أجهزة الاستشعار: بيانات للجيل القادم من تصنيع المركبات | عالم المركبات

سعيًا لتحقيق الاستدامة، تعمل أجهزة الاستشعار على تقليل أوقات الدورات، واستخدام الطاقة والنفايات، وأتمتة التحكم في العمليات ذات الحلقة المغلقة وزيادة المعرفة، وفتح إمكانيات جديدة للتصنيع والهياكل الذكية.#sensors #sustainability #SHM
أجهزة الاستشعار على اليسار (من الأعلى إلى الأسفل): التدفق الحراري (TFX)، والعوازل الكهربائية داخل القالب (Lambient)، والموجات فوق الصوتية (جامعة أوغسبورغ)، والعوازل الكهربائية التي يمكن التخلص منها (Synthesites)، وبين البنسات والمزدوجات الحرارية Microwire (AvPro). الرسوم البيانية (أعلى، في اتجاه عقارب الساعة): ثابت العزل الكهربائي للكولو (CP) مقابل اللزوجة الأيونية للكولو (CIV)، ومقاومة الراتنج مقابل الزمن (Synthesites) والنموذج الرقمي للتشكيلات المزروعة بالكابرولاكتام باستخدام أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية (مشروع CosiMo، DLR ZLP، جامعة أوغسبورغ).
مع استمرار الصناعة العالمية في الخروج من جائحة كوفيد-19، فقد تحولت إلى إعطاء الأولوية للاستدامة، الأمر الذي يتطلب تقليل النفايات واستهلاك الموارد (مثل الطاقة والمياه والمواد). ونتيجة لذلك، يجب أن يصبح التصنيع أكثر كفاءة وأكثر ذكاءً. لكن هذا يتطلب معلومات. بالنسبة للمركبات، من أين تأتي هذه البيانات؟
كما هو موضح في سلسلة مقالات CW's 2020 Composites 4.0، فإن تحديد القياسات اللازمة لتحسين جودة الجزء والإنتاج، وأجهزة الاستشعار اللازمة لتحقيق تلك القياسات، هو الخطوة الأولى في التصنيع الذكي. خلال عامي 2020 و2021، أبلغت CW عن أجهزة الاستشعار - العازلة للكهرباء أجهزة الاستشعار، وأجهزة استشعار التدفق الحراري، وأجهزة استشعار الألياف البصرية، وأجهزة الاستشعار غير المتصلة التي تستخدم الموجات فوق الصوتية والكهرومغناطيسية - بالإضافة إلى المشاريع التي توضح قدراتها (انظر مجموعة محتوى أجهزة الاستشعار عبر الإنترنت الخاصة بـ CW). تعتمد هذه المقالة على هذا التقرير من خلال مناقشة أجهزة الاستشعار المستخدمة في المواد المركبة المواد، وفوائدها والتحديات الموعودة بها، والمشهد التكنولوجي قيد التطوير. ومن الجدير بالذكر أن الشركات التي تبرز كقادة في صناعة المواد المركبة تستكشف هذا الفضاء وتتنقل فيه بالفعل.
شبكة أجهزة الاستشعار في CosiMo يتم استخدام شبكة مكونة من 74 جهاز استشعار - 57 منها عبارة عن أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية تم تطويرها في جامعة أوغسبورغ (كما هو موضح على اليمين، نقاط زرقاء فاتحة في نصفي القالب العلوي والسفلي) - في عرض الغطاء لـ T-RTM صب مشروع CosiMo للبطاريات المركبة البلاستيكية الحرارية. حقوق الصورة: مشروع CosiMo، DLR ZLP Augsburg، University of Augsburg
الهدف رقم 1: توفير المال. تصف مدونة CW لشهر ديسمبر 2021، "أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية المخصصة لتحسين العمليات المركبة والتحكم فيها"، العمل في جامعة أوغسبورغ (UNA، أوغسبورغ، ألمانيا) لتطوير شبكة من 74 مستشعرًا لـ CosiMo مشروع لتصنيع نموذج توضيحي لغطاء بطارية السيارة الكهربائية (مواد مركبة في وسائل النقل الذكية). يتم تصنيع الجزء باستخدام قالب نقل راتنجات اللدائن الحرارية (T-RTM)، الذي يعمل على بلمرة مونومر الكابرولاكتام في الموقع إلى مركب بولي أميد 6 (PA6). ماركوس سوس، أستاذ في UNA ورئيس شبكة إنتاج الذكاء الاصطناعي (AI) التابعة لـ UNA في أوغسبورغ، يشرح سبب أهمية أجهزة الاستشعار: "إن أكبر ميزة نقدمها هي تصور ما يحدث داخل الصندوق الأسود أثناء المعالجة. حاليًا، تمتلك معظم الشركات المصنعة أنظمة محدودة لتحقيق ذلك. على سبيل المثال، يستخدمون أجهزة استشعار بسيطة جدًا أو محددة عند استخدام ضخ الراتنج لصنع أجزاء كبيرة من الفضاء الجوي. إذا سارت عملية التسريب بشكل خاطئ، فستكون لديك قطعة كبيرة من الخردة. ولكن إذا كان لديك حلول لفهم الخطأ الذي حدث في عملية الإنتاج ولماذا، فيمكنك إصلاحه وتصحيحه، مما يوفر عليك الكثير من المال.
تعد المزدوجات الحرارية مثالاً على "جهاز استشعار بسيط أو محدد" تم استخدامه لعقود من الزمن لمراقبة درجة حرارة الشرائح المركبة أثناء المعالجة بالأوتوكلاف أو الفرن. كما أنها تستخدم للتحكم في درجة الحرارة في الأفران أو بطانيات التسخين لمعالجة رقع الإصلاح المركبة باستخدام الروابط الحرارية. يستخدم مصنعو الراتينج مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار في المختبر لمراقبة التغيرات في لزوجة الراتينج مع مرور الوقت ودرجة الحرارة لتطوير تركيبات العلاج. ومع ذلك، فإن ما يظهر هو شبكة استشعار يمكنها تصور عملية التصنيع والتحكم فيها في الموقع بناءً على معلمات متعددة (على سبيل المثال، درجة الحرارة والضغط) وحالة المادة (على سبيل المثال، اللزوجة، التجميع، التبلور).
على سبيل المثال، يستخدم جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الذي تم تطويره لمشروع CosiMo نفس مبادئ الفحص بالموجات فوق الصوتية، والذي أصبح الدعامة الأساسية للاختبار غير المدمر (NDI) للأجزاء المركبة النهائية. بيتروس كاراباباس، المهندس الرئيسي في شركة Meggitt (لوبورو، المملكة المتحدة)، قال: "هدفنا هو تقليل الوقت والعمل اللازمين لفحص ما بعد الإنتاج للمكونات المستقبلية بينما نتحرك نحو التصنيع الرقمي." تعاون مركز المواد (NCC، بريستول، المملكة المتحدة) لإظهار مراقبة حلقة Solvay (Alpharetta، GA، الولايات المتحدة الأمريكية) EP 2400 أثناء RTM باستخدام مستشعر عازل خطي تم تطويره في جامعة كرانفيلد (كرانفيلد، المملكة المتحدة) لتدفق وعلاج الأوكسيريسين من أجل هيكل مركب يبلغ طوله 1.3 مترًا وعرضه 0.8 مترًا وعمقه 0.4 مترًا لمبادل حراري لمحرك طائرة تجارية. وقال كاراباباس: "اختبار كل جزء". "في الوقت الحالي، نقوم بصنع لوحات اختبار بجوار أجزاء RTM هذه ثم نقوم بإجراء اختبارات ميكانيكية للتحقق من صحة دورة المعالجة. ولكن مع هذا المستشعر، هذا ليس ضروريا.
يتم غمر مسبار Collo في وعاء خلط الطلاء (الدائرة الخضراء في الأعلى) لاكتشاف وقت اكتمال الخلط، مما يوفر الوقت والطاقة. حقوق الصورة: ColloidTek Oy
يقول ماتي جارفيلاينن، الرئيس التنفيذي ومؤسس شركة ColloidTek Oy (كولو، تامبيري، فنلندا): "إن هدفنا ليس أن نكون جهازًا مختبريًا آخر، بل التركيز على أنظمة الإنتاج". مزيج من أجهزة استشعار المجال الكهرومغناطيسي (EMF) ومعالجة الإشارات وتحليل البيانات لقياس "بصمة" أي سائل مثل المونومرات أو الراتنجات أو المواد اللاصقة. "ما نقدمه هو تقنية جديدة توفر ردود فعل مباشرة في الوقت الفعلي، حتى تتمكن من يقول Järveläinen: "فهم بشكل أفضل كيف تعمل عمليتك فعليًا والرد عندما تسوء الأمور". "تقوم أجهزة الاستشعار لدينا بتحويل البيانات في الوقت الفعلي إلى كميات فيزيائية مفهومة وقابلة للتنفيذ، مثل اللزوجة الريولوجية، والتي تسمح بتحسين العملية. على سبيل المثال، يمكنك تقصير أوقات الخلط لأنك تستطيع أن ترى بوضوح عند اكتمال الخلط. لذلك، يمكنك من خلاله زيادة الإنتاجية وتوفير الطاقة وتقليل الخردة مقارنةً بالمعالجة الأقل تحسينًا.
الهدف رقم 2: زيادة المعرفة بالعملية والتصور. بالنسبة لعمليات مثل التجميع، يقول جارفيلاينن: "إنك لا ترى الكثير من المعلومات من مجرد لقطة سريعة. أنت فقط تأخذ عينة وتذهب إلى المختبر وتنظر إلى ما كانت عليه قبل دقائق أو ساعات. إنه مثل القيادة على الطريق السريع، كل ساعة افتح عينيك لمدة دقيقة وحاول التنبؤ إلى أين يتجه الطريق. يوافق سوس على ذلك، مشيرًا إلى أن شبكة الاستشعار التي تم تطويرها في CosiMo "تساعدنا في الحصول على صورة كاملة للعملية والسلوك المادي. يمكننا أن نرى التأثيرات المحلية في العملية، استجابة للتغيرات في سمك الجزء أو المواد المتكاملة مثل قلب الرغوة. ما نحاول القيام به هو تقديم معلومات حول ما يحدث بالفعل في القالب. وهذا يتيح لنا تحديد معلومات مختلفة مثل شكل واجهة التدفق ووصول كل جزء من الوقت ودرجة التجميع في كل موقع استشعار.
تعمل Collo مع الشركات المصنعة للمواد اللاصقة الإيبوكسي والدهانات وحتى البيرة لإنشاء ملفات تعريف العملية لكل دفعة يتم إنتاجها. الآن يمكن لكل مصنع عرض ديناميكيات عمليته وتعيين معلمات أكثر تحسينًا، مع تنبيهات للتدخل عندما تكون الدفعات خارج المواصفات. وهذا يساعد استقرار وتحسين الجودة.
فيديو لمقدمة التدفق في جزء CosiMo (مدخل الحقن هو النقطة البيضاء في المنتصف) كدالة للوقت، استنادًا إلى بيانات القياس من شبكة استشعار داخل القالب. حقوق الصورة: مشروع CosiMo، DLR ZLP Augsburg، جامعة اوغسبورغ
يقول كاراباباس من شركة Meggitt: "أريد أن أعرف ما يحدث أثناء تصنيع الأجزاء، وليس أن أفتح الصندوق وأرى ما يحدث بعد ذلك". للتحقق من معالجة الراتنج." باستخدام جميع أنواع أجهزة الاستشعار الستة الموضحة أدناه (ليست قائمة شاملة، مجرد مجموعة صغيرة من الموردين أيضًا)، يمكن مراقبة المعالجة/البلمرة وتدفق الراتنج. تتمتع بعض أجهزة الاستشعار بقدرات إضافية، ويمكن لأنواع أجهزة الاستشعار المدمجة توسيع إمكانيات التتبع والتصور أثناء القولبة المركبة. وقد تم توضيح ذلك خلال شركة CosiMo، التي استخدمت أجهزة استشعار في الوضع بالموجات فوق الصوتية والعازلة والضغطية لقياسات درجة الحرارة والضغط بواسطة كيستلر (فينترثور، سويسرا).
الهدف رقم 3: تقليل وقت الدورة. يمكن لأجهزة استشعار Collo قياس تجانس الإيبوكسي سريع المعالجة المكون من جزأين حيث يتم خلط الجزأين A وB وحقنهما أثناء RTM وفي كل مكان في القالب حيث يتم وضع هذه المستشعرات. وهذا يمكن أن يساعد في التمكين راتنجات معالجة أسرع لتطبيقات مثل التنقل الجوي الحضري (UAM)، والتي من شأنها أن توفر دورات معالجة أسرع مقارنة بالإيبوكسيات الحالية المكونة من جزء واحد مثل RTM6.
يمكن لمستشعرات Collo أيضًا مراقبة وتصور عملية تفريغ الإيبوكسي وحقنه ومعالجته، وعند اكتمال كل عملية. يُطلق على عملية المعالجة النهائية والعمليات الأخرى بناءً على الحالة الفعلية للمادة التي تتم معالجتها (مقابل وصفات الوقت ودرجة الحرارة التقليدية) إدارة حالة المادة (MSM).تسعى شركات مثل AvPro ​​​​(نورمان، أوكلاهوما، الولايات المتحدة الأمريكية) إلى متابعة MSM منذ عقود لتتبع التغيرات في المواد والعمليات الجزئية حيث تسعى لتحقيق أهداف محددة لدرجة حرارة التحول الزجاجي (Tg) واللزوجة والبلمرة و/أو التبلور. على سبيل المثال، تم استخدام شبكة من أجهزة الاستشعار والتحليل الرقمي في CosiMo لتحديد الحد الأدنى من الوقت المطلوب لتسخين مكبس RTM والقالب، ووجدت أنه تم تحقيق 96٪ من الحد الأقصى للبلمرة في 4.5 دقيقة.
كما أثبت موردو أجهزة الاستشعار العازلة، مثل Lambient Technologies (كامبريدج، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية)، وNetzsch (Selb، ألمانيا) وSynthesites (Uccle، بلجيكا) أيضًا قدرتهم على تقليل أوقات الدورة. مشروع البحث والتطوير لشركة Synthesites مع الشركات المصنعة للمواد المركبة Hutchinson (باريس، فرنسا) ) وشركة Bombardier Belfast (المعروفة الآن باسم Spirit AeroSystems (بلفاست، أيرلندا)) تشير إلى أنه بناءً على قياسات في الوقت الفعلي لمقاومة الراتنج ودرجة الحرارة، من خلال وحدة الحصول على بيانات Optimold وبرنامج Optiview، يتم التحويل إلى اللزوجة المقدرة وTg. يشرح نيكوس بانتيلليس، مدير قسم التخليق، "في الوقت الفعلي، حتى يتمكنوا من تحديد موعد إيقاف دورة المعالجة". "ليس عليهم الانتظار لإكمال دورة ترحيل أطول من اللازم. على سبيل المثال، الدورة التقليدية لـ RTM6 هي معالجة كاملة لمدة ساعتين عند 180 درجة مئوية. لقد رأينا أنه يمكن اختصار ذلك إلى 70 دقيقة في بعض الأشكال الهندسية. وقد تم توضيح ذلك أيضًا في مشروع INNOTOOL 4.0 (راجع "تسريع RTM باستخدام مستشعرات التدفق الحراري")، حيث أدى استخدام مستشعر التدفق الحراري إلى تقصير دورة المعالجة RTM6 من 120 دقيقة إلى 90 دقيقة.
الهدف رقم 4: التحكم في الحلقة المغلقة للعمليات التكيفية. بالنسبة لمشروع CosiMo، الهدف النهائي هو أتمتة التحكم في الحلقة المغلقة أثناء إنتاج الأجزاء المركبة. وهذا أيضًا هو هدف مشروعي ZAero وiComposite 4.0 الذي أبلغت عنه CW في 2020 (تخفيض التكلفة بنسبة 30-50%). لاحظ أن هذه تتضمن عمليات مختلفة - الوضع الآلي لشريط التقوية المسبق (ZAero) وتشكيل رذاذ الألياف مقارنةً بالضغط العالي T-RTM في CosiMo لـ RTM مع إيبوكسي سريع المعالجة (iComposite 4.0).الكل تستخدم هذه المشاريع أجهزة استشعار ذات نماذج رقمية وخوارزميات لمحاكاة العملية والتنبؤ بنتائج الجزء النهائي.
وأوضح سوس أنه يمكن اعتبار التحكم في العمليات بمثابة سلسلة من الخطوات. الخطوة الأولى هي دمج أجهزة الاستشعار ومعدات المعالجة، "لتصور ما يحدث في الصندوق الأسود والمعلمات التي يجب استخدامها. الخطوات القليلة الأخرى، ربما نصف التحكم في الحلقة المغلقة، هي القدرة على الضغط على زر الإيقاف للتدخل، وضبط العملية ومنع الأجزاء المرفوضة. وكخطوة أخيرة، يمكنك تطوير توأم رقمي، والذي يمكن تشغيله آليًا، ولكنه يتطلب أيضًا الاستثمار في أساليب التعلم الآلي. في CosiMo، يمكّن هذا الاستثمار أجهزة الاستشعار من تغذية البيانات في التوأم الرقمي، ثم يتم استخدام تحليل الحافة (الحسابات التي يتم إجراؤها على حافة خط الإنتاج مقابل الحسابات من مستودع البيانات المركزي) للتنبؤ بديناميكيات التدفق الأمامية ومحتوى حجم الألياف لكل تشكيل نسيج والبقع الجافة المحتملة. وقال سوس: "من الناحية المثالية، يمكنك إنشاء إعدادات لتمكين التحكم في الحلقة المغلقة وضبط العملية". وستشمل هذه المعلمات مثل ضغط الحقن وضغط القالب ودرجة الحرارة. يمكنك أيضًا استخدام هذه المعلومات لتحسين المواد الخاصة بك.
ومن أجل القيام بذلك، تستخدم الشركات أجهزة استشعار لأتمتة العمليات. على سبيل المثال، تعمل شركة Synthesites مع عملائها على دمج أجهزة الاستشعار مع المعدات اللازمة لإغلاق مدخل الراتنج عند اكتمال التسريب، أو تشغيل الضغط الحراري عند تحقيق العلاج المستهدف.
ويشير Järveläinen إلى أنه لتحديد المستشعر الأفضل لكل حالة استخدام، "تحتاج إلى فهم التغييرات في المادة والعملية التي تريد مراقبتها، ومن ثم يجب أن يكون لديك محلل". يحصل المحلل على البيانات التي يجمعها المحقق أو وحدة الحصول على البيانات. البيانات الأولية وتحويلها إلى معلومات قابلة للاستخدام من قبل الشركة المصنعة. وقال سوس: "إنك ترى في الواقع الكثير من الشركات تدمج أجهزة الاستشعار، لكنها لا تفعل أي شيء بالبيانات". وأوضح أن ما نحتاجه هو "نظام". للحصول على البيانات، بالإضافة إلى بنية تخزين البيانات لتكون قادرة على معالجة البيانات.
يقول Järveläinen: "لا يرغب المستخدمون النهائيون في رؤية البيانات الأولية فحسب، بل يريدون أن يعرفوا: "هل تم تحسين العملية؟" متى يمكن اتخاذ الخطوة التالية؟" وللقيام بذلك، تحتاج إلى الجمع بين أجهزة استشعار متعددة. للتحليل، ثم استخدم التعلم الآلي لتسريع العملية. يمكن تحقيق تحليل الحافة ونهج التعلم الآلي الذي يستخدمه فريق Collo وCosiMo من خلال خرائط اللزوجة والنماذج الرقمية لواجهة تدفق الراتنج، ويتم تصور القدرة على التحكم في معلمات العملية والآلات في النهاية.
Optimold هو محلل تم تطويره بواسطة Synthesites لأجهزة الاستشعار العازلة. تستخدم وحدة Optimold، التي يتم التحكم فيها بواسطة برنامج Optiview من Synthesites، قياسات درجة الحرارة ومقاومة الراتنج لحساب وعرض الرسوم البيانية في الوقت الفعلي لمراقبة حالة الراتنج بما في ذلك نسبة المزيج والشيخوخة الكيميائية واللزوجة وTg ودرجة المعالجة. ويمكن استخدامه في عمليات التقوية المسبقة وتشكيل السائل. ويتم استخدام وحدة منفصلة Optiflow لمراقبة التدفق. وقد طورت شركة Synthesites أيضًا محاكي معالجة لا يتطلب مستشعر معالجة في القالب أو الجزء، ولكنه يستخدم بدلاً من ذلك جهاز استشعار للمعالجة. جهاز استشعار درجة الحرارة وعينات الراتنج/التحضير المسبق في وحدة التحليل هذه. "نحن نستخدم هذه الطريقة الحديثة للتسريب والمعالجة اللاصقة لإنتاج شفرات توربينات الرياح"، قال نيكوس بانتيلليس، مدير التركيبات.
تعمل أنظمة التحكم في العمليات الاصطناعية على دمج أجهزة الاستشعار ووحدات الحصول على البيانات Optiflow و/أو Optimold وبرنامج OptiView و/أو برنامج حالة الراتنج عبر الإنترنت (ORS). حقوق الصورة: Synthesites، تم تحريره بواسطة The CW
لذلك، قام معظم موردي أجهزة الاستشعار بتطوير محللاتهم الخاصة، وبعضهم يستخدم التعلم الآلي والبعض الآخر لا يستخدمه. ولكن يمكن لمصنعي المواد المركبة أيضًا تطوير أنظمتهم المخصصة أو شراء أدوات جاهزة وتعديلها لتلبية احتياجات محددة. ومع ذلك، فإن قدرة المحلل هي هناك عامل واحد فقط يجب أخذه بعين الاعتبار. وهناك عوامل أخرى كثيرة.
يعد الاتصال أيضًا أحد الاعتبارات المهمة عند اختيار المستشعر الذي سيتم استخدامه. قد يحتاج المستشعر إلى أن يكون على اتصال بالمادة أو المحقق أو كليهما. على سبيل المثال، يمكن إدخال مستشعرات التدفق الحراري والموجات فوق الصوتية في قالب RTM من 1 إلى 20 مم من السطح - لا تتطلب المراقبة الدقيقة ملامسة المادة الموجودة في القالب. يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية أيضًا استجواب الأجزاء على أعماق مختلفة اعتمادًا على التردد المستخدم. يمكن لأجهزة استشعار Collo الكهرومغناطيسية أيضًا قراءة عمق السوائل أو الأجزاء - 2-10 سم، اعتمادًا على على وتيرة الاستجواب – ومن خلال حاويات أو أدوات غير معدنية ملامسة للراتنج.
ومع ذلك، فإن الأسلاك المغناطيسية الدقيقة (انظر "مراقبة درجة الحرارة والضغط داخل المركبات دون اتصال") هي حاليًا المستشعرات الوحيدة القادرة على فحص المواد المركبة على مسافة 10 سم. وذلك لأنها تستخدم الحث الكهرومغناطيسي للحصول على استجابة من المستشعر، والذي تم تضمينه في المادة المركبة. وقد تم استجواب مستشعر ThermoPulse microwire من AvPro، المضمن في طبقة الرابطة اللاصقة، من خلال صفائح من ألياف الكربون بسمك 25 مم لقياس درجة الحرارة أثناء عملية الترابط. نظرًا لأن الأسلاك الدقيقة يبلغ قطرها المشعر 3-70 ميكرون، أنها لا تؤثر على الأداء المركب أو الرابط. في أقطار أكبر قليلاً من 100-200 ميكرون، يمكن أيضًا تضمين مستشعرات الألياف الضوئية دون تدهور الخصائص الهيكلية. ومع ذلك، لأنها تستخدم الضوء للقياس، يجب أن يكون لأجهزة استشعار الألياف الضوئية اتصال سلكي بالجهاز. المحقق. وبالمثل، بما أن أجهزة الاستشعار العازلة تستخدم الجهد لقياس خصائص الراتنج، فيجب أيضًا أن تكون متصلة بالمحقق، ويجب أن يكون معظمها أيضًا على اتصال بالراتنج الذي تراقبه.
يمكن غمر مستشعر Collo Probe (العلوي) في السوائل، بينما يتم تثبيت لوحة Collo (الأسفل) في جدار الوعاء/وعاء الخلط أو خط الأنابيب/التغذية. حقوق الصورة: ColloidTek Oy
تعتبر القدرة الحرارية للمستشعر أحد الاعتبارات الرئيسية الأخرى. على سبيل المثال، تعمل معظم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية المتوفرة في الأسواق عادةً عند درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية، ولكن الأجزاء في CosiMo تحتاج إلى التشكيل عند درجات حرارة أعلى من 200 درجة مئوية. لذلك، UNA كان على شركة Lambient تصميم مستشعر بالموجات فوق الصوتية بهذه الإمكانية. ويمكن استخدام أجهزة الاستشعار العازلة التي تستخدم لمرة واحدة من شركة Lambient على الأسطح الجزئية التي تصل درجة حرارتها إلى 350 درجة مئوية، ويمكن استخدام أجهزة الاستشعار الموجودة في القالب القابلة لإعادة الاستخدام حتى 250 درجة مئوية. وقد طورت شركة RVmagnetics (Kosice، سلوفاكيا) مستشعر السلك الصغير الخاص به للمواد المركبة التي يمكنها تحمل المعالجة عند درجة حرارة 500 درجة مئوية. في حين أن تقنية مستشعر Collo نفسها ليس لها حد نظري لدرجة الحرارة، فقد تم اختبار كل من الدرع الزجاجي المقسى للوحة Collo وغطاء البولي إيثيركيتون الجديد (PEEK) لمسبار Collo. للخدمة المستمرة عند 150 درجة مئوية، وفقًا لـ Järveläinen. وفي الوقت نفسه، استخدمت شركة PhotonFirst (ألكمار، هولندا) طبقة بوليميد لتوفير درجة حرارة تشغيل تبلغ 350 درجة مئوية لمستشعر الألياف الضوئية الخاص بها لمشروع SuCoHS، من أجل توفير خدمة مستدامة ومنخفضة التكلفة. مركب فعال لدرجة الحرارة العالية.
هناك عامل آخر يجب مراعاته، خاصة فيما يتعلق بالتثبيت، وهو ما إذا كان المستشعر يقيس عند نقطة واحدة أم أنه مستشعر خطي بنقاط استشعار متعددة. على سبيل المثال، يمكن أن يصل طول مستشعرات الألياف الضوئية Com&Sens (Eke، بلجيكا) إلى 100 متر وتتميز بما يصل إلى ما يصل إلى 40 نقطة استشعار لشبكة Bragg (FBG) من الألياف مع تباعد لا يقل عن 1 سم. وقد تم استخدام هذه المستشعرات لمراقبة الصحة الهيكلية (SHM) للجسور المركبة التي يبلغ طولها 66 مترًا ومراقبة تدفق الراتنج أثناء ضخ أسطح الجسور الكبيرة. تتطلب أجهزة الاستشعار النقطية الفردية لمثل هذا المشروع عددًا كبيرًا من أجهزة الاستشعار ووقتًا طويلاً للتثبيت. باستخدام المستشعر الخطي الخاص بنا، يمكننا مراقبة تدفق الراتنج بشكل مستمر على طول الطول، مما يقلل بشكل كبير من عدد المستشعرات المطلوبة في الجزء أو الأداة.
AFP NLR لأجهزة استشعار الألياف البصرية تم دمج وحدة خاصة في القناة الثامنة لرأس Coriolis AFP لوضع أربع مصفوفات من أجهزة استشعار الألياف الضوئية في لوحة اختبار مركبة معززة بألياف الكربون ذات درجة حرارة عالية. حقوق الصورة: SuCoHS Project، NLR
تساعد المستشعرات الخطية أيضًا في أتمتة عمليات التثبيت. في مشروع SuCoHS، طورت Royal NLR (مركز الفضاء الجوي الهولندي، Marknesse) وحدة خاصة مدمجة في رأس القناة الثامنة لوضع الألياف الآلي (AFP) لشركة Coriolis Composites (Queven، فرنسا) لتضمين أربع صفائف ( خطوط ألياف بصرية منفصلة)، يحتوي كل منها على 5 إلى 6 مستشعرات FBG (يقدم PhotonFirst إجمالي 23 مستشعرًا)، في لوحات اختبار ألياف الكربون. وقد وضعت RVmagnetics مستشعرات الأسلاك الدقيقة الخاصة بها في حديد التسليح GFRP النابض. "الأسلاك متقطعة [1-4 سم] وقال راتيسلاف فارجا، المؤسس المشارك لشركة RVmagnetics: "إنها طويلة بالنسبة لمعظم الأسلاك الدقيقة المركبة]، ولكن يتم وضعها تلقائيًا بشكل مستمر عند إنتاج حديد التسليح". "لديك سلك ميكروي بطول كيلومتر واحد. لفائف الخيوط وإدخالها في منشأة إنتاج حديد التسليح دون تغيير طريقة تصنيع حديد التسليح. وفي الوقت نفسه، تعمل شركة Com&Sens على تقنية آلية لدمج أجهزة استشعار الألياف الضوئية أثناء عملية لف الخيوط في أوعية الضغط.
بسبب قدرتها على توصيل الكهرباء، يمكن أن تسبب ألياف الكربون مشاكل مع أجهزة الاستشعار العازلة. تستخدم أجهزة الاستشعار العازلة قطبين كهربائيين موضوعين بالقرب من بعضهما البعض. يقول هوان لي، مؤسس شركة Lambient: "إذا قامت الألياف بتوصيل الأقطاب الكهربائية، فإنها تؤدي إلى قصر دائرة المستشعر". في هذه الحالة، استخدم مرشحًا. "يسمح المرشح للراتنج بالمرور عبر أجهزة الاستشعار، ولكنه يعزلها عن ألياف الكربون." يستخدم المستشعر العازل الخطي الذي طورته جامعة كرانفيلد وNCC نهجًا مختلفًا، بما في ذلك زوجين ملتويين من الأسلاك النحاسية. عند تطبيق الجهد الكهربي، يتم إنشاء مجال كهرومغناطيسي بين الأسلاك، والذي يستخدم لقياس مقاومة الراتنج. يتم تغليف الأسلاك مع بوليمر عازل لا يؤثر على المجال الكهربائي، ولكنه يمنع ألياف الكربون من القصور.
بالطبع، تعتبر التكلفة أيضًا مشكلة. تذكر شركة Com&Sens أن متوسط ​​التكلفة لكل نقطة استشعار FBG يتراوح بين 50-125 يورو، والتي قد تنخفض إلى حوالي 25-35 يورو إذا تم استخدامها على دفعات (على سبيل المثال، لـ 100000 وعاء ضغط). (هذا هو فقط جزء صغير من القدرة الإنتاجية الحالية والمتوقعة لأوعية الضغط المركبة، راجع مقال CW لعام 2021 حول الهيدروجين.) يقول Karapapas من شركة Meggitt إنه تلقى عروضًا لخطوط الألياف الضوئية مع أجهزة استشعار FBG بمتوسط ​​250 جنيهًا إسترلينيًا / مستشعر (≈300 يورو / مستشعر)، تبلغ قيمة المحقق حوالي 10,000 جنيه إسترليني (12,000 يورو). وأضاف: "كان المستشعر العازل الخطي الذي اختبرناه أشبه بسلك مطلي يمكنك شراؤه من على الرف". ويضيف القارئ أليكس سكوردوس: "المحقق الذي نستخدمه" ( باحث كبير) في علوم العمليات المركبة في جامعة كرانفيلد، "هو محلل مقاومة، وهو دقيق للغاية ويكلف ما لا يقل عن 30.000 جنيه إسترليني [≈ 36.000 يورو]، لكن NCC يستخدم محققًا أبسط بكثير يتكون أساسًا من أدوات جاهزة للاستخدام وحدات من الشركة التجارية Advise Deta [بيدفورد، المملكة المتحدة]." تسعر Synthesites بسعر 1,190 يورو لأجهزة الاستشعار الموجودة في القالب و20 يورو لأجهزة الاستشعار ذات الاستخدام الفردي/الجزء. باليورو، يبلغ سعر Optiflow 3,900 يورو وOptimold بسعر 7,200 يورو، مع خصومات متزايدة على وحدات التحليل المتعددة. تشمل هذه الأسعار برنامج Optiview وأي برامج أخرى. وقال بانتيلليس إن الدعم اللازم، مضيفًا أن الشركات المصنعة لشفرات الرياح توفر 1.5 ساعة لكل دورة، وتضيف شفرات لكل خط شهريًا، وتقلل من استخدام الطاقة بنسبة 20 بالمائة، مع عائد على الاستثمار لمدة أربعة أشهر فقط.
ستكتسب الشركات التي تستخدم أجهزة الاستشعار ميزة مع تطور التصنيع الرقمي للمركبات 4.0. على سبيل المثال، يقول جريجوار بودوين، مدير تطوير الأعمال في Com&Sens، "بينما يحاول مصنعو أوعية الضغط تقليل الوزن واستخدام المواد والتكلفة، يمكنهم استخدام أجهزة الاستشعار الخاصة بنا لتبرير تصميماتها ومراقبة الإنتاج عند وصولها إلى المستويات المطلوبة بحلول عام 2030. ويمكن لأجهزة الاستشعار نفسها المستخدمة لتقييم مستويات الضغط داخل الطبقات أثناء لف الفتيل ومعالجته أيضًا مراقبة سلامة الخزان خلال آلاف دورات التزود بالوقود، والتنبؤ بالصيانة المطلوبة وإعادة الاعتماد في نهاية التصميم. حياة. يمكننا توفير مجمع بيانات مزدوج رقمي لكل وعاء ضغط مركب يتم إنتاجه، ويتم أيضًا تطوير الحل للأقمار الصناعية.
تمكين التوائم والخيوط الرقمية تعمل شركة Com&Sens مع إحدى الشركات المصنعة للمواد المركبة لاستخدام مستشعرات الألياف الضوئية الخاصة بها لتمكين تدفق البيانات الرقمية من خلال التصميم والإنتاج والخدمة (يمين) لدعم بطاقات الهوية الرقمية التي تدعم التوأم الرقمي لكل جزء (يسار) مصنوع. حقوق الصورة: Com&Sens and Figure 1، "الهندسة باستخدام الخيوط الرقمية" بقلم V. Singh، K. Wilcox.
وبالتالي، تدعم بيانات الاستشعار التوأم الرقمي، فضلاً عن الخيط الرقمي الذي يمتد إلى التصميم والإنتاج وعمليات الخدمة والتقادم. وعند تحليلها باستخدام الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي، يتم تغذية هذه البيانات مرة أخرى في التصميم والمعالجة، مما يؤدي إلى تحسين الأداء والاستدامة. لقد غيرت أيضًا الطريقة التي تعمل بها سلاسل التوريد معًا. على سبيل المثال، تستخدم شركة تصنيع المواد اللاصقة Kiilto (تامبيري، فنلندا) أجهزة استشعار Collo لمساعدة عملائها على التحكم في نسبة المكونات A وB وما إلى ذلك في معدات خلط المواد اللاصقة متعددة المكونات الخاصة بهم. يقول Järveläinen: "يمكن الآن تعديل تركيبة المواد اللاصقة الخاصة بها للعملاء الأفراد، ولكنها تسمح أيضًا لشركة Kiilto بفهم كيفية تفاعل الراتنجات في عمليات العملاء، وكيف يتفاعل العملاء مع منتجاتهم، وهو ما يغير كيفية تقديم العرض". يمكن للسلاسل أن تعمل معًا."
يستخدم OPTO-Light أجهزة استشعار Kistler وNetzsch وSynthesites لمراقبة معالجة أجزاء CFRP من الإيبوكسي المقولب بالحرارة. حقوق الصورة: AZL
تدعم المستشعرات أيضًا مجموعات المواد والعمليات الجديدة المبتكرة. عملية لضغط ألياف الكربون / الإيبوكسي أحادية إلى (UD) أفقيًا، ثم يتم صبها بشكل زائد بنسبة 30٪ من الألياف الزجاجية القصيرة المقواة PA6. والمفتاح هو معالجة التقوية المسبقة جزئيًا فقط بحيث يمكن للتفاعل المتبقي في الإيبوكسي أن يمكّن من الارتباط باللدائن الحرارية تستخدم .AZL محللات Optimold وNetzsch DEA288 Epsilon مع أجهزة استشعار Synthesites وNetzsch العازلة وأجهزة استشعار Kistler داخل القالب وبرنامج DataFlow لتحسين قولبة الحقن. "يجب أن يكون لديك فهم عميق لعملية قولبة الضغط المسبق لأنه يجب عليك التأكد من أنك "فهم حالة العلاج من أجل تحقيق اتصال جيد بالقولبة الزائدة لللدائن الحرارية"، يوضح ريتشارد شاريس، مهندس الأبحاث في AZL. "في المستقبل، قد تكون العملية قابلة للتكيف وذكية، ويتم تشغيل دوران العملية بواسطة إشارات الاستشعار."
ومع ذلك، هناك مشكلة أساسية، كما يقول Järveläinen، "وهي عدم فهم العملاء لكيفية دمج هذه المستشعرات المختلفة في عملياتهم. معظم الشركات ليس لديها خبراء في أجهزة الاستشعار. في الوقت الحالي، يتطلب المضي قدمًا من الشركات المصنعة لأجهزة الاستشعار والعملاء تبادل المعلومات ذهابًا وإيابًا. وتقوم منظمات مثل AZL وDLR (أوغسبورغ، ألمانيا) وNCC بتطوير خبرات أجهزة الاستشعار المتعددة. وقال سوس إن هناك مجموعات داخل UNA، بالإضافة إلى مجموعات فرعية الشركات التي تقدم تكامل أجهزة الاستشعار وخدمات التوأم الرقمي. وأضاف أن شبكة إنتاج الذكاء الاصطناعي في أوغسبورغ استأجرت منشأة بمساحة 7000 متر مربع لهذا الغرض، "توسيع مخطط تطوير CosiMo إلى نطاق واسع جدًا، بما في ذلك خلايا الأتمتة المرتبطة، حيث يقوم الشركاء الصناعيون يمكنه وضع الآلات وتشغيل المشاريع وتعلم كيفية دمج حلول الذكاء الاصطناعي الجديدة.
قال كاراباباس إن العرض التوضيحي لجهاز استشعار العزل الكهربائي الذي قدمته شركة Meggitt في مركز التنسيق الوطني كان مجرد خطوة أولى في هذا الاتجاه. الحاجة والمواد التي يجب طلبها. تتطور الأتمتة الرقمية.
مرحبًا بك في SourceBook عبر الإنترنت، والذي يتوافق مع النسخة المطبوعة السنوية من CompositesWorld من دليل المشتري الخاص بصناعة SourceBook Composites.
تنفذ شركة Spirit AeroSystems التصميم الذكي لشركة Airbus لجسم الطائرة المركزي والأجزاء الأمامية لطائرة A350 في كينغستون، كارولاينا الشمالية