模内传感器:针对RTM的原位过程监控

作者:CompositesWorld Michael LeGault 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2016-03-25
从模腔内部监控成型过程的技术,已为注塑成型商们所熟知。目前,该技术正出现在树脂传递模塑成型加工中。

在塑料的注塑成型中,作为多样化的工艺控制组合技术中的一部分,模内传感器的应用已有几十年。但最近,类似的技术已开始侵入到树脂传递模塑成型(简称“RTM”)的复合材料制造中,这是因为,在所有的闭模成型方式中,RTM与注塑成型最为相似。

由于客户对更高的部件质量以及部件到部件之间更好的一致性给予了高度重视,从而引发了对传感技术的需求。为响应这一需求,几家供应商且至少有一家复合材料部件的制造商正在开发并向市场出售专门面向RTM、树脂灌注和其他类型的复合材料制造工艺的新的传感器技术。

Kistler Instrument公司(以下简称“Kistler”,美国密歇根州Novi)的应用经理Paul Lagonegro说,特别是 RTM的加工特点,与过程控制传感器的功能实现了完美的契合。复合材料部件的制造商们之所以欣赏RTM 的制造能力,是因为它能够以较短的节拍时间生产出轻量化的部件并能够实现紧公差。然而,RTM通常需要一个预成型件的附加制造过程,从而增加了加工步骤,并要求更高的自动化水平以实现成本效益。

鉴于Kistler在制造用于注塑成型的控制传感器方面所积累的经验,Lagonegro 说,该公司决定进入复合材料领域是一种自然而然的事情。该公司在2013年的K展中展示了一种用于复合材料加工的原型传感器,并推出了其第一款商业化的模腔压力传感器6161 AA,它为满足高压和低压复合材料加工需求而设计。这款传感器不仅能测量高达200 bar的模腔压力,还能测量模内的真空度,它由直径4 mm 的敏感元件和外径9 mm的金属套管焊接而成。

6161 AA是一种直接式压力传感器。树脂直接与敏感元件前端面接触,产生的信号通过电荷放大器转化成压力曲线。

对RTM的型腔压力进行测量具有许多明显的好处。像注塑成型一样,在一副 RTM模具中的传感器能够监测和控制多个浇口顺序,监控流锋并停止注射。对RTM而言,更为特别的是,型腔压力传感器还能够监测模腔内的真空压力,因而对注射压力以及与质量相关的问题(如因真空的不足或不一致而引起的空气夹带和孔隙等)提供了更好的控制。

而与注塑成型更为相似的是, 压力曲线是在每个部件的RTM加工循环中形成的,而且是帮助制造商实现工艺优化的重要工具。在RTM循环中,如果真空形成并得到保持,模内的压力传感器就能够探测到。如果真空得到保持,灌注树脂和催化剂的加工即可开始。随着对预成型件的持续灌注,曲线会从负值经过零而达到压力阈值的下限,此时将泵关闭,以防止过溢以及模具半模的潜在分离。

传感器控制的成型周期:在每一个部件的RTM成型循环中,产生的压力曲线更像是注塑成型的压力曲线。当真空产生并保持时,模内的压力传感器就能探测到。如果真空得到保持,采用树脂和催化剂进行灌注的加工即可开始。当对预成型件持续灌注时,由传感器记录的压力值就会通过曲线而反映出来,从负数经过零直至压力阈值的下限。在此期间,关闭泵,以防止过溢以及出现模具半模的潜在分离(图片来自Kistler Instrument Corp)

当然,灌注部件时对真空的应用,是RTM工艺与注塑成型的主要区别之一,而且这对传感器的设计也提出了挑战。“传统中,我们的传感器不曾暴露在真空中。”Lagonegro说,由于压力会影响传感器的操作条件,因此该公司提出了一套不同的传感器设计。6161 AA的设计采用了O形环,以防止低黏度的树脂在型腔处于真空状态时进入安装法兰的缝隙中。在发送给客户前,Kistler 会对这些传感器进行校准。校准数据,以及一份“检测方法可追溯至NIST(美国国家标准研究所)”的校准证随同传感器一起交付,以确认该传感器在整个制造的压力分布中执行的是线性输出,由此而使得这些输出值作为对制造过程中压力的测量值而绝对可靠。

填补空缺

作为一家为汽车赛车和航空工业提供高科技结构复合材料部件的制造商, Calloway Carbon(美国加利福尼亚州圣安娜)决定在复合材料制造中采取过程控制措施。作为该公司的创始人和所有人,Reeves Calloway表示,许多年来,整个行业对降低成本与提高质量标准的要求,一直推动着该公司在RTM的方向上发展并增加了自动化的数量。

该公司开发了一个包含硬件和软件的过程控制系统,以在RTM制造中形成闭环控制。“传感器原本只是该过程控制系统中的一部分(虽然是一个关键的部分),但为了实现真正自动化的RTM或任何其他的闭模成型工艺,我们必须更进一步,而不只是在模内安装传感器。”Calloway说,传感器必须与软件配合起来工作,以复制部件灌注的所有过程,并监测和控制贯穿每个部件循环周期的那些过程。“我们创造了软件,从而为一个能够控制自动化注射系统的部分带来了处方。” 模内传感器向过程控制软件提供连续的压力读数,过程控制软件转而针对每一次的部件生产循环,对闭环布局中树脂的计量、输送、灌注以及模具的加热和冷却进行监测和控制。该公司将这个过程称为“配方”。一旦这个配方被理解了,Calloway指出,这只是一个复制的问题。

在模内原位检测:Calloway Carbon公司(美国加利福尼亚州圣安娜)在其抛光铝模中嵌入了现成的压阻式压力传感器,加上其自身的专有软件,该传感器能够监控结构碳纤维复合材料部件的RTM生产过程。值得一提的是, 部件的灌注只有当传感器处在预定的压力限制范围内之后才能开始实施(图片来自Calloway Carbon)

该公司采用基于传感器的自动化RTM 制造技术已有5年。Calloway说,传感器技术的先进性对于成功地开发出其自有的自动化技术是至关重要的。“幸运的是,目前商业层面的传感器技术真的很好。”同样重要的是,RTM能够成为最适合自动化的复合材料制造方法,因为它主要是一个连续的过程。Calloway 表示,针对RTM的过程控制开发,能够被分解成一系列的编程问题,例如,如何确保步骤B在步骤A真正完成后才执行。

当然,过程控制系统在复合材料领域的增长,将需要模具制造商的参与。Kistler的Lagonegro说,该公司早期的努力将包括模具制造商和产品制造商。

Calloway Carbon为此切开了其自己的模具,除了拥有过程控制系统外,它还控制过程设置。Calloway说,传感器在模具中的数量、类型和位置取决于部件。该公司几乎所有的模具都是CNC加工的铝模。Calloway说,许多模具采用了两个或更多的压阻式压力传感器,位于模具的顶部。基于多年的经验,他将“决定在哪儿放置传感器”的过程称作是“部分科学、部分艺术和部分运气”。在生产前,每一副模具都要通过一个自动校准过程,直到传感器被设置在预定的范围内(处方)以允许循环开始,过程控制监测才能启动。Calloway的软件还允许生产按人工方式运行。 

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