CN104011538B - 用于多组件片材材料的制造过程的在线控制的方法 - Google Patents

用于多组件片材材料的制造过程的在线控制的方法 Download PDF

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Abstract

一种控制具有期望的预定参数的多组件片材材料的制造的过程的方法，包括：施加声音信号或电磁信号以与所述片材材料交互，由此，所述交互修改了所施加的信号；检测所述修改的信号；将所述修改的信号或从其得出的数据与和所述预定参数相关的数据作比较；并且，修改所述过程的至少一个步骤，由此，向与所述预定参数相关的所述数据修改与所述修改的信号相关的所述数据。

Description

用于多组件片材材料的制造过程的在线控制的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在线确定多组件片材材料的参数的方法和控制用于多组件片材材料、特别是预浸材料的制造的过程的方法。本发明进一步涉及一种生产从层压体和预浸的纤维增强结构选择的一卷多组件片材材料的方法，其中，该片材材料具有期望的预定参数、质量验证的预浸的纤维增强结构，并且本发明进一步涉及用于控制多组件片材材料的制造的过程的过程控制器。
背景技术
已经使用复合材料来生产分别在非负载承载和负载承载应用中有益的轻负载和高负载的结构。前者的示例包括船体和汽车车身板，而后者的示例包括压力容器、框架、配件和诸如飞机机身的航空航天应用。由于它们的广泛的适用性，复合材料已经在包括汽车、船舶和航空航天工业的大量工业领域中发现了用途。然而，由于它们以适合于承载重的负载的形式被制造的能力，复合材料在尤其是其中可能需要强度、轻量性和良好的成形性的承重结构件的设计中特别有用。确保可靠性的片材的构造和质量控制上的可靠性是必要的。
复合材料通常包括使用诸如环氧树脂的树脂材料结合在一起的纤维材料，如碳、芳族聚酰胺、玻璃或石英。在这样的复合材料的负载主要由纤维材料等承载，并且因此，可以通过改变在复合材料中的纤维的取向来改变复合材料的负载承载属性。例如，诸如带或丝束的具有单向纤维的复合材料通常可沿着纤维的轴表现出最强的拉伸强度。机织织物和双向垫通常在材料的平面上最强。因此，当设计复合材料时，通常考虑到复合项将体验的预期负载而指定纤维取向和也被称为片层的层的数量。
通常可以通过下述方式来制造纤维复合材料层压板或部件：首先使用树脂浸渍纤维增强材料以形成预浸料，然后在所谓的“叠层”过程中将两个或更多层的预浸料合并为层压体。在叠层过程中，包括皱纹，空隙和分层等的各种缺陷的形成是固有的。例如，在预浸料和/或层压体中的空洞可能源自树脂向纤维束、丝束或粗纱内的低效率渗透或源自在合并过程期间的除气。当所形成的复合材料制品比较大或包含轮廓或其他复杂的形状时可以以更大的数量来形成这样的缺陷。
这样的缺陷可能在层压过程期间在表面上不是容易识别的、可检测的或显然的，或者，这样的缺陷可能在随后的固化过程期间变得可见或加重。在完成的物品中的这样的缺陷的存在可能将材料的强度折中多达2倍，并且因此，可能要求维修该物品，或者可能甚至要求废弃该零件，因此有助于因为维修成本和更换废弃物品所需的提前期导致在制造成本上的增大。
大量的检查方法已经被独立地应用到复合材料。然而，当使用这些复合材料的一些时的缺陷的分辨率可能在一些应用中受限。例如，在其中纤维或丝束具有任意取向的复合材料中或在其中纤维如所期望地包括碳的复合材料中，结构或碳可能散射测量信号。
而且，在许多应用中，可能期望或甚至需要获得复合材料的多种测量，包括物理参数和材料属性的测量。许多检查设备能够仅提供一个测量或一种测量，或者提供在一些应用中不可接受的具有标准偏差的数据。在一些情况下，在其中被制造的物品的利润率不保证花费的应用中，能够进行更复杂的测量的设备可以是昂贵的，并且因此不是合算的，
已知用于确定单向预浸材料的防水或浸渍的程度的、被称为水摄取试验的过程。为了这个目的，初始将单向预浸材料的样本称重和夹在两个板之间，使得通常大约5mm宽的一条标本突出。将该布置在室温(21℃)下在水浴器在纤维的方向上悬浮5分钟。在去除板后，再一次将该标本称重。在重量上的差别被用作浸渍程度的测量值。水摄取的数量越小，则防水或浸渍的程度越高。水摄取试验的缺陷是它不允许得出例如关于在预浸材料中的树脂分布或预浸材料的表面光洁度的任何结论。水摄取测试过程仅提供了整个整体效应的信息，不可能在独立的影响变量或特征参数之间区分。
此外，通常离线采用水摄取试验作为对材料的样品的质量控制措施。这必然意味着可能无法识别在质量上的局部故障，如果这样，则中将大量的材料看作未能通过该试验，并且导致浪费。
发明内容
存在对于控制多组件片材材料的制造的过程的改善的方法和限制或克服与已知方法相关联的问题的检查方法的需要。
在第一方面，本发明提供了一种控制具有期望的预定参数的多组件片材材料的制造的过程的方法，包括：施加声音信号或电磁信号以与所述片材材料交互，由此，所述交互修改了所施加的信号；检测所述修改的信号；将所述修改的信号或从其得出的数据与和所述预定参数相关的数据作比较，并且修改所述过程的至少一个步骤，由此，向与所述预定参数相关的所述数据修改与所述修改的信号相关的所述数据。
在在此对于“参数”的引用中，该术语意欲包括包括其属性的多组件片材材料的任何方面。
所述声音信号可以优选地包括超声波信号。所述电磁信号可以包括微波信号(范围从0.05x10-2至1x10-2m的波长)、X射线信号(波长0.01nm至10nm)、光信号(10nm至700nm)、红外线信号(波长700nm至0.1cm)和/或上述信号的组合。
适当地，所述方法包括：执行预浸料和/或层压体制造过程的至少一个步骤；并且，在所述至少一个步骤之前、之间或之后测量所述预浸料和/或层压体的至少两个属性。
有益地，本发明的所述在线方法允许在预浸料和复合材料的制造期间检测和补偿缺陷。这减少或消除了在传统的制造过程中产生的重新工作或废弃量。
适当地，所述过程是连续过程。
所述多组件片材材料优选地选自层压体和预浸纤维增强结构。适当地，在包括浸渍步骤和选自压实步骤、层压步骤、合并步骤和固化步骤的一个或多个另外的步骤的过程中产生层压体或预浸纤维加强结构，所述浸渍步骤包括将树脂与加强材料接触，并且其中，响应于所检测的超声波信号与和所述预定参数相关的所述数据的作比较而在所述过程中修改所述过程的至少一个步骤。
适当地，在所述过程期间连续地修改所述过程的所述至少一个步骤，由此提供在线反馈控制。在所述过程中，可以修改所述过程参数的任何一个或多个以便将所述预定参数的所述实际值向期望的预定参数修改，并且从辊的加压、在树脂涂敷器和纤维材料之间的间隙、所述树脂的温度和树脂的流量适当地选择所述过程参数的任何一个或多个。使用连续超声波测量的控制的方法允许被制造的产品的不间断的质量控制。
在一个优选实施例中，所述过程是连续的过程，并且包括将从施加器分发的树脂与加强材料接触，并且在加压辊之间传送所述材料，其中，从辊的加压、在树脂施加器和所述加强材料之间的间隙、所述树脂的温度、树脂的流量和所述过程的线速度适当地选择响应于所述检测的超声波信号而修改的所述过程的所述至少一个步骤。
优选的是，使用所述超声波信号来提供与所述片材材料的两个或更多的参数相关的数据。在一个优选实施例中，测量所述超声波信号通过所述片材的厚度的透射率以确定所述片材的第一参数并且选用地确定所述片材的第二参数。优选的是，从所述片材的树脂浸渍的水平和所述片材的所述厚度来选择所述第一和第二参数。
基于从所述超声波测量得出的数据和将与被测量的所述参数相关的数据与和那个参数的预定值相关的数据作比较来适当地控制所述过程。优选的是，响应于从所述检测的超声波信号得出的所述数据与和预定参数相关的数据的作比较来修改所述过程的所述线速度，所述预定参数与所述片材的浸渍水平和/或所述产品的厚度的预定水平相关。通过修改所述线速度，可以控制和修改在每一个单位面积上施加的树脂的水平，以提供在预浸料中的期望的预定水平的树脂。
所述超声波信号适当地与所述片材材料和选自所述信号通过所述片材的所述透射率、所述检测的信号的速度和所述信号通过所述片材的透过时间的一个或多个参数交互。所述方法适当地包括：测量在预浸料和/或层压体的制造期间它的至少两个参数和/或属性。期望地，所述方法包括：将所述检测的超声波信号与所述片材的两个或更多的期望的预定参数相关。
所述测量的属性和/或参数可以是提供关于所述预浸料和/或层压体的有益信息的任何一种。在一些实施例中，所述测量的属性和/或参数提供了与所述预浸料和/或层压体的属性相关的信息，而在其他一些实施例中，所述测量的属性和/或参数提供了与缺陷相关的信息，所述缺陷例如是在所述预浸料和/或层压体内的空隙、裂纹、外来夹杂物、脱层、孔隙、皱纹或纤维未对准。期望地，进行至少两个测量使得与仅利用一个测量的预浸料和/或层压体的在线检查的方法作比较获得更多的信息。
当采取两个或更多的测量时，所述测量可以是在制造过程的不同阶段进行的相同的测量，而在其他情况下，所述测量可以不同并且在所述制造过程的相同或不同阶段进行。一个测量可以包括实质上在所述预浸料和/或层压体的表面或与其相关地进行的一个，而另一个测量可以在所述表面之下例如与所述预浸料和/或层压体的表面下部分相关地进行。
本发明使得能够产生一些多组件片材材料，其中，所述产品的质量满足对于质量的期望标准。所述连续过程通常用于生产一卷产品。保证所述一卷产品满足相关的质量标准减少了浪费，并且特别重要，其中，所述产品要用在包含承载高负载的材料的应用中。
在第二方面中，本发明提供了一种生产选自层压体和预浸纤维加强结构的一卷多组件片材材料的方法，其中，通过使用根据本发明的第一方面的方法控制所述多组件片材材料的制造的过程，所述片材材料遍及所述卷而具有期望的预定参数，所述期望的预定参数位于在所述期望的预定参数周围的容差带内。
适当地，根据所述特定参数、意欲的最终用途和整体期望的质量规格，所述容差带不大于所述期望的预定参数之下或之上的10％，优选地不大于其5％，并且期望地不大于其1％。在所述容差带可以以所述期望的参数为中心使得所述容差带在所述期望的预定参数之上和之下相等的延伸的同时，也在本发明的范围内的是，在所述期望的预定参数的一侧上比另一侧具有更小或更大的容差。
适当地，从所述加强材料的浸渍水平和所述片材的厚度选择所述期望的预定参数。优选的是，所述浸渍水平遍及所述辊相对于浸渍的期望的预定水平偏离小于10％。适当地，所述片材的厚度，其中，所述片材的厚度遍及所述辊相对于所述片材的期望的预定厚度偏离小于10％。
在另一个方面，本发明提供了一种预浸纤维加强结构，包括选自层压体和预浸纤维加强结构的一卷多组件片材材料，其中，已经响应于从在所述多组件片材材料的生产期间执行的超声波测量而获得的数据来在所述卷的生产期间改变了所述多组件片材材料的至少一个参数。
适当地，已经通过根据本发明的第二方面的方法获得了所述预浸纤维加强结构，所述预浸纤维加强结构包括选自层压体和预浸纤维加强结构的一卷多组件片材材料。
有益地，所述预浸纤维加强结构不必进行离线质量控制分析。然而，如果这作为补充的质量控制措施是期望的，则所述预浸纤维加强结构可以除了本发明的超声波方法之外也进行已知的质量控制过程。
在一个优选实施例中，要通过超声波测量的所述预定参数是空间参数。优选的是，所述超声波信号在连续的生产线上扫过辊的宽度，以便扫描大的部分，并且优选地当生产所述辊时实质上扫描所述辊的整个区域。在一个优选实施例中，所述超声波信号扫过所述辊的宽度，并且与其交互以便提供修改的超声波信号，所述修改的超声波信号提供了与在所述片材材料中的树脂的数量相关的数据或与所述树脂相对于在所述片材中的期望的预定水平的树脂的相对数量相关的数据，当应用容差带时，检测所述树脂的施加水平或通过所述超声波信号的所述扫过和基于在所述树脂的水平上的变化对于所述修改的信号的检测来监控它允许操作员基于在所述容差带内的树脂水平的降低来确定一卷片材材料是否通过或未能通过质量控制标准。
本发明也提供了一种控制具有期望的预定参数的多组件片材材料的制造的过程的方法，包括：施加超声波信号以与所述片材材料交互，由此所述交互修改了所述超声波信号；检测所述修改的超声波信号；将所述修改的超声波信号或从其得出的数据与和所述预定参数相关的数据作比较；并且。修改是过程的至少一个步骤，由此，将与所述修改的超声波信号相关的数据向与所述预定参数相关的数据修改，并且其中，所述多组件片材材料进行水摄取测试。
可以与其他质量控制方法相组合地使用本发明。可以基于被测量的参数或属性来选择任何另外的方法。另外的测量方法包括成像技术，例如声全息、光学计量和诸如微波相机的多种相机，用于诸如长度、宽度、深度的维度测量或在多个维度上的测量；温度计或热电偶，用于热导率的测量；磁力计，诸如霍尔效应传感器、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(SQUIDS)或涡流线圈，用于磁导率的测量；电容板或带状线，用于介电常数的测量；欧姆计和涡流线圈，用于导电率的测量；密度计或X-射线，用于密度或孔隙度的测量；以及，磁强计和线圈，用于核四极谐振频率的测量。
在一些实施例中，所述测量的至少一个适当地提供了与预浸料或层压体的属性或在其中的缺陷的存在相关的信息。例如，至少一个测量可以期望地提供与预浸料和/或层压体的热导率、磁导率、介电常数、电导率、密度、核四极共振频率等相关的信息。在一些实施例中，超声波测量被使用，并且提供与预浸料和/或层压体的孔隙率、纤维体积分数、空隙和/脱层相关的信息。
可以与在US2010/0065760中描述的方法相组合地使用本发明，所述方法用于确定CRP样品，特别是用于航空航天空间的预浸料材料的样品的至少一个特征参数，所述方法包括下面的方法步骤：呈现样品；使用预定频谱的电磁辐射来辐射所述样品；在数据记录中记录在所述样品和所述电磁辐射之间的交互；并且，从所述记录的数据记录确定所述特征参数。
在另一个方面，本发明提供了一种校准在控制用于具有期望的预定参数的多组件片材材料的制造的过程的方法中使用的超声波设备的方法，包括：制造多组件片材材料；应用超声波信号以在所述片材材料的生产期间与其交互，在与所述片材材料的交互后检测所述超声波信号；通过水摄取方法来分析所述片材材料的一个或多个参数；并且，将所述检测的超声波信号与所述水摄取方法的结果相关，由此使用所述片材材料的所述一个或多个参数来校准所述检测的超声波结果。
在另一个方面，提供了一种用于预浸料和/或层压体的制造的设备。所述设备包括控制器，树脂灌注设备、至少一个测量设备和处理器。所述处理器被相对于所述测量设备和控制器可操作地布置，使得可以在其间发送信息。适当地，使用过程控制器来控制本发明的方法。
在另一个方面，本发明提供了一种过程控制器，用于控制用于具有期望的预定参数的多组件片材材料的制造的过程，所述过程包括：使用加强材料来接触从施加器分发的树脂，并且在加压辊之间传送所述材料，并且施加超声波信号以与所述片材材料交互，由此所述交互修改所述超声波信号；检测所述修改的超声波信号；将所述修改的超声波信号或从其得出的数据与和所述预定参数相关的数据作比较；并且，修改所述过程的至少一个步骤，所述控制器包括：
iv)过程参数控制器，用于控制从由所述加压辊施加的力的水平、在所述树脂施加器和所述加强材料之间的距离、所述树脂的温度、所述树脂的流量和所述过程的线速度选择的在所述过程中的所述参数的一个或多个；
v)比较器，用于将所述检测的超声波信号或从其得出的数据与和所述期望的预定参数相关的数据作比较；
vi)参数修改器，用于从所述比较器接收数据，并且向所述过程参数提供信号以修改在所述过程中的所述参数的至少一个，由此，所述预定参数的实际值接近预定参数的期望值。
在一个优选实施例中，响应于测量的超声波信号来控制所述过程的所述线速度。
在本发明的实施例中，所述声音信号可以具有在超声波范围中的频率。所述超声波信号可以具有从100kHz至5MHz、优选地从200kHz至1MHz并且更优选地从300kHz至550kHz的频率。
在另一个方面，本发明提供了一种用于生产一卷多组件片材材料的生产线，包括：浸渍设备，用于使用加强材料来接触树脂；以及，选自压实设备、层压设备、合并设备和固化设备的一个或多个另外的设备；以及，超声波设备，其被适配来向所述片材施加超声波，并且检测超声波信号；以及，根据本发明的过程控制器。
在另一个方面，本发明提供了一种校准在控制具有期望的预定参数的多组件片材材料的制造的过程的方法中使用的超声波设备的方法，包括：制造多组件片材材料；施加超声波信号以在所述片材材料的生产期间与所述片材材料交互；在与所述片材材料的交互后检测所述超声波信号；通过水摄取方法来分析所述片材材料的一个或多个参数；并且将所述检测的超声波信号与所述水摄取方法的结果作比较，由此使用所述片材材料的所述一个或多个参数来校准所述检测的超声波结果。
在一个优选实施例中，本发明提供了一种通过树脂来量化层压体或结构的浸渍水平的方法，所述方法包括：
测量超声波(UT)信号通过所述层压体或结构的厚度的透射率和/或反射率；并且
将所述测量的透射率和/或反射率与校准模型相关，以确定所述结构或层压体的浸渍水平。
适当地，将所述测量的透射率和/或反射率与从使用所述水摄取方法获得的测量得出的校准模型相关。
优选的是，所述方法包括步骤：测量所述超声波信号的通过厚度的速度；并且将所述速度与另一个校准模型相关，以确定所述结构或层压体的另一个参数或属性，优选的是，所述另一个属性是所述层压体或结构的厚度。
本发明也提供了从使用本发明的方法制造的预浸料和/或层压体制备的物品。
在一些实施例中，适当地获得诸如长度、宽度、深度或在多个维度上进行的测量的维度信息。可获得许多成像技术，其能够或者直接地或者经由图像间接地提供这样的测量，所述图像可以被进一步分析以提供期望的维度信息。这样的成像技术的示例包括声全息、涡流阵列成像、光学计量和诸如微波相机的多种相机。
在一些实施例中，除了超声波之外也可以使用光学计量，并且光学计量有益地能够提供与在所述加强材料、预浸料和/或层压体中存在的皱纹或波纹相关的信息。用于进行光学计量测量以及分析其结果的技术是本领域内的普通技术人员公知的，并且在由此通过引用被整体包含在此的下文中被一般地描述：Yoshizawa,Taoru,Handbook of opticalmetrology principals and applications,Taylor&Francis,Boca Raton,co.2008。而且，用于进行这样的测量的设备是从包括General Electric Company、FARO和Minolta的多种来源可以商业方式获得的。
在一个优选实施例中，当超声波测量预期提供与预浸料的孔隙度相关的信息时，在灌注期间和/或在压实之前或期间有益地采取超声波测量。适当地，超声波探头被使用，并且可以被布置得接近树脂灌注台和/或压缩/压实台，在此，它将收集用于指示预浸料/层压体在给定深度处的孔隙度的数据。
所述数据然后被所述处理器过程，以提供数据，该数据例如指示在绿色状态预浸料和/或层压体中的任何缺陷对于对应的固化部分的缺陷的数量和一致性的影响和/或任何这样的缺陷对于固化部分强度的影响。所述过程的数据被提供到所述控制器，所述控制器可以然后如果期望或需要则调整所述过程的参数以计算在由所述过程在实施例中产生的缺陷的数量或量级。
可以影响在绿色状态预浸料和/或层压体中的缺陷的存在、数量或影响的过程调整包括但是不限于丝束张力、温度、叠层速度、辊压和树脂含量。并且，所述过程的数据可以指示并且因此所述控制器可以手动或自动地调整这些的任何一个。自动控制在一些实施例中可能是有益的，因为它提供了用于闭环过程的机会。
用于进行超声波测量以及分析其结果的技术对于本领域内的普通技术人员是公知的，并且在由此通过引用被整体包含在此的下文中被一般地描述：Data,S.K.and Shah,A.H.,Elastic waves in composite media and structures with applications toultrasonic non-destructive evaluation,CRC Press,Boca Raton,co.2009。而且，用于进行这样的测量的设备是从包括General Electric Company、Olympus和NDT Systems的多种来源可以商业方式获得的。
用于实施本发明的设备适当地包括相对于所述预浸料和/或层压体可操作地布置的适当的传感器或传感器的阵列或在制造过程的点处的过程设备，在所述制造过程处，期望地获得测量信息。在一些实施例中，所述传感器或传感器阵列可以有益地被布置得接近、远离或紧密地接近树脂被期望地灌注到所述加强材料之处，并且/或者，所述预浸料的压实/压缩、用于提供所述层压体的一个或多个预浸料的叠层或所述层压体的合并发生。换句话说，在树脂向加强材料上的灌注、压实步骤、层压/叠层步骤、合并步骤和/或固化步骤之前、期间或之后进行所述测量的至少一个。
在一个优选实施例中，所述超声波发射器和接收器位于所述片材材料之上和之下。优选的是，所述发射器和接收器不接触所述片材材料。所述常不起信号可以从所述片材材料的顶表面或底表面或中间层被反射。也可以通过所述片材或预浸料的厚度来透射或吸收所述信号。所述信号的吸收(通过在所透射的信号和在透过所述预浸料或片材后所接收的信号的能量之间的差而测量)提供了所述片材或预浸料的一个或多个参数的测量，诸如树脂层厚度或片材或预浸料厚度或密度。
所述信号通过所述片材的速度也可以提供在所述预浸料或片材中的密度或孔隙度的指示或密度或孔隙度的变化的指示。可以通过在透射信号或通过所述预浸料或片材的透射后的所接收的速度之间的查来测量所述速度。
在原始透射信号和所接收信号之间的相位差也可以指示所述预浸料或片材的特定属性，诸如孔隙度或表面缺陷。
所述发射器和传感器元件或其阵列优选地被安装使得它们的发射和接收表面对齐和彼此相对。所述发射器和接收器优选地被安装到硬的‘C’形构件或类似的开放结构的端部，以允许两个元件被布置在所述片材材料周围或从所述片材材料周围缩回。所述硬构件优选地被安装在滑轨上或台架上，使得所述发射器和传感器可以被布置在所述预浸料周围并且被去除以用于维护或校准而不干扰所述元件的对齐。优选的是，所述安装结构包含提供用于振动阻尼的装置。
用于传感器元件的操作的感测电路会易于受到电磁干扰(EM)的影响。因此，需要将传感器电路的导电保持得短。优选的是，感测电路和用于从传感器接收输入的必要电子器件应当紧密地接近传感器，并且相对于EM辐射隔离。优选的是，这在传感器的7m内，更优选的是，这被安装在与传感器元件相同的滑轨或台架上。优选的是，不与所述感测电路(例如，电源)相关联的电子系统被隔离以防止影响感测电路的EM干扰。优选的是，与发送器和传感器元件相关联的所有电子器件被容纳在EM隔离的舱中，并且感测电路在独立的舱中。
过程碳纤维的一种不期望的副产品是产生会损坏电组件的导电空气中颗粒。因此优选的是，本发明的所有电组件容纳在正压环境中，以防止空气中导电颗粒的进入以防损坏。
在其中使用光学计量来获得所述测量之一的那些实施例中，当预期提供与层压体表面拓扑相关的信息时，可以有益地在叠层期间使用光学计量。
适当地，从至少一个测量获得的数据有益地用于监控和/或修改制造过程。换句话说，从所述测量获得的数据可以被提供到能够操纵所述数据的处理器，例如，所述数据可以被操纵以提供所述预浸料和/或层压体的测量属性的历史概述，或者，所述数据可以被操纵以便预测在预浸料和/或层压体内的属性和/或缺陷如何可以在另外的过程和/或存储期间发展。
在一些实施例中，可以操纵所述数据以便预测在未固化的或“绿色状态”的预浸料和/或层压体中的缺陷如何存在于固化部分中。在相同或其他实施例中，可以操纵所述数据以便将在测量步骤中检测到的任何缺陷与固化部分强度相关。换句话说，可以以多种方式来操纵所述数据以提供多个指示。在一些实施例中，例如，可以操纵所述数据以提供在固化部分中如何存在在绿色状态部分中的缺陷的预测和这些缺陷对于固化部分强度具有什么影响。
在本领域中公知过程建模软件和技术，并且这些也可以被应用到在用于预测例如来自绿色状态指示的可能在固化部分中留下或被加重的缺陷和任何这样的缺陷可能对于固化部分强度具有的影响的方法的实施期间获得的数据。例如，在例如在此通过引用被包含在此以用于任何和全部目的的下文中描述了用于进行这样的分析的适当的方法：Sridhar Ranganathan,Suresh G.Advani,and Mark A.Lamontia,"A Non-IsothermalProcess Model for Consolidation and Void Reduction during In-Situ TowPlacement of Thermoplastic Composites,"Journal of Composite Materials,1995vol.29,pp.1040-1062；Yerramalli,C.S.,Waas,A.M.,"A nondimensional number toclassify composite compressive failure,"Journal of Applied Mechanics,Transactions ASME,2004,vol.71,no.3,pp.402-408；以及，Yerramalli,C.S.,Waas,A.M.,"A failure criterion for fibre reinforced polymer composites undercombined compression-torsion loading",International Journal of Solids andStructures,2003,vol.40,no.5,pp.1139-1164。
在一些实施例中，可以使用这样的分析来对于所述过程进行改变，以便最小化或甚至消除缺陷形成。这样的实施例因此提供了在通过所述过程制造的缺陷物品的重新加工或报废上的减少的优点。这样的过程修改可以或者被手动进行或者经由相对于所述处理器可操作地布置以便从其接收信息或相对于预浸料和/或叠层设备可操作地布置以便向其提供信息的自动化的控制器进行。
本方法有益地和容易被包含到用于预浸料和/或层压体的制造的任何设备中，并且因此，这样的设备也被提供在此。一般而言，所述设备包括控制器、树脂灌注设备、至少一个测量设备和处理器。所述处理器相对于所述测量设备和控制器可操作地被布置，使得可以在其间传输信息。在一些实施例中，所述设备也可以包括叠层设备。
所述至少一个测量设备可以被定位在其中可以收集或期望收集与所述预浸料和/或层压体相关的数据的任何位置处。在一些实施例中，可以在多个位置处使用相同类型的测量设备，而在相同或其他实施例中，利用至少两个测量设备。所述测量设备依赖于期望获得的数据，。并且可以基于所述数据被选择。在一些实施例中，与超声波测量装置相组合地利用光学计量。
例如，在其中至少一个测量提供了维度数据并且使用一个或多个光学计量装置来进行所述测量的那些实施例中，所述装置可以被定位得例如紧密地接近叠层头，并且其中，它将产生层压体表面拓扑的二维图像，该层压体表面拓扑继而可以被分析以检测和表征在层压体的表面上的任何皱纹。
可以与任何预浸料和/或层压体的制造相关联地利用本方法和设备，而与该任何预浸料和/或层压体的构成无关。预浸料通常包括一个或多个可固化树脂和一个或多个加强材料，而层压体通常包括在彼此之上层压的多个预浸料。
一般而言，在预浸料和层压体中使用的适当的可固化树脂包括热塑性聚合组合物，例如聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙酯、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、聚萘二甲酸、聚醚酮、聚砜、聚碳酸酯和它们的共聚物。
预浸料和层压体也可以利用热固性树脂，其合适的示例包括但不限于环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛树脂、聚氨酯、聚酰胺或其中两种或更多种的组合。特别适合于在本发明中使用的粘合剂组合物包括交联的热固性体系，诸如聚酯、乙烯基酯、环氧树脂(包括酸、碱和加成固化的环氧树脂)、聚氨酯、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树脂以及它们的任何一些的共混物或混合物。
结构粘结剂经常用在预浸料和层压体中，并且可以用在通过本方法和/或设备制备的预浸料和层压体中。在本复合系统中使用的优选的结构粘结剂包括聚酯和甲基丙烯酸甲酯等。
可以使用所述的设备、系统和方法来灌注任何适当的加强材料。例如，可以布置较为连续的纤维或丝束以形成纤维的单向阵列、纤维的交叉层叠的阵列或捆扎成包的丝束，所述捆扎成包的丝束被布置来形成丝束的单向阵列，或者被机织或交叉层叠以形成二维阵列，或者被机织或编织以形成三维织物。对于三维织物，多组单向丝束可以例如被彼此彼此垂直地交织。
要在诸如带或织物的这样的加强材料中包括的有益纤维无限制地包括玻璃纤维、碳和石墨纤维、玄武岩纤维、包括芳族聚酰胺纤维的聚合物纤维、硼丝、陶瓷纤维、金属纤维、石棉纤维、铍纤维、二氧化硅纤维和碳化硅纤维等。根据所述预浸料的期望的应用，所述纤维可以是不导电的或导电的。
可以在包括预浸料和/或层压体的任何物品的制造中应用本方法，并且本方法当因为与大的物品的制造相关联的成本并且因此将其重新加工或报废的成本导致而被应用到该大物品时特别有益。本方法当被应用到预浸料、层压体和/或包括这些的物品时也可以提供特别的益处，其中，加强材料包括碳长丝或纤维。碳具有比诸如玻璃复合材料的许多其他加强材料显著地高的硬度和低的质量。因此，其作为加强材料的使用可以使得能够制造可以更大并且仍然更轻并且具有用于期望的应用的仍然可接受的强度的预浸料、层压体和物品。然而，由包括碳的预浸料和/或层压体构成的组件的最终强度可以大大地取决于制造过程。诸如皱纹、脱层、孔隙度和孔隙的缺陷可以通过向材料结构内引入应力集中部分而大大地降低复合材料的最终强度，该应力集中部分以在组件的设计中未考虑的方式引起局部过早失效或来自所施加的负载的重新定向的应力。
其中从预浸料和/或层压体和/或包括包含加强材料的碳的预浸料和/或层压体常规地制造大型物品的工业的示例包括能源工业，其中，例如管线或其他工厂设备的大的分段可能受益于在此所述的原理的应用，特定应用的示例进一步包括风力涡轮机部件，例如，涡轮机叶片或其子组件，诸如翼梁、翼梁帽、翼面蒙皮或者风力涡轮机的圆柱形根部部分或塔架段。
从使用所述的方法和设备制备的预浸料制备的层压体也可以用在航空应用中，诸如机翼蒙皮、机身蒙皮、翼梁或诸如翼肋的平层板。
附图说明
参考附图说明本发明，在附图中：
图1是表示根据本发明的一些实施例的在线检查的步骤的流程图；
图2是表示根据本发明的一些实施例的在示例性在线检查方法中的步骤的流程图；并且
图3是呈现根据本发明的另一个实施例的本发明的方法的实现的图。
具体实施方式
图1是图示设施方法的一个实施例的流程图。如所示，方法100包含：在步骤102处，制造预浸料和/或层压体；以及，在步骤104处，使用超声波方法来在预浸料和/或层压体的制造期间测量预浸料和/或层压体的参数或属性。通常，可以在预浸料或层压体的制造过程中的任何点处获得该测量，该任何点包括树脂灌注、压缩、层压、合并和固化。
在图2中，方法400包括：在步骤404执行预浸料和/或层压体制造过程的步骤；在步骤406制造预浸料和/或层压体的至少两个属性；并且，在步骤408处分析所获得的数据。如果需要或期望，则可以然后使用数据的分析调整制造过程，如在步骤402处所示。
图3是表示根据另一个实施例的本发明的方法614的实现的图。通过使用可固化树脂604的膜来经由辊606供应增强材料602而形成预浸料和/或层压体材料612。四个超声波发射器610被定位在辊后，并且以隔开的间隔与预浸料的宽度平行地排列到预浸料的一侧，面向预浸料片材。四个超声波接收器608位于预浸料与发射器的相对侧上的与发射器相对的位置中。通过超声波发射器610的每一个来产生超声波信号，该超声波信号透过预浸料并且被接收器608接收。超声波接收器608的输出被使用模数转换器620转换为数字信号，并且被数据获取系统622接收。信号过程单元624然后将所接收的信号与参考信号作比较，该参考信号对应于原始发射的信号。所发射的信号的改变与预浸料的浸渍水平相关，以提供可以实时地被显示的增强材料的树脂浸渍。将该数据与预定值作比较，并且该数据用于调整具有闭环控制的制造过程的参数(例如，辊力)，以保证树脂向增强材料内的浸渍。树脂厚度数据也被记录以将这其与对应批次的预浸料相关联。该系统也可以用于检测例如在膜辊或纤维纱架的改变之后出现的树脂的误差和波动。因此提供了用于控制树脂浸渍过程的方法和由这样的方法控制的树脂浸渍材料。该方法也可以用于确定在树脂浸渍材料中的、并且特别是在包括纤维增强材料和树脂材料的复合材料中的树脂浸渍的水平。以这种方式，可以测量树脂浸渍材料的质量。

Claims (13)

1.一种控制包括具有期望的预定参数的预浸纤维增强结构的多组件片材材料的制造的过程的方法，包括：
a.施加声音超声波信号以与所述片材材料交互，由此所述交互修改了所施加的信号；
b.检测所述信号通过所述片材的透射率、检测到的信号的速度和所述信号通过所述片材的透过时间的形式的所述修改的信号；
c.将所述修改的信号或从其得出的数据与和所述预定参数相关的数据作比较；并且，
d.连续地修改所述过程的至少一个步骤，由此向与所述预定参数相关的所述数据修改与所述修改的信号相关的所述数据；
其中，在包括浸渍步骤和压实步骤的过程中产生层压体或预浸纤维加强结构，所述浸渍步骤包括将树脂与加强材料接触，并且其中，响应于所检测的信号与和所述预定参数相关的所述数据的比较，在所述过程中修改所述过程的至少一个步骤，所述步骤选自辊的加压、在树脂施加器和所述加强材料之间的距离、所述树脂的温度、树脂的流量和所述过程的线速度。
2.根据权利要求1所述的方法，包括将所述检测的信号与所述片材的两个或更多的期望的预定参数相关。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述声音超声波信号处于200kHz至1MHz的频率范围。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述声音超声波信号处于从300kHz至550kHz的频率范围。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述声音超声波信号由发射器元件或其阵列进行发射，所述修改的信号由传感器元件或其阵列进行接收，所述发射器和所述传感器元件安装至开放安装结构，以允许这两个元件被布置在所述片材材料周围或从所述片材材料周围缩回。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述发射器和传感器元件被容纳在电磁隔离的舱中，并且用于操作所述传感器元件的感测电路位于独立的舱中。
7.一种生产包括预浸纤维加强结构的多组件片材材料的方法，其中，通过使用根据权利要求1至6的任何一项所述的方法控制所述多组件片材材料的制造的过程，所述片材材料具有期望的预测参数，所述片材材料遍及所述多组件片材材料而相对于所述期望的预定参数偏离小于10％。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述期望的预定参数选自所述加强材料的浸渍的水平和所述片材的厚度。
9.一种质量验证的预浸纤维加强结构，包括含有通过经由根据权利要求1至8的任何一项的方法控制的过程而获得的预浸纤维加强结构的一卷多组件片材材料，所述质量验证的预浸纤维加强结构还未进行水摄取测试形式的离线质量控制分析。
10.一种适配为执行权利要求1-8中任何一项所述的方法的过程控制器，用于控制用于包括具有期望的预定参数的加强材料的多组件片材材料的制造的过程，所述期望的预定参数选自所述加强材料的浸渍水平和所述片材的厚度，所述过程包括：使用加强材料来接触从施加器分发的树脂，并且在加压辊之间传送所述材料，并且施加超声波信号以与所述片材材料交互，由此所述交互修改所述超声波信号；检测所述修改的超声波信号；将所述修改的超声波信号或从其得出的数据与和所述预定参数相关的数据作比较；并且，修改所述过程的至少一个步骤，所述控制器包括：
i)过程参数控制器，用于控制从由所述加压辊施加的力的水平、在所述树脂施加器和所述加强材料之间的距离、所述树脂的温度、所述树脂的流量和所述过程的线速度选择的在所述过程中的所述参数的一个或多个；
ii)比较器，用于将所述检测的超声波信号或从其得出的数据与和所述期望的预定参数相关的数据作比较；
iii)参数修改器，用于从所述比较器接收数据，并且向所述过程参数提供信号以修改在所述过程中的所述参数的至少一个，由此所述预定参数的实际值接近预定参数的期望值。
11.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述声音超声波信号处于200kHz至1MHz的频率范围。
12.根据权利要求11所述的控制器，其中，所述声音超声波信号处于从300kHz至550kHz的频率范围。
13.根据权利要求10所述的控制器，其中，所述声音超声波信号由发射器元件或其阵列进行发射，所述修改的信号由传感器元件或其阵列进行接收，所述发射器和所述传感器元件安装至开放安装结构，以允许这两个元件被布置在所述片材材料周围或从所述片材材料周围缩回。
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