Dans une démarche de durabilité, les capteurs réduisent les temps de cycle, la consommation d'énergie et les déchets, automatisent le contrôle des processus en boucle fermée et augmentent les connaissances, ouvrant ainsi de nouvelles possibilités pour une fabrication et des structures intelligentes.#capteurs #durabilité #SHM
Capteurs à gauche (de haut en bas) : flux thermique (TFX), diélectriques dans le moule (Lambient), ultrasons (Université d'Augsbourg), diélectriques jetables (Synthésites) et entre centimes et thermocouples Microwire (AvPro). Graphiques (en haut, dans le sens des aiguilles d'une montre) : Constante diélectrique de Collo (CP) en fonction de la viscosité ionique de Collo (CIV), résistance de la résine en fonction du temps (Synthésites) et modèle numérique de préformes implantées de caprolactame à l'aide de capteurs électromagnétiques (projet CosiMo, DLR ZLP, Université d'Augsbourg).
Alors que l’industrie mondiale continue de sortir de la pandémie de COVID-19, elle donne désormais la priorité à la durabilité, ce qui nécessite de réduire le gaspillage et la consommation de ressources (telles que l’énergie, l’eau et les matériaux). En conséquence, la fabrication doit devenir plus efficace et plus intelligente. .Mais cela nécessite des informations.Pour les composites, d’où viennent ces données ?
Comme décrit dans la série d'articles 2020 Composites 4.0 de CW, la définition des mesures nécessaires pour améliorer la qualité et la production des pièces, ainsi que les capteurs nécessaires pour réaliser ces mesures, constitue la première étape d'une fabrication intelligente. En 2020 et 2021, CW a rendu compte des capteurs diélectriques. capteurs, capteurs de flux thermique, capteurs à fibre optique et capteurs sans contact utilisant des ondes ultrasoniques et électromagnétiques, ainsi que des projets démontrant leurs capacités (voir l'ensemble de contenus en ligne sur les capteurs de CW). Cet article s'appuie sur ce rapport en discutant des capteurs utilisés dans les composites. les matériaux, leurs avantages et défis promis, ainsi que le paysage technologique en cours de développement. Notamment, les entreprises qui émergent comme leaders de l'industrie des composites explorent et naviguent déjà dans cet espace.
Réseau de capteurs dans CosiMo Un réseau de 74 capteurs – dont 57 sont des capteurs à ultrasons développés à l'Université d'Augsbourg (à droite, points bleu clair dans les moitiés supérieure et inférieure du moule) – sont utilisés pour le démonstrateur de couvercle pour le T-RTM. Projet de moulage CosiMo pour batteries composites thermoplastiques.Crédit image : projet CosiMo, DLR ZLP Augsburg, Université d'Augsbourg
Objectif n°1 : Économiser de l'argent. Le blog de décembre 2021 de CW, « Capteurs à ultrasons personnalisés pour l'optimisation et le contrôle des processus composites », décrit les travaux menés à l'Université d'Augsbourg (UNA, Augsbourg, Allemagne) pour développer un réseau de 74 capteurs qui pour le CosiMo projet de fabrication d'un démonstrateur de couvercle de batterie pour véhicules électriques (matériaux composites dans les transports intelligents). La pièce est fabriquée par moulage par transfert de résine thermoplastique (T-RTM), qui polymérise in situ le monomère de caprolactame en un composite de polyamide 6 (PA6). Markus Sause, professeur à l'UNA et responsable du réseau de production d'intelligence artificielle (IA) de l'UNA à Augsbourg, explique pourquoi les capteurs sont si importants : « Le plus grand avantage que nous offrons est la visualisation de ce qui se passe à l'intérieur de la boîte noire pendant le traitement. Actuellement, la plupart des fabricants disposent de systèmes limités pour y parvenir. Par exemple, ils utilisent des capteurs très simples ou spécifiques lorsqu’ils utilisent l’infusion de résine pour fabriquer de grandes pièces aérospatiales. Si le processus de perfusion se passe mal, vous vous retrouvez essentiellement avec un gros morceau de ferraille. Mais si vous disposez d’une solution pour comprendre ce qui n’a pas fonctionné dans le processus de production et pourquoi, vous pouvez le réparer et le corriger, ce qui vous fera économiser beaucoup d’argent.
Les thermocouples sont un exemple de « capteur simple ou spécifique » utilisé depuis des décennies pour surveiller la température des stratifiés composites pendant le durcissement en autoclave ou au four. Ils sont même utilisés pour contrôler la température dans les fours ou les couvertures chauffantes pour durcir les pièces de réparation composites à l'aide de liants thermiques. Les fabricants de résine utilisent une variété de capteurs en laboratoire pour surveiller les changements de viscosité de la résine au fil du temps et de la température afin de développer des formulations de durcissement. Ce qui émerge, cependant, est un réseau de capteurs capables de visualiser et de contrôler le processus de fabrication in situ en fonction de plusieurs paramètres (par exemple, température et pression) et l'état du matériau (par exemple, viscosité, agrégation, cristallisation).
Par exemple, le capteur à ultrasons développé pour le projet CosiMo utilise les mêmes principes que l'inspection par ultrasons, devenue le pilier du contrôle non destructif (NDI) des pièces composites finies. Petros Karapapas, ingénieur principal chez Meggitt (Loughborough, Royaume-Uni), a déclaré : « Notre objectif est de minimiser le temps et la main-d’œuvre nécessaires à l’inspection post-production des futurs composants à mesure que nous nous dirigeons vers la fabrication numérique. » Collaboration avec le Materials Center (NCC, Bristol, Royaume-Uni) pour démontrer la surveillance d'un anneau EP 2400 Solvay (Alpharetta, GA, États-Unis) pendant le RTM à l'aide d'un capteur diélectrique linéaire développé à l'Université de Cranfield (Cranfield, Royaume-Uni). Écoulement et durcissement de l'oxyrésine pour un Coque composite de 1,3 m de long, 0,8 m de large et 0,4 m de profondeur pour un échangeur thermique de moteur d'avion commercial. « Alors que nous cherchions comment fabriquer des assemblages plus grands avec une productivité plus élevée, nous ne pouvions pas nous permettre d'effectuer toutes les inspections post-traitement traditionnelles et des tests sur chaque pièce », a déclaré Karapapas. « À l'heure actuelle, nous réalisons des panneaux de test à côté de ces pièces RTM, puis effectuons des tests mécaniques pour valider le cycle de durcissement. Mais avec ce capteur, ce n'est pas nécessaire.
La sonde Collo est immergée dans le récipient de mélange de peinture (cercle vert en haut) pour détecter quand le mélange est terminé, économisant ainsi du temps et de l'énergie. Crédit image : ColloidTek Oy
« Notre objectif n'est pas d'être un autre appareil de laboratoire, mais de nous concentrer sur les systèmes de production », déclare Matti Järveläinen, PDG et fondateur de ColloidTek Oy (Kolo, Tampere, Finlande). Le blog CW de janvier 2022 « Fingerprint Liquids for Composites » explore les combinaison de capteurs de champ électromagnétique (CEM), de traitement du signal et d'analyse de données pour mesurer « l'empreinte digitale » de tout liquide tel que des monomères, des résines ou des adhésifs. « Ce que nous proposons est une nouvelle technologie qui fournit un retour d'information direct en temps réel, afin que vous puissiez comprenez mieux comment votre processus fonctionne réellement et réagissez en cas de problème », explique Järveläinen. « Nos capteurs convertissent les données en temps réel en grandeurs physiques compréhensibles et exploitables, telles que la viscosité rhéologique, qui permettent d'optimiser le processus. Par exemple, vous pouvez raccourcir les temps de mixage car vous pouvez voir clairement quand le mixage est terminé. Par conséquent, vous pouvez augmenter la productivité, économiser de l’énergie et réduire les rebuts par rapport à un traitement moins optimisé.
Objectif n°2 : Augmenter la connaissance et la visualisation des processus. Pour les processus tels que l'agrégation, Järveläinen déclare : « Vous ne voyez pas beaucoup d'informations à partir d'un simple instantané. Vous prélevez simplement un échantillon, vous allez au laboratoire et vous regardez à quoi cela ressemblait il y a quelques minutes ou heures. C'est comme conduire sur l'autoroute, toutes les heures. Ouvrez les yeux pendant une minute et essayez de prédire où va la route. Sause est d'accord, notant que le réseau de capteurs développé dans CosiMo « nous aide à obtenir une image complète du processus et du comportement des matériaux. Nous pouvons constater des effets locaux dans le processus, en réponse aux variations d'épaisseur des pièces ou des matériaux intégrés tels que le noyau en mousse. Ce que nous essayons de faire, c'est de fournir des informations sur ce qui se passe réellement dans le moule. Cela nous permet de déterminer diverses informations telles que la forme du front d’écoulement, l’arrivée de chaque temps partiel et le degré d’agrégation à chaque emplacement de capteur.
Collo travaille avec des fabricants d'adhésifs époxy, de peintures et même de bière pour créer des profils de processus pour chaque lot produit. Désormais, chaque fabricant peut visualiser la dynamique de son processus et définir des paramètres plus optimisés, avec des alertes pour intervenir lorsque les lots sont hors spécifications. stabiliser et améliorer la qualité.
Vidéo du front d'écoulement dans une pièce CosiMo (l'entrée d'injection est le point blanc au centre) en fonction du temps, basée sur les données de mesure d'un réseau de capteurs intégrés au moule. Crédit image : projet CosiMo, DLR ZLP Augsburg, Université de Augsbourg
"Je veux savoir ce qui se passe pendant la fabrication des pièces, pas ouvrir la boîte et voir ce qui se passe ensuite", explique Karapapas de Meggitt. "Les produits que nous avons développés à l'aide des capteurs diélectriques de Cranfield nous ont permis de voir le processus in situ, et nous avons également pu pour vérifier le durcissement de la résine. L'utilisation des six types de capteurs décrits ci-dessous (liste non exhaustive, juste une petite sélection, fournisseurs également) permet de surveiller le durcissement/polymérisation et le flux de résine. Certains capteurs ont des capacités supplémentaires et des types de capteurs combinés peuvent étendre les possibilités de suivi et de visualisation. lors du moulage de composites. Cela a été démontré lors de CosiMo, qui utilisait des capteurs en mode ultrasoniques, diélectriques et piézorésistifs pour les mesures de température et de pression par Kistler (Winterthur, Suisse).
Objectif n°3 : Réduire le temps de cycle. Les capteurs Collo peuvent mesurer l'uniformité de l'époxy à durcissement rapide en deux parties lorsque les parties A et B sont mélangées et injectées pendant le RTM et à chaque endroit du moule où ces capteurs sont placés. Cela pourrait aider à permettre des résines à durcissement plus rapide pour des applications telles que la mobilité aérienne urbaine (UAM), qui fourniraient des cycles de durcissement plus rapides par rapport aux époxy monocomposants actuels tels que le RTM6.
Les capteurs Collo peuvent également surveiller et visualiser l'époxy en cours de dégazage, d'injection et de durcissement, ainsi que la fin de chaque processus. La finition du durcissement et d'autres processus basés sur l'état réel du matériau en cours de traitement (par rapport aux recettes traditionnelles de temps et de température) sont appelés gestion de l'état des matériaux. (MSM).Des sociétés telles que AvPro (Norman, Oklahoma, États-Unis) poursuivent le MSM depuis des décennies pour suivre les changements dans les matériaux et les processus des pièces tout en poursuivant des objectifs spécifiques en matière de température de transition vitreuse (Tg), de viscosité, de polymérisation et/ou cristallisation. Par exemple, un réseau de capteurs et d'analyses numériques dans CosiMo ont été utilisés pour déterminer le temps minimum requis pour chauffer la presse et le moule RTM et ont constaté que 96 % de la polymérisation maximale était atteinte en 4,5 minutes.
Les fournisseurs de capteurs diélectriques tels que Lambient Technologies (Cambridge, MA, USA), Netzsch (Selb, Allemagne) et Synthesites (Uccle, Belgique) ont également démontré leur capacité à réduire les temps de cycle. Projet R&D de Synthesites avec le fabricant de composites Hutchinson (Paris, France ) et Bombardier Belfast (maintenant Spirit AeroSystems (Belfast, Irlande)) rapportent que, sur la base de mesures en temps réel de la résistance et de la température de la résine, via son unité d'acquisition de données Optimold et le logiciel Optiview, il convertit la viscosité et la Tg estimées. « Les fabricants peuvent voir la Tg. en temps réel, afin qu'ils puissent décider quand arrêter le cycle de durcissement », explique Nikos Pantelelis, directeur de Synthesites. « Ils n'ont pas à attendre pour terminer un cycle de transfert plus long que nécessaire. Par exemple, le cycle traditionnel du RTM6 est une polymérisation complète de 2 heures à 180°C. Nous avons vu que cette durée peut être réduite à 70 minutes dans certaines géométries. Cela a également été démontré dans le projet INNOTOOL 4.0 (voir « Accélération du RTM avec des capteurs de flux thermique »), où l'utilisation d'un capteur de flux thermique a raccourci le cycle de durcissement du RTM6 de 120 minutes à 90 minutes.
Objectif n°4 : Contrôle en boucle fermée des processus adaptatifs. Pour le projet CosiMo, le but ultime est d'automatiser le contrôle en boucle fermée lors de la production de pièces composites. C'est également l'objectif des projets ZAero et iComposite 4.0 rapportés par CW dans 2020 (réduction des coûts de 30 à 50 %). Notez qu'ils impliquent différents processus : placement automatisé du ruban préimprégné (ZAero) et préformage par pulvérisation de fibres par rapport au T-RTM haute pression dans CosiMo pour RTM avec époxy à durcissement rapide (iComposite 4.0).Tous de ces projets utilisent des capteurs avec des modèles numériques et des algorithmes pour simuler le processus et prédire le résultat de la pièce finie.
Le contrôle des processus peut être considéré comme une série d'étapes, a expliqué Sause. La première étape consiste à intégrer les capteurs et les équipements de processus, a-t-il déclaré, « pour visualiser ce qui se passe dans la boîte noire et les paramètres à utiliser. Les quelques autres étapes, peut-être la moitié du contrôle en boucle fermée, consistent à pouvoir appuyer sur le bouton d'arrêt pour intervenir, régler le processus et éviter le rejet de pièces. Comme dernière étape, vous pouvez développer un jumeau numérique, qui peut être automatisé, mais nécessite également un investissement dans des méthodes d'apprentissage automatique. Dans CosiMo, cet investissement permet aux capteurs d'alimenter le jumeau numérique en données. L'analyse Edge (calculs effectués en bord de ligne de production versus calculs à partir d'un référentiel de données central) est ensuite utilisée pour prédire la dynamique du front d'écoulement, la teneur en fibres par préforme textile. et des points secs potentiels. "Idéalement, vous pouvez établir des paramètres pour permettre un contrôle et un réglage en boucle fermée du processus", a déclaré Sause. "Ceux-ci incluront des paramètres tels que la pression d'injection, la pression du moule et la température. Vous pouvez également utiliser ces informations pour optimiser votre matériel.
Ce faisant, les entreprises utilisent des capteurs pour automatiser les processus. Par exemple, Synthesites travaille avec ses clients pour intégrer des capteurs à des équipements permettant de fermer l'entrée de résine lorsque l'infusion est terminée, ou d'allumer la presse à chaud lorsque le durcissement cible est atteint.
Järveläinen note que pour déterminer quel capteur convient le mieux à chaque cas d'utilisation, « vous devez comprendre les changements dans le matériau et le processus que vous souhaitez surveiller, puis vous devez disposer d'un analyseur ». Un analyseur acquiert les données collectées par un interrogateur ou une unité d'acquisition de données. données brutes et les convertir en informations utilisables par le fabricant. « En fait, de nombreuses entreprises intègrent des capteurs, mais elles ne font rien avec les données », a déclaré Sause. Ce qu'il faut, a-t-il expliqué, c'est « un système d’acquisition de données, ainsi qu’une architecture de stockage de données pour pouvoir traiter les données.
« Les utilisateurs finaux ne veulent pas seulement voir des données brutes », explique Järveläinen. « Ils veulent savoir : « Le processus est-il optimisé ? » Quand peut-on passer à l'étape suivante ? » Pour ce faire, vous devez combiner plusieurs capteurs. pour l’analyse, puis utilisez l’apprentissage automatique pour accélérer le processus. Cette approche d'analyse des bords et d'apprentissage automatique utilisée par l'équipe Collo et CosiMo peut être réalisée grâce à des cartes de viscosité, des modèles numériques du front d'écoulement de la résine et la capacité de contrôler finalement les paramètres du processus et les machines est visualisée.
Optimold est un analyseur développé par Synthesites pour ses capteurs diélectriques. Contrôlé par le logiciel Optiview de Synthesites, l'unité Optimold utilise des mesures de température et de résistance de la résine pour calculer et afficher des graphiques en temps réel afin de surveiller l'état de la résine, notamment le rapport de mélange, le vieillissement chimique, la viscosité, la Tg. et le degré de durcissement. Il peut être utilisé dans les processus de formage de préimprégnés et de liquides. Une unité séparée Optiflow est utilisée pour la surveillance du débit. Synthesites a également développé un simulateur de durcissement qui ne nécessite pas de capteur de durcissement dans le moule ou la pièce, mais utilise à la place un capteur de température et échantillons de résine/préimprégnés dans cette unité d'analyse. « Nous utilisons cette méthode de pointe pour l'infusion et le durcissement des adhésifs pour la production de pales d'éoliennes », a déclaré Nikos Pantelelis, directeur de Synthesites.
Les systèmes de contrôle de processus Synthesites intègrent des capteurs, des unités d'acquisition de données Optiflow et/ou Optimold et le logiciel OptiView et/ou Online Resin Status (ORS). Crédit image : Synthesites, édité par The CW
Par conséquent, la plupart des fournisseurs de capteurs ont développé leurs propres analyseurs, certains utilisant l'apprentissage automatique et d'autres non. Mais les fabricants de composites peuvent également développer leurs propres systèmes personnalisés ou acheter des instruments disponibles dans le commerce et les modifier pour répondre à des besoins spécifiques. Cependant, la capacité de l'analyseur est un seul facteur à considérer. Il y en a bien d’autres.
Le contact est également une considération importante lors du choix du capteur à utiliser. Le capteur peut devoir être en contact avec le matériau, l'interrogateur ou les deux. Par exemple, des capteurs de flux thermique et à ultrasons peuvent être insérés dans un moule RTM de 1 à 20 mm de la surface – une surveillance précise ne nécessite pas de contact avec le matériau dans le moule. Les capteurs à ultrasons peuvent également interroger les pièces à différentes profondeurs en fonction de la fréquence utilisée. Les capteurs électromagnétiques Collo peuvent également lire la profondeur des liquides ou des pièces – 2 à 10 cm, selon sur la fréquence des interrogations – et via des récipients ou outils non métalliques en contact avec la résine.
Cependant, les microfils magnétiques (voir « Surveillance sans contact de la température et de la pression à l'intérieur des composites ») sont actuellement les seuls capteurs capables d'interroger les composites à une distance de 10 cm. En effet, ils utilisent l'induction électromagnétique pour susciter une réponse du capteur, ce qui est intégré dans le matériau composite. Le capteur à microfils ThermoPulse d'AvPro, intégré dans la couche de liaison adhésive, a été interrogé à travers un stratifié en fibre de carbone de 25 mm d'épaisseur pour mesurer la température pendant le processus de liaison. Puisque les microfils ont un diamètre poilu de 3 à 70 microns, ils n'affectent pas les performances du composite ou de la ligne de liaison. À des diamètres légèrement plus grands de 100 à 200 microns, les capteurs à fibre optique peuvent également être intégrés sans dégrader les propriétés structurelles. Cependant, comme ils utilisent la lumière pour mesurer, les capteurs à fibre optique doivent avoir une connexion filaire au interrogateur. De même, étant donné que les capteurs diélectriques utilisent la tension pour mesurer les propriétés de la résine, ils doivent également être connectés à un interrogateur et la plupart doivent également être en contact avec la résine qu'ils surveillent.
Le capteur Collo Probe (en haut) peut être immergé dans des liquides, tandis que la plaque Collo (en bas) est installée dans la paroi d'un récipient/cuve de mélange ou d'une tuyauterie de traitement/conduite d'alimentation. Crédit image : ColloidTek Oy
La capacité de température du capteur est une autre considération clé. Par exemple, la plupart des capteurs à ultrasons disponibles dans le commerce fonctionnent généralement à des températures allant jusqu'à 150 °C, mais les pièces dans CosiMo doivent être formées à des températures supérieures à 200 °C. Par conséquent, UNA a dû concevoir un capteur à ultrasons doté de cette capacité. Les capteurs diélectriques jetables de Lambient peuvent être utilisés sur des surfaces de pièces jusqu'à 350°C, et ses capteurs réutilisables dans le moule peuvent être utilisés jusqu'à 250°C. RVmagnétiques (Kosice, Slovaquie) a développé son capteur à microfils pour matériaux composites pouvant résister au durcissement à 500 °C. Bien que la technologie du capteur Collo elle-même n'ait aucune limite de température théorique, le bouclier en verre trempé de la plaque Collo et le nouveau boîtier en polyétheréthercétone (PEEK) pour la sonde Collo sont tous deux testés. pour un service continu à 150°C, selon Järveläinen. Parallèlement, PhotonFirst (Alkmaar, Pays-Bas) a utilisé un revêtement en polyimide pour fournir une température de fonctionnement de 350°C à son capteur à fibre optique pour le projet SuCoHS, pour un fonctionnement durable et rentable. composite haute température efficace.
Un autre facteur à considérer, notamment pour l'installation, est de savoir si le capteur mesure en un seul point ou s'il s'agit d'un capteur linéaire avec plusieurs points de détection. Par exemple, les capteurs à fibre optique Com&Sens (Eke, Belgique) peuvent mesurer jusqu'à 100 mètres de long et comporter jusqu'à à 40 points de détection à réseau de Bragg à fibre (FBG) avec un espacement minimum de 1 cm. Ces capteurs ont été utilisés pour la surveillance de l'état structurel (SHM) de ponts composites de 66 mètres de long et pour la surveillance du flux de résine lors de l'infusion de grands tabliers de pont. des capteurs ponctuels individuels pour un tel projet nécessiteraient un grand nombre de capteurs et beaucoup de temps d'installation. NCC et l'Université de Cranfield revendiquent des avantages similaires pour leurs capteurs diélectriques linéaires. Par rapport aux capteurs diélectriques à point unique proposés par Lambient, Netzsch et Synthesites, " Grâce à notre capteur linéaire, nous pouvons surveiller le flux de résine en continu sur toute la longueur, ce qui réduit considérablement le nombre de capteurs requis dans la pièce ou l'outil.
AFP NLR pour capteurs à fibre optique Une unité spéciale est intégrée dans le 8ème canal de la tête AFP Coriolis pour placer quatre réseaux de capteurs à fibre optique dans un panneau de test composite renforcé de fibre de carbone à haute température. Crédit image : Projet SuCoHS, NLR
Les capteurs linéaires aident également à automatiser les installations. Dans le cadre du projet SuCoHS, Royal NLR (Dutch Aerospace Centre, Marknesse) a développé une unité spéciale intégrée au 8ème canal Automated Fiber Placement (AFP) de Coriolis Composites (Queven, France) pour intégrer quatre réseaux ( lignes de fibre optique séparées), chacune avec 5 à 6 capteurs FBG (PhotonFirst propose un total de 23 capteurs), dans des panneaux de test en fibre de carbone. RVmagnétiques a placé ses capteurs à microfils dans des barres d'armature pultrudées en PRV. "Les fils sont discontinus [1-4 cm longs pour la plupart des microfils composites], mais sont automatiquement placés en continu lors de la production des barres d'armature », a déclaré Ratislav Varga, co-fondateur de RVmagnétiques. « Vous avez un microfil avec un microfil de 1 km. bobines de filament et les alimenter dans l’usine de production de barres d’armature sans changer la façon dont les barres d’armature sont fabriquées. Parallèlement, Com&Sens travaille sur une technologie automatisée permettant d'intégrer des capteurs à fibre optique pendant le processus d'enroulement du filament dans des récipients sous pression.
En raison de sa capacité à conduire l'électricité, la fibre de carbone peut poser des problèmes avec les capteurs diélectriques. Les capteurs diélectriques utilisent deux électrodes proches l'une de l'autre. « Si les fibres relient les électrodes, elles court-circuitent le capteur », explique Huan Lee, fondateur de Lambient. Dans ce cas, utilisez un filtre. « Le filtre laisse passer la résine à travers les capteurs, mais les isole de la fibre de carbone. » Le capteur diélectrique linéaire développé par l'Université de Cranfield et NCC utilise une approche différente, comprenant deux paires torsadées de fils de cuivre. Lorsqu'une tension est appliquée, un champ électromagnétique est créé entre les fils, qui est utilisé pour mesurer l'impédance de la résine. Les fils sont revêtus avec un polymère isolant qui n'affecte pas le champ électrique, mais empêche la fibre de carbone de se court-circuiter.
Bien entendu, le coût est également un problème. Com&Sens indique que le coût moyen par point de détection FBG est de 50 à 125 euros, qui peut chuter à environ 25 à 35 euros s'il est utilisé par lots (par exemple, pour 100 000 récipients sous pression). seulement une fraction de la capacité de production actuelle et projetée des récipients sous pression composites, voir l'article de CW de 2021 sur l'hydrogène.) Karapapas de Meggitt dit avoir reçu des offres pour des lignes à fibre optique avec des capteurs FBG d'une valeur moyenne de 250 £/capteur (≈300 €/capteur), l'interrogateur vaut environ 10 000 £ (12 000 €). "Le capteur diélectrique linéaire que nous avons testé ressemblait plus à un fil enduit que l'on peut acheter dans le commerce", a-t-il ajouté. "L'interrogateur que nous utilisons", ajoute Alex Skordos, lecteur ( chercheur principal) en science des procédés composites à l'université de Cranfield, « est un analyseur d'impédance très précis et coûte au moins 30 000 £ [≈ 36 000 €], mais le NCC utilise un interrogateur beaucoup plus simple qui consiste essentiellement en des matériaux disponibles dans le commerce. modules de la société commerciale Advise Deta [Bedford, Royaume-Uni].” Synthesites propose 1 190 € pour les capteurs dans le moule et 20 € pour les capteurs à usage unique/pièces. En EUR, Optiflow est coté à 3 900 EUR et Optimold à 7 200 EUR, avec des remises croissantes pour les unités d'analyse multiples. Ces prix incluent le logiciel Optiview et tout le soutien nécessaire, a déclaré Pantelelis, ajoutant que les fabricants de pales éoliennes économisent 1,5 heure par cycle, ajoutent des pales par ligne et par mois et réduisent la consommation d'énergie de 20 pour cent, avec un retour sur investissement de seulement quatre mois.
Les entreprises utilisant des capteurs bénéficieront d'un avantage à mesure que la fabrication numérique de composites 4.0 évolue. Par exemple, déclare Grégoire Beauduin, directeur du développement commercial chez Com&Sens, « Alors que les fabricants d'appareils sous pression tentent de réduire le poids, l'utilisation de matériaux et les coûts, ils peuvent utiliser nos capteurs pour justifier leurs conceptions et surveillent la production à mesure qu'ils atteignent les niveaux requis d'ici 2030. Les mêmes capteurs utilisés pour évaluer les niveaux de contrainte dans les couches pendant l'enroulement filamentaire et le durcissement peuvent également surveiller l'intégrité du réservoir pendant des milliers de cycles de ravitaillement, prédire la maintenance requise et recertifier à la fin de la conception. vie. Nous pouvons Un pool de données jumelles numériques est fourni pour chaque récipient sous pression composite produit, et la solution est également en cours de développement pour les satellites.
Permettre les jumeaux et les fils numériques Com&Sens travaille avec un fabricant de composites pour utiliser ses capteurs à fibre optique afin de permettre le flux de données numériques à travers la conception, la production et le service (à droite) afin de prendre en charge les cartes d'identité numériques qui prennent en charge le jumeau numérique de chaque pièce (à gauche) fabriquée. Crédit image : Com&Sens et Figure 1, « Ingénierie avec des fils numériques » par V. Singh, K. Wilcox.
Ainsi, les données des capteurs soutiennent le jumeau numérique, ainsi que le fil numérique qui couvre la conception, la production, les opérations de service et l'obsolescence. Lorsqu'elles sont analysées à l'aide de l'intelligence artificielle et de l'apprentissage automatique, ces données sont réinjectées dans la conception et le traitement, améliorant ainsi les performances et la durabilité. a également changé la façon dont les chaînes d'approvisionnement fonctionnent ensemble. Par exemple, le fabricant d'adhésifs Kiilto (Tampere, Finlande) utilise des capteurs Collo pour aider ses clients à contrôler le rapport des composants A, B, etc. dans leur équipement de mélange d'adhésifs multi-composants. peut désormais ajuster la composition de ses adhésifs pour chaque client », explique Järveläinen, « mais cela permet également à Kiilto de comprendre comment les résines interagissent dans les processus des clients et comment les clients interagissent avec leurs produits, ce qui modifie la manière dont l'approvisionnement est effectué. Les chaînes peuvent travailler ensemble.
OPTO-Light utilise des capteurs Kistler, Netzsch et Synthesites pour surveiller le durcissement des pièces CFRP époxy surmoulées thermoplastiques. Crédit image : AZL
Les capteurs prennent également en charge de nouvelles combinaisons innovantes de matériaux et de processus. Décrit dans l'article 2019 de CW sur le projet OPTO-Light (voir « Thermoplastic Overmolding Thermosets, 2-Minute Cycle, One Battery »), AZL Aachen (Aix-la-Chapelle, Allemagne) utilise un processus en deux étapes. processus pour comprimer horizontalement un seul préimprégné de fibre de carbone/époxy To (UD), puis surmoulé avec du PA6 renforcé à 30 % de fibres de verre courtes. La clé est de ne durcir que partiellement le préimprégné afin que la réactivité restante dans l'époxy puisse permettre la liaison au thermoplastique. .AZL utilise les analyseurs Optimold et Netzsch DEA288 Epsilon avec les capteurs diélectriques Synthesites et Netzsch, les capteurs dans le moule Kistler et le logiciel DataFlow pour optimiser le moulage par injection. comprendre l'état de durcissement afin d'obtenir une bonne connexion avec le surmoulage thermoplastique », explique Richard Schares, ingénieur de recherche chez AZL. "À l'avenir, le processus pourrait être adaptatif et intelligent, la rotation du processus étant déclenchée par les signaux des capteurs."
Cependant, il existe un problème fondamental, explique Järveläinen, « à savoir le manque de compréhension des clients sur la manière d'intégrer ces différents capteurs dans leurs processus. La plupart des entreprises ne disposent pas d'experts en capteurs. Actuellement, la voie à suivre nécessite que les fabricants de capteurs et les clients échangent des informations dans les deux sens. Des organisations telles que l'AZL, le DLR (Augsbourg, Allemagne) et NCC développent une expertise multi-capteurs. Sause a déclaré qu'il existe des groupes au sein de l'UNA, ainsi que des spin-offs. entreprises qui proposent des services d'intégration de capteurs et de jumeaux numériques. Il a ajouté que le réseau de production d'IA d'Augsbourg a loué une installation de 7 000 mètres carrés à cet effet, « élargissant le plan de développement de CosiMo à une portée très large, y compris des cellules d'automatisation liées, où les partenaires industriels peut placer des machines, exécuter des projets et apprendre à intégrer de nouvelles solutions d’IA.
Carapappas a déclaré que la démonstration du capteur diélectrique de Meggitt au NCC n'était que la première étape. « En fin de compte, je souhaite surveiller mes processus et flux de travail et les intégrer dans notre système ERP afin de savoir à l'avance quels composants fabriquer, quelles personnes je besoin et quels matériaux commander. L’automatisation numérique se développe.
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Heure de publication : 20 mai 2022
