汽车复合材料生产的质量保证

作者:Kistler Group 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2016-08-22
越来越多的模腔压力传感器正被用于监控诸如HP-RTM或湿法模塑等生产工艺,以保证生产的可重复性和产品质量。这些传感器可帮助CFRP部件的制造商优化工艺,并在早期检测出(甚至完全避免)次品。

复合材料正变得日益重要,这是因为其拥有优异的机械性能同时重量又轻。以前,纤维增强塑料(FRP)主要用于航空航天领域,但为了适应提高效率、优化资源的发展趋势,它们在汽车行业中的应用也日益增长。使用轻型材料来满足法律要求的效率水平,减少CO2排放是非常重要的。显而易见:更轻的汽车消耗的能源更少,这意味着更少的燃料消耗。为了能够在2030年实现整体目标,汽车制造商们不得不在其车辆中将轻型部件的使用量从30%提高到70%,以抵消由电动动力系统或电池带来的重量增加。这就是为什么管理咨询顾问麦肯锡公司在一项研究中预测,采用高强度钢、铝和碳纤维增强塑料(CFRP)制成的轻型结构部件的年销售额将大幅提高。根据原材料的价格趋势,到2030年,这项收益很有可能从700亿欧元增长到3000亿欧元。其中,仅预测的纤维增强复合材料的用量增长就超过5%。

纤维增强复合材料以其高强度/重量比、高刚性而成为适合汽车行业应用的理想材料。采用碳纤维复合材料(CFRP)取代钢材,每个部件的重量可以降低30%。由于这类材料在汽车领域的应用会越来越多,产量会不断增加,因此有必要加强如RTM或湿法模塑等生产工艺的自动化水平,而越来越多的模腔压力传感器(如图1所示)正被用于监控这些工艺,以保证生产的可重复性和产品质量。这些传感器可帮助CFRP部件的制造商优化工艺,并在早期检测出(甚至完全避免)次品。

图1 6161AA模腔压力传感器可帮助检测出RTM加工中的浇注误差

汽车工业领域的质量保证

采用HP-RTM(高压树脂传递模塑成型)工艺生产引擎罩的过程,清晰地显示了质量监控的重要性。为了最大程度地缩短节拍时间,在此工艺中采用了快速固化的树脂。然而,这意味着必须更快速地浇注模具,而这通常是在高压下完成,因此模具压力可高达150bar。

由于引擎罩是汽车上相对较大且较重的部件,因此在采用轻量化生产方式来减轻重量方面潜力很大。引擎罩必须满足苛刻的要求:由于其表面被归类为A级表面,因此其表面结构必须完美,不允许有瑕疵或凹痕,同时,必须保证引擎罩获得必要的机械性能。采用模腔压力传感器对工艺进行监控,使得在生产过程中识别误差,从而停止对瑕疵部件进一步加工成为可能。引擎罩高昂的生产成本和材料成本,使得在早期阶段识别误差是必要的,这可以通过过程监控系统来实现。为此,奇石乐提供从传感器到连接技术直至监控系统(ComoNeo)(如图2所示)的完整的测量链。

图2 ComoNeo过程监控系统能最大程度地提高生产效率

模腔压力测量保证HP-RTM工艺的质量控制

ComoNeo过程监控系统能够实现压力曲线的可视化和评估,是优化工艺和监控生产的关键要素。诸如抽真空、浇注和固化等特殊工艺阶段,在压力曲线上清晰可见(如图3所示)。压力曲线中的异常表明在引擎罩上出现了生产差错(如图4所示)。对压力信号的捕捉和记录还确保了生产部件的可追溯性。因此,压力曲线是优化生产和保证质量的必需工具。

图3 在压力曲线上可以清楚看到诸如抽真空、浇注和固化等特殊工艺阶段

模具抽真空是该工艺的第一阶段。真空度和一致性是确保引擎罩没有气泡的关键因素。真空度太弱或不一致表明模具的密封功能不足,这意味着模具中的空气比例很高,可能会引起成品的引擎罩中夹带空气。模具的真空度不足可由压力曲线检测出来。放置在压力曲线上的监控窗口可自动检测出效果,以便在浇注开始前即在生产出质量不达标的部件之前停止运行。其好处是:防止次品浪费成本高昂的材料(如图4曲线1所示)。

第二阶段包括浇注树脂-固化剂的混合物,以及浸渍预成型件。一旦树脂到达传感器位置,模腔压力就开始持续上升,这表明在浸渍预成型件的过程中,树脂必须克服不断增加的流动阻力。压力信号在浇注阶段的上升取决于预成型件的渗透性,因此,偏离正常的压力梯度意味着出现了一些问题,比如:预成型件组合物出现差异或单独各层取向的差异,或者模内有异物。在此,特殊的监控窗口还确保了与参考的压力上升相符合(如图4曲线2和曲线3所示)。如果将评估结果追溯到混合单元,则在偏离参考值的偏差小到足以排除一个有缺陷的预成型件时,可以重新设定浇注压力。

在完全浇注的模具上,当第三阶段开始的时候,压力梯度随着浇注的完成而急剧上升,从而可能导致模具两个半模的打开。因为大多数的部件很大而且树脂是不可压缩的,其结果将是,在部件的壁厚上出现偏差,或者最坏的情况是树脂可能会溢出。模腔压力信号上的压力临界值则可以快速检测出压力的上升,并向混合泵发送信号,以便从较高的浇注压力切换到较低的保压压力(如图3所示)。

HP-RTM工艺的第四和最后阶段主要包括对树脂-固化剂系统的固化。在这一点上,模腔压力曲线会受到周期性波动(某些情况下会很大)的影响,这些主要受所使用树脂及其固化特性的影响。然而,在一般情况下,模内尖锐的以及有时突然的压力降,表明树脂的体积开始收缩。这种“扭结”的时间很大程度上取决于所使用的树脂,这使得为树脂系统提供正确的混合比成为可能。因此,它是确保部件的可重复性和高质量的一个关键因素。这种“扭结”也可以在监控窗口的帮助下获得追溯(如图4曲线4所示)。

图4 压力曲线中的异常表明在发动机罩上出现了生产差错

总结

基于模腔压力测量的工艺集成生产监测和一个过程监控系统,可以在最早阶段检测出次品,从而为精益生产和自动化铺平道路。这种类型的监控也有助于早期对生产的优化,应用例子包括仿真结果的验证、模具的设计以及确定最佳的工艺设置。此外,还包括对每个部件的质量测试,以及对质量数据的自动记录。总之,集成过程监控的优势在提高成本效益和生产质量方面发挥了作用——为汽车行业生产轻量化部件的制造商们已受益于这些功能。    

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