MĚŘENÍ DEFORMACE TERMOPLASTOVÉHOcsm-kompozity.wz.cz/Dvorak_seminar_2016.pdf · [email protected] Milan Dvořák1, Norbert Dolejš MODIFIKACE MATRICE A ROZHRANÍ KOMPOZITNÍCH

MĚŘENÍ DEFORMACE TERMOPLASTOVÉHO KOMPOZITU POMOCÍ INTEGROVANÉHO OPTICKÉHO

VLÁKNA S FBG SNÍMAČEM

1České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky

Odbor pružnosti a pevnosti [email protected]

Milan Dvořák1, Norbert Dolejš

MODIFIKACE MATRICE A ROZHRANÍ KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ A JEJICH HODNOCENÍ, 3.11.2016

seminář České společnosti pro mechaniku

s podporou firmy Latecoere Czech Republic s.r.o. a Ústavu teoretické a aplikované mechaniky AV ČR v. v. i.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

2

ÚVOD


• cílem výzkumného programu bylo ověřit možnosti uplatnění optických snímačů integrovaných přímo do skladby (struktury) termoplastového kompozitu

• optické vláknové snímače jsou častou volbou pro SHM (Structural Health Monitoring, monitorování konstrukce za provozu)

• běžné metody instalace na povrch vzorků/dílů i do „normálních“ kompozitů jsou zvládnuty, termoplastový kompozit byl novou výzvou

3

• pozornost zaměřena na optické vláknové snímače, konkrétně FBG snímače (Fiber Bragg Grating, snímače s tzv. Braggovou mřížkou), jakožto alternativu klasických odporových tenzometrů


OPTICKÉ FBG SNÍMAČE princip měření s FBG snímači

4 MODIFIKACE MATRICE A ROZHRANÍ KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ A JEJICH HODNOCENÍ, 3.11.2016


TENZOMETR

εk=

Bλ

BΔλ

.εk=

R

ΔR.

0

+ΔR = f(+ΔL)

-ΔR = f(-ΔL)

+Δλ = f(+ΔL)

-Δλ = f(-ΔL)

REFERENCE

ΔL

ΔL ΔL

ΔL

FBG SNÍMAČ




OPTICKÉ FBG SNÍMAČE příklady aplikace

• FBG snímače na povrchu kovového vzorku

• dosahované poměrné prodloužení ̴ 1,3 %

• odchylka mezi metodami do 6 %



• SDS tělesa

• FBG snímač v lepidle

• tenzometry

• snímače akustické emise





1 2 3 4 5

11 10 6 1 12 13 FBGs CONF. A

FBGs CONF. B

215 100 1000 1000 1000 1000

LEADING EDGE

TRAILING EDGE

INTEGRAL FUEL TANK

ROOT RIB OPTICAL FIBERS ROUTING



LOWER SPAR CAP

UPPER SPAR CAP

ADHESIVE JOINT

SPAR WEB

ADHESIVE JOINT

LEFT WING RIGHT WING

FBG CHAIN CONF. A

FBG CHAIN CONF. B

A

B

A

A



DEFINICE POŽADAVKŮ NA FBG SNÍMAČ hostitelský materiál


Pro ověření možností integrace optických vláknových snímačů do kompozitního materiálu byl vybrán deskový materiál s komerčním označením TenCate Cetex. Tento uhlíkový kompozit s termoplastovou matricí je certifikován pro výrobu primárních dílů velkých dopravních letounů (např. Airbusu A350). Vlastnosti materiálu TenCate Cetex: Výztuž: - uhlíková vlákna Toray T300J 3K - tkanina s atlasovou vazbou 5H satin - 3-20 vrstev tkaniny o tloušťce 0,3 mm

Matrice: - polyfenylensulfid (PPS) - objem matrice cca 50 % z celkového objemu materiálu

DEFINICE POŽADAVKŮ NA FBG SNÍMAČ výrobní postup


DEFINICE POŽADAVKŮ NA FBG SNÍMAČ požadavky na FBG snímač


Během procesu formování dochází k několika zásadním jevům, které mohou mít vliv na proces integrace optického vláknového snímače do kompozitního materiálu s termoplastovou matricí: • V IR peci působí na polotovar teplota 425 °C.

• K tavení PPS matrice dochází až nad teplotou 285 °C. Standardní

teplota roztavené matrice před formováním je 315 až 345 °C.

• Při formování dochází k posunům (klouzáním) jednotlivých vrstev tkaniny za působení tlaku od lisovacích nástrojů.

• Během chladnutí dochází ve výlisku k velkým teplotním deformacím. U prostorových výlisků se deformace během chladnutí projevuje například změnou úhlů.

DEFINICE POŽADAVKŮ NA FBG SNÍMAČ požadavky na FBG snímač


Požadavky na integrované optické snímače vychází z výše uvedeného popisu hostitelského termoplastického materiálu a parametrů jeho výrobního postupu. Důležité jsou zejména následující požadované parametry: • Malé rozměry snímače (průměr optického vlákna), plynoucí z požadavku na

minimální ovlivnění struktury hostitelského materiálu.

• Vysoká teplotní odolnost snímače, resp. primární ochrany optického vlákna.

• Vysoká mechanická odolnost snímače, vyjádřená co největší silou a prodloužením při poruše snímače.

VÝBĚR VHODNÉHO TYPU FBG SNÍMAČE dostupné varianty snímače


materiál primární ochrany vlákna

AKRYLÁT POLYIMID ORMOCER®

délka mřížky FBG snímače

(pracovní části) [mm]

1, 2, 5, 10 (c) 10 (b) 1 - 10 (a)

1, 2, 3, 5, 10, 15 (d) 1, 2, 5, 10 (c)

3, 5, 10, 15 (e) 1, 2, 3, 5, 10, 15 (d)

3, 5, 10, 15 (e)

odrazivost mřížky [%]

> 80 % @ 10 mm (c) > 70 % (b) > 15 % @ 8 mm (a)

> 90 % @ 10 mm (d, e) > 80 % @ 10 mm (c)

> 90 % @ 10 mm (d, e)

vnější průměr vlákna, včetně primární ochrany [µm]

255 (d) 145 - 165 (b) 195 (a)

165 (d)

deformační citlivost [pm/µm/m] 1.2 (c, d) 1.2 (b, c, d) 0.78 (a)

teplotní citlivost [pm/°C] 11 (c) 9.9 (b) 6.5 (a)

11 (c)

max. protažení [µm/m], max. tahová síla

9 000 (c) 5 000 (b) > 50 000 (a)

3 000 - 5 000 (d) 9 000 (c) (> 50 N)

3 000 - 5 000 (d)

rozmezí pracovních teplot

[°C]

- 270 - 85 (c) - 40 - 120 (b) - 180 - 200 (a)

5 - 120 (d) - 270 - 300 (c)

- 5 - 80 (e) - 40 - 300 (d, e)

druh výrobního procesu FBG snímače

stripování & nové krytí stripování & nové krytí tažení

Legenda k tabulce: a – FBGS, b - Micron Optics, c - Smart Fibres, d - Welltech Instrument Company, e - Alxenses

VÝBĚR VHODNÉHO TYPU FBG SNÍMAČE


materiál primární ochrany optického vlákna

hodnotící parametr AKRYLÁT POLYIMID ORMOCER®

rozměry snímače * ** ***

teplotní odolnost * *** **

mechanická odolnost

* ** ***

3/9 7/9 8/9

Pro další testy byla vybrána optická vlákna s primární ochranou z materiálu ORMOCER. Ačkoliv nedosahují nejvyšší teplotní odolnosti, mají značnou výhodu ve vysoké mechanické odolnosti, která je při výrobě kompozitových dílů lisováním nezbytná.

EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ SNÍMAČŮ návrh zkušebního programu


POSOUZENÍ TECHNOLOGICKÝCH VLIVŮ • vliv ohřevu v IR peci na holé optické vlákno • vlisování vlákna do rovinného vzorku • detekovatelnost vlákna v materiálu pomocí dostupného NDT prostředku • mikrovýbrus hrany s vláknem, posouzení stavu vlákna po vlisování do

materiálu • vlisování vlákna do prostorového vzorku • způsob ochrany výstupu vlákna z materiálu

POROVNÁNÍ VLASTNOSTÍ FBG SNÍMAČŮ S TENZOMETRY • v podmínkách kvazistatického zatěžování • v podmínkách cyklického zatěžování


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY ohřev v IR peci

Nestíněné optické vlákno s primární ochranou mat. ORMOCER® Optické vlákno bylo umístěno do prostoru pece bez vnějšího krytí a podrobeno následujícímu testu: max. teplota cyklu: 415 °C délka cyklu: 385 s výsledek testu: optické vlákno bez poškození, nedošlo k deformaci průřezu vlákna

Stíněné optické vlákno s primární ochranou mat. ORMOCER® Optické vlákno bylo vloženo do pouzdra vytvořeného z hliníkové fólie a podrobeno následujícímu testu : max. teplota cyklu: 415 °C délka cyklu: 385 s výsledek testu: optické vlákno bez poškození, nedošlo k deformaci průřezu vlákna


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY vlisování do vzorku tvaru desky Optické vlákno s primární ochranou z materiálu ORMOCER® bylo vloženo mezi dvě desky se skladbou A08A2G (8 vstev uhlíkové tkaniny s povrchovou vrstvou ze skelné tkaniny). Parametry lisovacího procesu byly následující:

• Teplota v peci: 415/425 °C • Délka ohřevu: 380 °C • Lisovací tlak: 3,45 MPa • Teplota formovacího nástroje: 200 °C


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY vlisování do vzorku tvaru desky


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY zjistitelnost vlákna ve skladbě • Optické vlákno s primární ochranou ORMOCER® o vnějším

průměru cca. 195 µm je teoreticky možné detekovat pouze sondou pro ultrazvukové nedestruktivní zkoušení o minimální frekvenci 20 MHz.

• Ověření tohoto předpokladu bylo provedeno pomocí ultrazvukového detektoru vad Olympus EPOCH 600 s 20MHz sondou M208.


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY vliv lisování na optické vlákno

Výbrus 1 Výbrus 2 Výbrus 3

Vizuální stav Bez poškození Bez poškození Bez poškození Průměr skleněné části vlákna

125 µm 125 µm 125 µm

Průměr primární ochrany

182 µm 186 µm 182 µm


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY vlisování do vzorku tvaru V

Jako základní zkušební prostorový tvar byl zvolen profil V o úhlu rozevření přibližně 92,5° s rádiusem na vnitřní straně vylisovaného dílu 5,22 mm. Podle teoretických předpokladů by běžné optické vlákno (mnohovidové) při tomto poloměru vedení optické trasy mělo ztratit schopnost vedení světla. Optická vlákna, používaná k výrobě FBG snímačů jsou jednovidová, odolnější vůči vyzáření vedeného světla, nicméně obecně jsou malé poloměry ohybu (pod 10 mm) problematické i z hlediska pevnosti vlákna. Zvolené parametry vzorku a lisovacího cyklu byly následující: Lisovací forma: TR10-102-00 Materiál: 2 x ABS5045A8A2G (uhlíková tkanina/ PPS matrice) Skladba materiálu: 2 x (8 vrstev uhlíku + 2 povrchové vrstvy skla) Velikost vzorku: 220 x 450 mm – v nevylisovaném stavu Teplota v peci: 415/425 °C Délka ohřevu: 380 s (teplota polotovaru při formování cca 340 °C) Lisovací tlak: 3,5 MPa Teplota nástroje: 200 °C


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY vlisování do vzorku tvaru V


TECHNOLOGICKÉ ZKOUŠKY ochrana vývodů vlákna

FBG SNÍMAČE V POROVNÁNÍ S TENZOMETRY popis zkušebních vzorků


• tvar tahového vzorku typu 1B podle EN ISO 527-4

• optické vlákno v podélné ose vzorku, v polovině délky FBG snímač délky 6 mm

• technol. postup výroby odpovídající výše popisovanému

• řezání vzorků vodním paprskem na stroji FLOW IFB-DWJ 3620-SCC-10-UP-HyP50

FBG SNÍMAČE V POROVNÁNÍ S TENZOMETRY popis zkušebních vzorků


FBG SNÍMAČE V POROVNÁNÍ S TENZOMETRY vlastnosti při kvazistatickém zatěžování


• tenzometr HBM 1-LY11-10/350, propojen třídrátovým čtvrtmostovým zapojením s ústřednou HBM Spider8

• FBG snímač FBGS DTG-1550 propojen s ústřednou Safibra FBGuard

• vzorky byly upnuty do plochých čelistí univerzálního zatěžovacího stroje FPZ 100/1

• zatěžování tahovou silou s řízeným posuvem příčníku do maximálního silového rozsahu siloměru (10 kN)

FBG SNÍMAČE V POROVNÁNÍ S TENZOMETRY vlastnosti při kvazistatickém zatěžování


ε FBG MAX ε SG MAX rozdíl [µm/m] [µm/m] [µm/m] [%]

vzorek 01

test 01 3045 2869 176 5,8

test 02 4717 4303 414 8,8

test 03 4674 4241 433 9,3

test 04 4643 4205 437 9,4

vzorek 02

test 01 4818 4215 603 12,5

test 02 4548 4070 478 10,5

test 03 4531 4064 468 10,3

• průměrná odchylka do 10 %

• vliv nesymetrie upnutí vzorku bez příložek

• čtvrtmostové zapojení nekompenzuje přídavné ohybové namáhání

FBG SNÍMAČE V POROVNÁNÍ S TENZOMETRY vlastnosti při cyklickém zatěžování


• tenzometr HBM 1-LY11-10/350, propojen třídrátovým čtvrtmostovým zapojením s ústřednou HBM QuantumX

• FBG snímač FBGS DTG-1550 propojen s ústřednou Safibra FBGuard FAST • Vzorky byly upnuty do plochých čelistí pulzátoru AMSLER a zatěžovány řízeným

silovým cyklem o následujících parametrech: • vzorek L01: předpětí 7 kN, amplituda zatěžovací síly 2 kN,

počet zkušebních cyklů N = 20 000 000, 55 Hz • vzorek L02: předpětí 5 kN, amplituda zatěžovací síly 1 kN,

počet zkušebních cyklů N = 29 000 000, 55 Hz



vzorek L01

• Rozkmit poměrného prodloužení, indikovaný FBG snímačem, se pohybuje kolem hodnoty 1850 µm/m.

• V případě tenzometru došlo z původní hodnoty 1820 µm/m ke skokovému poklesu na 700 µm/m (po odcyklování 480 000 cyklů).

• Indikovaný rozkmit dále klesal až ke konečné hodnotě 550 µm/m. • Je zřejmé že v případě vzorku L01 bylo chování FBG snímače lepší, než tenzometru.



vzorek L02

• Rozkmit poměrného prodloužení, indikovaný tenzometrem, se pohybuje kolem hodnoty 970 µm/m.

• Chování FBG snímače vykazuje nerovnoměrnosti v počátku experimentu. Z počáteční hodnoty rozkmitu 950 µm/m se rozkmit zvětšil a ustálil na 1020 µm/m.

• Počáteční kolísání signálu lze pouze obtížne objasnit. Jistě nedošlo k poruše FBG snímače, nebo jeho spojení se vzorkem (indikovaný rozkmit neklesá).

ZÁVĚR

• optické FBG snímače lze integrovat do termoplastového kompozitu bez modifikace lisovacího procesu

• funkce FBG snímačů není omezena působením vysoké teploty a tlaku

• návrh reálných dílů a konstrukčních celků musí být uzpůsoben integrovaným snímačům (ochrana vývodů apod.)


DĚKUJI ZA POZORNOST


TAČR TA 03010209

Documents

MĚŘENÍ DEFORMACE TERMOPLASTOVÉHOcsm-kompozity.wz.cz/Dvorak_seminar_2016.pdf · [email protected] Milan Dvořák1, Norbert Dolejš MODIFIKACE MATRICE A ROZHRANÍ KOMPOZITNÍCH