CN102294874A - 制造预浸渍件和/或层压件的在线检查方法和闭环过程 - Google Patents

制造预浸渍件和/或层压件的在线检查方法和闭环过程 Download PDF

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Abstract

本发明涉及制造预浸渍件和/或层压件的在线检查方法和闭环过程。提供了一种在线检查方法。该方法包括在预浸渍件和/或层压件的制造期间测量它们的至少两个参数/属性。在一些实施例中，可处理使用在线检查方法收集的数据且/或将该数据提供(408)给人工或自动控制器(402)，以便为预浸渍件和/或层压件的制造提供闭环方法(400)。还提供了一种用于执行该方法的设备，还提供了包括使用该设备制成的预浸渍件和/或层压件的产品。

Description

制造预浸渍件和/或层压件的在线检查方法和闭环过程
技术领域
所公开的实施例大体涉及用于制造预浸渍件和/或结合了预浸渍件的层压件的在线检查方法和闭环方法。
背景技术
已经使用复合材料来产生轻加载和高加载结构两者，它们可分别用于非负荷承载和负荷承载应用中。前者的实例包括船体和汽车车体面板，而后者的实例包括压力容器、框架、装置和飞行器机身。因为它们的广泛的可应用性的原因，已经发现复合材料用于汽车、海洋和航空工业中。但是，由于它们的被制造成适于承载重负荷的形式的能力，在负荷承载结构部件的设计中，复合材料是特别普遍的。
复合材料典型地包括与树脂材料(例如环氧树脂)结合在一起的纤维材料，例如碳、芳香族聚酰胺、玻璃或石英。在这种复合材料中的负荷主要由纤维材料承载，并且所以，复合材料的负荷承载属性可通过改变复合材料中的纤维的定向来改变。例如，具有单向纤维(例如带或丝束)的复合材料可大体沿着纤维的轴线展现最强的张力强度。织物和双向垫典型地在材料的平面中最强。因此，当设计复合材料时，典型地考虑复合物将经历的预期负荷来规定纤维定向和层(也称为股)的数量。
纤维复合层压件或部件可典型地以这样的方式来制造：首先用树脂浸渍纤维加强件，以形成预浸渍件，并且然后将两个或更多个预浸渍件层合并成层压件。在用来形成这种材料的铺叠过程中固有的是会形成各种各样的缺陷，包括皱纹、孔穴、脱层等。例如，在预浸渍件和/或层压件中的孔穴可由低效地将树脂渗透到纤维束、丝束或粗纱中所导致，或者由在合并过程期间的除气导致。当形成的复合产品相对较大，或结合一定轮廓或另外的复杂形状时，可以以更大的数量形成这种缺陷。
很多时候，这种缺陷可不在表面上，或者否则在铺叠过程期间直接可检测，或者，这种缺陷在固化过程期间可变得可见或扩大。在成品中存在这种缺陷可以高达2的系数来降低材料强度，并且所以，可能需要维修产品，或者，甚至可能需要报废部件，从而由于或者维修成本和/或更换报废产品所需要的前置时间而助长制造成本的增加。
已经对复合材料独立地应用许多检查方法。但是，当使用这些复合材料中的一些时，缺陷的解决在一些应用中可能受限。例如，在其中纤维或丝束具有随机定向的复合材料中，或在其中纤维合乎需要地包含碳的复合材料中，或者结构或者碳可使被测信号扩散。另外，在许多应用中，可能合乎需要的或甚至必须的是获得多个测量，包括复合材料的物理参数和材料属性的测量两者。许多检查设备能够提供仅一个测量或一种类型的测量，或提供关于在一些应用中不能接受的标准偏差的数据。并且，能够进行更复杂的测量的装备可能是昂贵的，并且因此在被制造的产品的利润余量不准许有该费用的应用中是成本低效的。
因此开发能够在线结合的新的检查方法将为合乎需要的。这种方法将合乎需要地允许在制造复合材料期间检测和补偿缺陷，并且结果，减少或消除传统制造过程可产生的返工或废料的量。
发明内容
提供了一种在线检查方法，其包括在预浸渍件和/或层压件的制造期间测量它们的至少两个参数和/或属性。
在另一方面，提供了一种用于制造预浸渍件和/或层压件的方法，其包括执行预浸渍件和/或层压件制造过程的至少一个步骤，以及在该至少一个步骤之前、期间或之后测量预浸渍件和/或层压件的至少两个属性。
在另一方面，提供了一种用于制造预浸渍件和/或层压件的设备。该设备包括控制器、树脂灌注设备、至少一个测量设备和处理器。处理器操作性地相对于测量设备和控制器而设置，使得信息可在它们之间传递。还提供了一种用使用该设备制成的预浸渍件和/或层压件制备的产品。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得进一步更好理解，在附图中，类似的符号在所有图中表示类似的部件，其中：
图1是表示在根据一些实施例的示例性在线检查方法中的步骤的流程图；
图2是从根据一个实施例的预浸渍件中获得的光学度量数据的曲线图；
图3是从根据一个实施例的预浸渍件中获得的超声数据的曲线图；以及
图4是表示在根据一些实施例的示例性在线检查方法中的步骤的流程图。
部件列表：
100 方法
102 步骤
104 步骤
400 方法
402 步骤
404 步骤
406 步骤
408 步骤
具体实施方式
上面的简要描述阐述了本发明的各实施例的特征，以便可更好地理解随后的详细描述，以及以便可更好地理解当前对现有技术的贡献。当然，存在本发明的其它特征，它们将在后文中描述，并且将用于所附权利要求的主题。
在这方面，在详细阐述本发明的若干个实施例之前，将理解到，本发明的各实施例在其应用方面不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的构件的结构的细节和布置。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式来实践和执行。而且，将理解，本文采用的措辞和术语是用于描述的目的，而不应看作限制性的。
如本文所用，用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，它们用来使一个元件与另一个区分开。用语“一”和“一个”在本文中不表示数量的限制，而是相反，它们表示存在所引用物品中的至少一个。结合数量使用的修饰语“大约”包括陈述的值，并且具有上下文所规定的意思(例如包括与特定数量的测量相关联的误差程度)。本文所用的后缀“(一个或多个)”意图包括它所修饰的物品的单数和复数两种情况，从而包括一个或多个该物品。
贯穿说明书，对“一个实施例”或“实施例”的引用指的是在至少一个实施例中包括结合实施例所描述的特定特征、结构或特性。因此，贯穿说明书，在各个地方出现短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指的是同一实施例。另外，特定特征、结构或特性可以以任何适当的方式结合在一个或多个实施例中。
所公开的主题的实施例大体涉及在线检查方法。该方法包括在预浸渍件和/或层压件的制造期间测量它们的至少两个参数/属性。在一些实施例中，可处理在线检查方法中收集的数据，且/或将数据提供给人工或自动控制器，以便提供用于制造预浸渍件和/或层压件的闭环方法。还提供了用于执行该方法的设备，还提供了包括使用该设备制成的预浸渍件和/或层压件的产品。
图1是示出了方法的一个实施例的流程图。如图所示，方法100包括在步骤102处制造预浸渍件和/或层压件，以及在步骤104处在预浸渍件和/或层压件的制造期间测量它们的至少两个属性。测量可大体在预浸渍件或层压件的制造过程中的任何(时间)点处进行，这种步骤对于本领域普通技术人员大体是已知的，并且这种步骤包括树脂灌注、压缩/压制、层压/铺叠、合并和固化。
被测量的属性和/或参数可为提供关于预浸渍件和/或层压件的有用信息的任何属性和/或参数。在一些实施例中，被测属性和/或参数提供了与预浸渍件和/或层压件的属性相关的信息，而在其它实施例中，被测属性和/或参数提供了与在预浸渍件和/或层压件内的缺陷(例如孔穴、裂缝、外来夹杂物、脱层、孔隙率、皱纹或纤维失准)相关的信息。合乎需要地，进行至少两个测量，使得与使用仅一个测量的在线检查预浸渍件和/或层压件的方法相比，获得更多的信息。
在一些实施例中，至少两个测量可为在制造过程的不同阶段处进行的相同测量，而在其它实施例中，测量可为不同的，并且在制造过程的相同或不同的阶段处进行。在某些实施例中，一个测量可包括基本在预浸渍件和/或层压件的表面处进行的或与该表面相关的一个测量，而另一个测量可在表面的下面进行，即与预浸渍件和/或层压件的表面下的部分相关。
测量(一个或多个)的具体方法将取决于合乎需要地被测量的属性(一个或多个)。这样的属性的测量方法是大体已知的，并且包括：用于例如长度、宽度、深度或在不止一个维度上进行的测量的尺寸测量的成像技术，例如声全息照像技术、光学度量和许多种照相机，例如微波照相机；用于测量导热性的温度计或热电偶；用于测量磁导率的磁力计，例如霍尔效应传感器、巨磁阻传感器、各向异性磁阻传感器、原子磁力计、超导量子干涉装置(SQUID)或涡电流线圈；用于测量介电常数的电容板或条线；用于测量导电性的欧姆表和涡电流线圈；用于测量密度或孔隙率的密度计、超声或X光；以及用于测量核四极共振频率的磁力计和线圈。
在一些实施例中，测量中的至少一个提供了尺寸信息，例如长度、宽度、深度或在不止一个维度上进行的测量。许多成像技术可用，其能够或者直接地或者间接地通过图像提供这种测量，可进一步分析该图像以提供期望的尺寸信息。这种成像技术的实例包括声全息照像技术、涡电流阵列成像、光学度量和许多种照相机，例如微波照相机。
在一些实施例中，可使用光学度量，并且光学度量有利地能够提供与存在于加强材料、预浸渍件和/或层压件中的皱纹或波纹度相关的信息。在图2中显示了从根据一个实施例和/或根据一个实施例制备的预浸渍件获得的光学度量数据，其中，波峰表示预浸渍件中的皱纹。
用于进行光学度量测量以及分析其结果的技术对于本领域普通技术人员是熟知的，并且在《光学度量原理和应用手册》(Yoshizawa，Taoru，Handbook of optical metrology principals and applications，Taylor&Francis，Boca Raton，co.2008)中大体进行了描述，该文献由此通过引用而以其整体结合在本文中。另外，用于进行这种测量的装备可从各种各样的来源商业购得，包括通用电气公司、法罗(FARO)和美能达(Minolta)。
在一些实施例中，测量中的至少一个提供了与预浸渍件或层压件的属性或在预浸渍件或层压件中的缺陷的存在性相关的信息。例如，至少一个测量可合乎需要地提供与预浸渍件和/或层压件的导热性、磁导率、介电常数、导电性、密度、核四极共振频率等相关的信息。在一些实施例中，采用超声测量，并且其提供与预浸渍件和/或层压件的孔隙率、纤维体积分数、孔穴和/(或)脱层相关的信息。在图3中显示了从根据一个实施例和/或根据一个实施例制备的预浸渍件中获得的超声数据。
用于进行超声测量以及分析其结果的技术对于本领域普通技术人员是熟知的，并且在《关于应用于超声非破坏性评价的复合介质和结构中的弹性波》(Data，S.K.和Shah，A.H.，Elastic waves in compositemedia and structures with applications to ultrasonic nondestructiveevaluation，CRC Press，Boca Raton，co.2009)中大体进行了描述，该文献由此通过引用而以其整体结合在本文中。另外，用于进行这种测量的装备可从各种各样的来源商业购得，包括通用电气、奥林巴斯(Olympus)和NDT系统(NDT Systems)。
不管使用何种测量方法(一种或多种)，(因而)在制造过程中的合乎需要地获得测量信息所处的(时间)点处，适当的传感器或传感器阵列(因而)合乎需要地操作性地相对于预浸渍件和/或层压件或处理装备而设置。在一些实施例中，传感器或传感器阵列(一个或多个)可有利地放置成靠近、远离或紧邻这样的位置：在该位置处，树脂合乎需要地灌注到加强材料中，和/或发生压制/压缩预浸渍件、铺叠一个或多个预浸渍件以提供层压件，或使层压件合并。换句话说，测量中的至少一个在将树脂灌注到加强材料、压制步骤、层压/铺叠步骤、合并步骤和/或固化步骤之前、期间或之后发生。
在其中采用了光学度量来获得测量中的一个的那些实施例中，当期望提供与层压件表面构形相关的信息时，可在铺叠期间有利地采用光学度量。在其中采用了超声测量的那些实施例中，当期望超声测量提供与预浸渍件的孔隙率相关的信息时，可在灌注期间，和/或在压制之前或期间有利地进行超声测量。
在一些实施例中，从至少一个测量中获得的数据有利地用来监测和/或修改制造过程。换句话说，在一些实施例中，从测量中获得的数据可提供给能够操纵该数据的处理器。例如，可操纵数据以便提供对预浸渍件和/或层压件的被测属性的历史概览，或者，可操纵该数据，以便预测在进一步处理和/或存储期间在预浸渍件和/或层压件内的属性和/或缺陷可怎样发展。
在图4中显示了这种实施例。如图所示，方法400包括在步骤404处执行预浸渍件/层压件制造过程的步骤，在步骤406处测量预浸渍件/层压件的至少两个属性，以及在步骤408处分析获得的数据。数据的分析结果然后可用来调节制造过程(如果必需或需要的话)，如在步骤402处显示的那样。
在一些实施例中，可操纵数据，以便预测在未固化或“生坯态(green-state)”的预浸渍件和/或层压件中的缺陷可怎样在固化的部件中呈现。在相同或其它实施例中，可操纵数据，以便使在测量步骤中检测到的任何缺陷与固化的部件的强度相关联。换句话说，可以以不止一种方式来操纵数据，以提供不止一个指示。在一些实施例中，例如，可操纵数据，以便提供以下两者：在生坯态部件中的缺陷将以何种方式存在于固化的部件中的预测，以及这些缺陷将对固化的部件的强度有何影响。
过程建模软件和技术在本领域是熟知的，并且这些也可应用于在方法的实践期间获得的数据，以根据生坯态指示来预测例如可保留在固化的部件中或可在固化的部件中扩大的缺陷，以及预测任何这种缺陷可具有的对固化的部件的强度的影响。例如，在例如《用于热塑性复合材料的就地丝束铺设期间的合并和孔穴减少的非等温过程模型》(Sridhar Ranganathan，Suresh G.Advani和Mark A.Lamontia，“ANon-Isothermal Process Model for Consolidation and Void Reductionduring In-Situ Tow Placement of Thermoplastic Composites，”Journal ofComposite Materials(《复合材料期刊》)，1995 vol.29，pp.1040-1062)、《用以对复合材料压缩失效分类的无量纲量》(Yerramalli，C.S.，Waas，A.M.，“A nondimensional number to classify composite compressivefailure，”Journal of Applied Mechanics(《应用力学期刊》)，TransactionsASME，2004，vol.71，no.3，pp.402-408)以及《纤维加强的聚合物复合材料在组合压缩扭矩载荷下的失效标准》(Yerramalli，C.S.，Waas，A.M.，“A failure criterion for fiber reinforced polymer composites undercombined compression-torsion loading”，International Journal of Solidsand Structures(《固体与结构国际期刊》)，2003，vol.40，no.5，pp.1139-1164)中描述了进行这种分析的适当的方法，出于任何和所有目的，这些文献由此通过引用而结合在本文中。
在一些实施例中，可使用这种分析来对过程作出改变，以便最小化或甚至消除缺陷的形成。因此这种实施例提供了减少该过程制成的缺陷产品的返工或废弃的优点。这种过程修改可或者以人工的方式或者通过自动控制器作出，该自动控制器操作性地相对于处理器而设置，以便接收来自处理器的信息，并且相对于预浸渍件和/或铺叠设备而设置，以便对预浸渍件和/或铺叠设备提供信息。
本方法有利地且容易地结合到用于制造预浸渍件和/或层压件的任何设备中，并且所以，本文还提供了这种设备。大体上说，该设备包括控制器、树脂灌注设备、至少一个测量设备和处理器。处理器操作性地相对于测量设备和控制器而设置，使得信息可在它们之间传递。在一些实施例中，该设备还可包括铺叠设备。
该至少一个测量设备可定位在这样的任何位置处：在该位置上，可收集且合乎需要地收集与预浸渍件和/或层压件相关的数据。在一些实施例中，可在不止一个位置处使用相同类型的测量设备，而在同一个或其它实施例中，使用了至少两个测量设备。测量设备将取决于合乎需要地获得的数据，并且可基于这些数据来选择测量设备。在一些实施例中，或者单独地或者结合超声测量装置来使用光学度量单元。
例如，在其中至少一个测量提供了尺寸数据且用一个或多个光学度量装置来进行测量的那些实施例中，装置(一个或多个)可定位成例如紧邻铺叠头，以及定位在其将产生层压件表面构形的2维图像的位置处，继而可分析该图像，以检测和检定在层压件的表面中的任何皱纹，例如，如图2中显示的那样。在其中合乎需要地进行超声测量的那些实施例中，超声探头(一个或多个)可放置成紧邻树脂灌注台和/或压缩/压制台，其中，超声探头将收集可用来产生曲线图(例如图3中显示的曲线图)的、指示预浸渍件/层压件在给定深度处的孔隙率的数据。
然后处理器处理数据，以提供数据，其例如指示在生坯态预浸渍件和/或层压件中的任何缺陷对对应的固化的部件的缺陷的数量和严重性的作用和/或任何这种缺陷对固化的部件的强度的影响。经处理的数据被提供给控制器，控制器然后可调节过程的参数(如果期望或需要的话)，以减少过程在预浸渍件和/或层压件中产生的缺陷的量或大小。
可影响在生坯态预浸渍件和/或层压件中的缺陷的存在性、数量或影响的过程调节包括(但不限于)丝束张力、温度、铺叠速度、滚子压力和树脂含量。而且，经处理的数据可指示这些中的任何一个，并且所以控制器可以以人工的方式或以自动的方式调节这些中的任何一个。自动控制在一些实施例中可为有利的，因为它会为闭环过程提供机会。
本方法和设备可与任何预浸渍件和/或层压件的制造结合使用，而不管其成分如何。预浸渍件典型地包含一种或多种可固化树脂和一种或多种加强材料，而层压件典型地包括分层地放置在彼此上的多个预浸渍件。
大体上说，用于在预浸渍件和层压件中使用的适当的可固化树脂包括热塑性聚合成分，例如聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚醋酸乙烯酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酯、聚氯乙烯、聚邻苯二甲酸酯、聚醚酮、聚砜、聚碳酸酯和它们的共聚物。
预浸渍件和层压件还可使用热固性树脂，其适当的实例包括(但不限于)环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂、聚氨基甲酸酯、聚酰胺或这些中的二种或更多种的组合。特别适于在本发明中使用的粘合成分包括交联热固性系统，例如聚酯，乙烯基酯环氧树脂(包括酸、碱和添加剂固化环氧树脂)、聚氨基甲酸酯、有机硅树脂、丙烯酸酯聚合物、聚硅氧烷、聚有机硅氧烷和酚醛塑料，以及这些中的任何(系统)的掺合物或混合物。
结构粘合剂通常用于预浸渍件和层压件中，并且可用于本方法和/或设备制备的预浸渍件和层压件中。用于本复合材料系统中的优选结构粘合剂包括聚酯、甲基丙烯酸甲酯等等。
可使用所述的设备、系统和方法来灌注任何适当的加强材料。例如，相对连续的纤维或丝束可布置成形成单向排列的纤维、交叉绞合(cross-plied)排列的纤维，或者捆成丝束，该丝束布置成形成单向排列的丝束，或编织或交叉绞合成形成二维排列，或编织或编造成形成三维织物。对于三维织物，单向丝束组可例如横向于彼此而交织。
将包括在这种加强材料(例如带或织物)中的有用纤维包括(但不限于)玻璃纤维、碳和石墨纤维、玄武纤维、聚合物纤维(包括芳香族聚酰胺纤维)、硼丝、陶瓷纤维、金属纤维、石棉纤维、铍纤维、硅纤维、碳化硅纤维等等。取决于预浸渍件的期望的应用，纤维可为非传导性或传导性的。
本方法可应用于包括预浸渍件和/或层压件的任何产品的制造中，并且当应用于大型产品时是特别有利的，这是由于与制造这种产品相关联的成本以及因此对该产品进行返工或废弃该产品的成本的原因。当应用于预浸渍件、层压件和/或包括它们的产品时(其中，加强材料包括碳丝或纤维)，本方法还可提供特别的益处。碳比许多其它加强材料(例如玻璃复合材料)具有显著更高的刚度和更低的质量。因此，将其用作加强材料可使得能够以对于期望的应用而言仍可接受的强度来制造可更大且还更轻的预浸渍件、层压件和产品。但是，由包含碳的预浸渍件和/或层压件制成的构件的最终强度可在很大程度上取决于制造过程。通过将应力集中物(其可致使有局部过早的失效或以在构件的设计中未考虑的方式改变来自于施加的负荷的应力的方向)引入材料结构中，诸如皱纹、脱层、孔隙率和孔穴的缺陷可大大地降低复合材料的最终强度。
大型产品按惯例由预浸渍件和/或层压件，和/或包括含碳的加强材料的预浸渍件和/或层压件制造而成的行业的实例包括能量行业，其中，大段的例如管路或其它装置设备可通过应用本文所论述的原理而受益。特定应用的实例进一步包括风力涡轮构件，例如涡轮叶片或该叶片的子构件，例如梁、梁帽、翼形件壳体，或风力涡轮的圆柱形根部区段或塔架区段。用使用所述方法和设备制备的预浸渍件制备的层压件也可用于航空应用中，例如机翼壳体、机身壳体、梁、或平的层压件，例如肋板。
本领域技术人员将理解，本公开所基于的概念可容易地用作设计用于执行本发明的若干个目的的其它结构、方法和/或系统的基础。因此重要的是，只要它们不脱离本发明的精神和范围，就将权利要求看作包括这种等效结构。
虽然已经在附图中显示了且在上面结合若干个示例性实施例来具体且详细地完整描述了本文所述的主题的所公开的实施例，但是对于本领域普通技术人员将为显而易见的是，在本质上不脱离本文阐述的新颖的教导、原理和概念以及所附权利要求中陈述的主题的优点的情况下，许多修改、改变和省略都是可行的。因此，所公开的发明的适当范围应仅由所附权利要求的最宽泛的解释来确定，以便包括所有这种修改、改变和省略。另外，任何过程或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。

Claims (10)

1.一种在线检查方法，包括在制造预浸渍件和/或层压件期间测量所述预浸渍件和/或层压件的至少两个属性。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少两个属性包括表面构形和孔隙率。
3.一种用于制造预浸渍件和/或层压件的方法，包括执行预浸渍件和/或层压件制造过程的至少一个步骤(102)，以及在所述至少一个步骤之前、期间或之后测量所述预浸渍件和/或层压件的至少两个属性(104)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用从至少一个测量中获得的数据来监测和/或修改所述制造过程。
5.一种用于制造预浸渍件和/或层压件的设备，包括
控制器；
树脂灌注设备；
至少一个测量设备；以及
处理器，其操作性地相对于所述测量设备和控制器而设置，使得信息可在它们之间传递。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括铺叠设备。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少两个测量设备。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述至少一个测量设备包括光学度量单元、超声探头或它们的组合。
9.一种产品，包括使用权利要求5的设备制备的预浸渍件。
10.一种产品，包括使用利用权利要求6的设备制备的层压件制备的预浸渍件。
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