Monitoring and control of vacuum infusion

Abstract

Vacuum infusion is becoming an important production method for composite laminates, and especially for large structures with thick cross sections, e.g. wind turbine blades. Roughly, a vacuum infusion can be described as a closed process where vacuum is the driving force that pulls a thermoset resin into a dry fiber preform. The mold consists of two halves; one rigid and one flexible in the form of a plastic foil.

In the industry, the monitoring and active control of this process is almost absent. It is mainly a question of what is working or not, found out by trial and error. In many applications it would be an advantage to be able to monitor and control the process, in order to repeatedly produce a high quality product without flaws like inclusions or dry spots which would ruin the part. Without the monitoring, it can be difficult to obtain this.

The flow front of the resin in most vacuum infusions needs to be considered as a 3D problem due to the use of a flow medium. This is a high-permeability layer placed on top of the fiber preform with the intent of reducing the infusion time. It creates a flow front that has advanced further than the one in the bottom of the laminate. This phenomenon is often difficult or impossible to observe visually, and hence sensors are needed for monitoring.

Experiments with mainly two types of sensors have been carried out; lineal voltage and capacitance. The sensors were connected to a DAQ (Data Acquisition) chassis with belonging modules in order to get the output data to a computer with LabVIEW software. Results show that both types of sensors are applicable for the monitoring of a vacuum infusion. The flow front was detected and followed as it advanced through the dry fibers. The voltage sensors are situated on one side of the laminate, and hence a direct 3D detection of the flow front is difficult. The capacitance sensors on the other hand have electrodes both beneath and on top of the laminate and thus the ability to preform such a task. There seems to be a great potential for capacitive sensors in an infusion setting due to also being able to sense thickness variations and curing cycle of the resin.

In addition to the work done in the composite lab, a small scan of composite materials with medical ultrasound equipment was performed at St. Olavs Hospital. The results indicate that there is a promising potential, but the methods need a great deal of refinement in order to improve both penetration and resolution.

In the end a controlled infusion was carried out with sensors detecting the flow front and a computer routine triggering a servo motor to open a resin inlet as the flow front had passed by its location, based on the data received from the sensors. This was done to illustrate the possibilities of setting up a control circuit that covers the basic needs of a controlled infusion with very simple components.

 

Vakuuminfusjon har blitt en viktig produksjonsmetode for komposittlaminater, og spesielt for store konstruksjoner med tykke tverrsnitt, for eksempel vindturbinblader. Grovt sett kan en vakuuminfusjon beskrives som en lukket prosess der vakuum er den drivende kraften som trekker en herdeplast-resin inn i et tørt fiberemne. Formen består av to halvdeler; en rigid og en fleksibel i form av en plastikkfolie.

I industrien er overvåkning og aktiv kontroll av denne prosessen nesten fraværende. Stort sett dreier det seg om hva som virker og hva som ikke virker, funnet ut ved hjelp av prøving og feiling. I mange applikasjoner ville det være en fordel å kunne overvåke og kontrollere prosessen for å være i stand til å produsere et høykvalitets produkt uten feil som inneslutninger og tørre områder som vil ødelegge delen. Uten overvåkningen kan dette være vanskelig å oppnå.

Resinens flytfront i de fleste vakuuminfusjoner er nødt til å vurderes som et 3D problem på grunn av bruken av et flytmedium. Dette er et lag med høy permeabilitet plassert på toppen fiberemnet, ment for å redusere infusjonstiden. Det fører til en flytfront som har avansert lenger enn den i bunnen av laminatet. Dette fenomenet er ofte vanskelig eller umulig å observere visuelt, derfor trengs sensorer for overvåkning.

Eksperimenter med hovedsakelig to sensortyper er blitt utført; lineære voltsensorer og kapasitans. Sensorene ble koblet til en datainnsamlingsenhet for å få de utgående signalene til en datamaskin med LabVIEW software. Resultatene viser at begge sensortypene er anvendelige for å overvåke en vakuuminfusjon. Flytfronten ble oppdaget og fulgt mens den avanserte gjennom de tørre fibrene. Voltsensorene er plassert på en side av laminatet og derfor er en direkte 3D-oppdagelse av flytfronten vanskelig. Kapasitanssensorene har derimot elektroder både over og under laminatet og er derfor i stand til å kunne gjennomføre en slik oppgave. Det ser ut til å være et stort potensiale for kapasitive sensorer i en infusjonssetting siden de også har muligheten til å føle tykkelsesvariasjoner og herdesyklusen til resinen.

I tillegg til testene som ble gjort i komposittlaben, ble det utført en liten ultralydundersøkelse av komposittmaterialer med medisinsk utstyr på St. Olavs Hospital. Resultatene indikerte at det er et lovende potensiale, men metodene trenger store forbedringer for å øke både gjennomtrengning og oppløsning.

På slutten ble det gjennomført en kontrollert infusjon med sensorer som oppdaget flytfronten og en datarutine som trigget en servomotor til å åpne et resininnløp når flytfronten hadde passert dets posisjon, basert på data mottatt fra sensorene. Dette ble gjort for å vise mulighetene til å sette opp en kontrollsløyfe som dekker de grunnleggende behovene for en kontrollert infusjon med kun enkle komponenter.