuCoHS Project, NLR
חיישנים ליניאריים מסייעים גם לאוטומציה של התקנות. בפרויקט SuCoHS, Royal NLR (מרכז התעופה והחלל ההולנדי, Marknesse) פיתחה יחידה מיוחדת המשולבת בערוץ ה-8 של מיקום סיבים אוטומטיים (AFP) של Coriolis Composites (Queven, צרפת) כדי להטמיע ארבעה מערכים ( קווי סיבים אופטיים נפרדים), כל אחד עם 5 עד 6 חיישני FBG (PhotonFirst מציעה סה"כ 23 חיישנים), בלוחות בדיקה של סיבי פחמן. RVmagnetics הציבה את חיישני המיקרו-חוטים שלה בברזל GFRP משופע". החוטים הם בלתי רציפים [1-4 ס"מ ארוך עבור רוב המיקרו-חוטים המרוכבים], אך ממוקמים באופן אוטומטי ברציפות כאשר המוט מיוצר", אמר רטיסלב ורגה, מייסד שותף של RVmagnetics. "יש לך microwire עם microwire של 1 ק"מ. סלילי נימה והזינו אותו למתקן הייצור של המוט מבלי לשנות את אופן ייצור המוט." בינתיים, Com&Sens עובדת על טכנולוגיה אוטומטית להטמעת חיישני סיבים אופטיים במהלך תהליך פיתול נימה במכלי לחץ.
בגלל יכולתו להוליך חשמל, סיבי פחמן עלולים לגרום לבעיות בחיישנים דיאלקטריים. חיישנים דיאלקטריים משתמשים בשתי אלקטרודות הממוקמות קרוב זו לזו. "אם הסיבים מגשרים על האלקטרודות, הם מקצרים את החיישן", מסביר מייסד Lambient Huan Lee. במקרה זה, השתמש בפילטר." המסנן מאפשר לשרף לעבור את החיישנים, אך מבודד אותם מסיבי הפחמן". החיישן הדיאלקטרי הליניארי שפותח על ידי אוניברסיטת Cranfield ו-NCC משתמש בגישה שונה, הכוללת שני זוגות מעוותים של חוטי נחושת. כאשר מופעל מתח, נוצר שדה אלקטרומגנטי בין החוטים, המשמש למדידת עכבת שרף. החוטים מצופים עם פולימר מבודד שאינו משפיע על השדה החשמלי, אך מונע מסיבי הפחמן לקצר.
כמובן, העלות היא גם בעיה. Com&Sens מציינת שהעלות הממוצעת לכל נקודת חישה של FBG היא 50-125 יורו, אשר עשויה לרדת לסביבות 25-35 יורו אם משתמשים בה באצווה (למשל, עבור 100,000 מכלי לחץ).(זהו רק חלק קטן מיכולת הייצור הנוכחית והחזויה של מיכלי לחץ מרוכבים, ראה מאמר של CW משנת 2021 על מימן. Karapapas של Meggitt אומר שהוא קיבל הצעות לקווי סיבים אופטיים עם חיישני FBG בממוצע ליש"ט 250 ליש"ט/חיישן (≈300€/חיישן), החוקר שווה בסביבות 10,000 ליש"ט (12,000 יורו)."החיישן הדיאלקטרי הליניארי שבדקנו היה יותר כמו חוט מצופה שניתן לקנות מהמדף," הוא הוסיף. "החוקר שאנו משתמשים בו", מוסיף אלכס סקורדוס, קורא ( חוקר בכיר) במדעי התהליכים המרוכבים באוניברסיטת קרנפילד, "הוא מנתח עכבות, שהוא מאוד מדויק ועולה לפחות 30,000 ליש"ט [≈ 36,000 אירו], אבל ה-NCC משתמש בחוקר הרבה יותר פשוט שמורכב ביסודו של מדף מודולים של החברה המסחרית Advise Deta [בדפורד, בריטניה]." Synthesites מציעה 1,190 אירו עבור חיישנים בתבנית ו-20 אירו עבור חיישנים חד-פעמיים/חלקים ב-EUR, Optiflow מוצעת ב-EUR 3,900 ו-Optimold ב-EUR 7,200, עם הנחות הולכות וגדלות עבור יחידות מנתח מרובות. המחירים האלה כוללים תוכנת Optiview וכל תמיכה הכרחית, אמר Pantelelis, והוסיף שיצרני להבי רוח חוסכים 1.5 שעות למחזור, מוסיפים להבים לקו לחודש ומפחיתים את צריכת האנרגיה ב-20 אחוז, עם החזר על ההשקעה של ארבעה חודשים בלבד.
חברות המשתמשות בחיישנים יקבלו יתרון ככל שהייצור הדיגיטלי של Composites 4.0 יתפתח. לדוגמה, אומר Grégoire Beauduin, מנהל הפיתוח העסקי ב-Com&Sens, "כאשר יצרני כלי לחץ מנסים להפחית משקל, שימוש בחומרים ועלות, הם יכולים להשתמש בחיישנים שלנו כדי להצדיק העיצובים שלהם ומנטרים את הייצור כשהם מגיעים לרמות הנדרשות עד 2030. אותם חיישנים המשמשים להערכת רמות המתח בשכבות במהלך סלילה וריפוי נימה יכולים גם לנטר את שלמות המיכל במהלך אלפי מחזורי תדלוק, לחזות תחזוקה נדרשת ולהסמיך מחדש בסוף התכנון. חַיִים. אנחנו יכולים מאגר נתונים דיגיטלי תאומים מסופק לכל מיכל לחץ מורכב המיוצר, והפתרון מפותח גם עבור לוויינים."
הפעלת תאומים וחוטים דיגיטליים Com&Sens עובדת עם יצרנית חומרים מרוכבים כדי להשתמש בחיישני הסיבים האופטיים שלה כדי לאפשר זרימת נתונים דיגיטליים דרך עיצוב, ייצור ושירות (מימין) כדי לתמוך בתעודות זהות דיגיטליות התומכות בתאום הדיגיטלי של כל חלק (משמאל) שנעשה. קרדיט תמונה: Com&Sens ואיור 1, "הנדסה עם חוטים דיגיטליים" מאת V. Singh, K. Wilcox.
לפיכך, נתוני חיישנים תומכים בתאום הדיגיטלי, כמו גם בחוט הדיגיטלי המתפרש על פני תכנון, ייצור, פעולות שירות והתיישנות. כאשר הם מנותחים באמצעות בינה מלאכותית ולמידת מכונה, נתונים אלה ניזונים חזרה לתכנון ועיבוד, תוך שיפור ביצועים וקיימות. שינתה גם את הדרך שבה שרשראות האספקה ​​פועלות יחד. לדוגמה, יצרנית הדבקים Kiilto (טמפרה, פינלנד) משתמשת בחיישני Collo כדי לעזור ללקוחותיה לשלוט ביחס של רכיבים A, B וכו' בציוד לערבול הדבק הרב-רכיבי שלהם. Kiilto כעת יכולה להתאים את הרכב הדבקים שלה ללקוחות בודדים", אומר Järveläinen, "אבל זה גם מאפשר ל-Kiilto להבין כיצד שרפים מתקשרים בתהליכים של לקוחות, וכיצד לקוחות מקיימים אינטראקציה עם המוצרים שלהם, מה שמשנה את אופן יצירת האספקה. שרשראות יכולות לעבוד יחד".
OPTO-Light משתמש בחיישני Kistler, Netzsch ו-Synthesites כדי לפקח על ריפוי חלקי CFRP אפוקסי תרמופלסטיים. קרדיט תמונה: AZL
חיישנים תומכים גם בשילובי חומרים ותהליכים חדשניים. מתואר במאמר של CW לשנת 2019 על פרויקט OPTO-Light (ראה "תרמופלסטיים טרמופלסטיים, מחזור של 2 דקות, סוללה אחת"), AZL Aachen (אכן, גרמניה) משתמשת בשני שלבים תהליך של דחיסה אופקית של סיבי פחמן/אפוקסי קדם-פרג יחיד של To (UD), ולאחר מכן יצוק יתר על המידה עם 30% סיבי זכוכית קצרים מחוזק PA6. המפתח הוא ריפוי חלקי בלבד של ה-prepreg כך שהתגובתיות הנותרת באפוקסי תוכל לאפשר הדבקה לתרמופלסטי. .AZL משתמשת באנליזה של Optimold ו- Netzsch DEA288 Epsilon עם חיישנים דיאלקטריים של Synthesites ו- Netzsch וחיישני Kistler in-mold ותוכנת DataFlow כדי לייעל את הזרקת הזרקה." אתה צריך להבין לעומק את תהליך יציקת הדחיסה הקדם-פרג כי אתה צריך לוודא שאתה להבין את מצב הריפוי כדי להשיג חיבור טוב ליצירת יתר תרמופלסטית", מסביר מהנדס המחקר של AZL, ריצ'רד שארס. "בעתיד, התהליך עשוי להיות אדפטיבי וחכם, סיבוב התהליך מופעל על ידי אותות חיישנים."
עם זאת, יש בעיה מהותית, אומר Järveläinen, "וזוהי חוסר ההבנה של הלקוחות כיצד לשלב את החיישנים השונים הללו בתהליכים שלהם. לרוב החברות אין מומחי חיישנים". נכון לעכשיו, הדרך קדימה מחייבת יצרני ולקוחות חיישנים להחליף מידע הלוך ושוב. ארגונים כמו AZL, DLR (אוגסבורג, גרמניה) ו-NCC מפתחים מומחיות מרובת חיישנים. סאוס אמר שיש קבוצות בתוך UNA, כמו גם ספין-אוף חברות המציעות אינטגרציה של חיישנים ושירותי תאומים דיגיטליים. הוא הוסיף כי רשת הייצור של Augsburg AI שכרה למטרה זו מתקן בשטח של 7,000 מ"ר, "הרחיב את תוכנית הפיתוח של CosiMo לטווח רחב מאוד, כולל תאי אוטומציה מקושרים, שבהם שותפים תעשייתיים יכול להציב מכונות, להפעיל פרויקטים וללמוד כיצד לשלב פתרונות AI חדשים."
קאראפפאס אמר שהדגמת החיישנים הדיאלקטריים של מגגיט ב-NCC הייתה רק הצעד הראשון בכך. "בסופו של דבר, אני רוצה לפקח על התהליכים ותזרימי העבודה שלי ולהזין אותם למערכת ה-ERP שלנו, כך שאדע מראש אילו רכיבים לייצור, אילו אנשים צריך ואיזה חומרים להזמין. אוטומציה דיגיטלית מתפתחת".
ברוכים הבאים ל-SourceBook המקוון, התואם למהדורה המודפסת השנתית של CompositesWorld של מדריך הקונים של SourceBook Composites Industry.
Spirit AeroSystems מיישמת את העיצוב החכם של איירבוס עבור גוף המטוס המרכזי של A350 וחלקים קדמיים בקינגסטון, NC