CN104684714A - 用于浸渍复合零件的装置及相关方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将树脂浸渍到纤维预成形件(12)中的装置(10)，所述装置(10)包括：包括具有能够接纳纤维预成形件(12)的密封腔(9)并包括液体树脂入口(19)的模具；位于腔(9)中并与纤维预成形件(12)接触的成型金属板(13)，所述装置(10)包括测量装置(30)，测量装置(30)包括能够穿过所述纤维预成形件(12)的截面(S1)发射和接收超声信号的发射器和接收器，穿过成型金属板(13)实现所述信号的接收。
Description
技术领域
本发明涉及复合零件浸渍装置以及相关方法。
本发明涉及树脂浸渍方法的领域，以便用干燥纤维预成形件制造复合零件。更特别的是，本发明的目标装置和方法涉及LRI(英文缩写“LiquidResin Infusion”(液体树脂浸渍)方法中的非破坏检测和控制。
背景技术
根据LRI方法，复合零件的制造包括两个主要步骤：形成干燥纤维预成形件，然后将树脂注入到纤维预成形件中。该制造方法可以形成形状复杂的结构，简化组装步骤，并避免引入将使零件脆弱的(螺栓或粘连)连接。
如专利文献FR 2 948 600中描述的液体树脂浸渍方法，是采用低压真空将树脂转移入干纤维预成形件中来制造复合零件的方法。将多层纤维层片构成的预成形件置于模具密封腔中的泄放织物与穿孔成型板之间。由于腔被抽真空，液体树脂沿与各层基本垂直的方向转移到预成形件的厚度中。位于注入树脂一侧的泄放织物可以使液体树脂的推进前沿分布在预成形件的整个表面。成型板标定零件的厚度。因此，液体树脂在纤维预成形件的厚度中推进直至成型板。根据现有技术，该成型板设有可以通过加热预成形件来保持树脂流动度的加热装置。
通过树脂穿过成型板的穿孔的溢出来检测注入结束。但是，该目测效果不能保证这样得到的零件中不存在干燥区。该目测检查与注入树脂的体积检查和内压平衡相结合。这两个参数是很难掌控的，因为要注入的体积计算没有考虑供应通道中损失的体积，或者之后的最后剥离层片和通过成型板扩散的多余的树脂损失。另外，内压平衡计算没有考虑袋成型材料(bagging materials)的可能运动。内压平衡参数改变了树脂体积含量并且因而改变了注入结构的厚度。这就导致不能获得作为零件的客观机械特性的目标纤维体积含量。
同样，为了控制该制造方法产生的复合零件的质量，现有技术使用的方法在于通过取样进行破坏性检测，以便分析该取样零件的内部结构或强度特性。这种分析所生产零件的材料健康(material health)的方法不能保证零件100％的可靠并且不适用于小批量分析。另外，该方法导致制造过程中的经营成本增加。
发明内容
本发明的目标是克服这些缺点。
为此目的，根据第一方面，本发明涉及用于将树脂浸渍到纤维预成形件中的装置。所述装置包括模具和成型板，该模具包括能够接纳纤维预成形件的密封腔并且包括用于液体树脂的入口，该成型板位于腔中并与纤维预成形件接触，所述装置包括测量装置，测量装置包括能够发射和接收穿过所述纤维成形件的截面的超声信号的发射器和接收器，该信号通过成型板被接收。
本发明可以在树脂转移进入预成形件中的过程中实现复合零件的材料健康分析。可以在不破坏零件的情况下对材料健康进行分析。因此本发明提高了所生产的复合零件的质量，并简化了对复合零件的检测。
有利地，测量装置包括发射/接收传感器，并且成型板包括其中能够定位所述传感器的空隙。发射/接收传感器特别适于薄的复合零件。另外，这种传感器在浸渍装置中的安装相当简单，因为它只要求在成型板中钻孔一次。
有利地，测量装置包括位于模具的空隙中的发射器和位于成型板的空隙中的接收器。将发射器和接收器定位于纤维预成形件的两侧可以限制超声信号行进的路径。该实施方式特别适于厚的复合零件。另外，发射器与接收器分开可以根据复合零件的厚度改变发射器，而不用改变测量装置的两个部分。
有利地，装置包括测量装置的阵列，该阵列的所述测量装置的所述接收器以匀称间隔开的行和列分布。该实施方式可以实现同时对复合零件的多个部分的材料健康进行分析。
有利地，成型板被加热，并且测量装置的位于所述成型板上的部分包括安装在基底上的压电片，该基底的材料能承受成型板的加热温度，该实施方式可以根据应用采用测量装置。例如，由石墨制成的基底特别地能够承受390℃的热塑性材料的注入，而由聚醚醚酮制成的基底能够承受达180℃的环氧树脂注入。
根据第二方面，本发明涉及使用根据本发明的装置将树脂浸渍到纤维预成形件中的方法，该方法包括以下步骤：使用液体树脂逐渐浸透纤维预成形件、发射和接收穿过纤维预成形件的超声信号、测量超声信号在纤维预成形件的截面中往返经过的时间、根据传播时间的变化确定复合零件的固化程度。
传播时间表示超声信号在复合零件中的传播速度，该速度在液体树脂的注入和浸渍过程中是变化的。因此，该方法可以允许检测复合零件材料密度的变化，因为复合材料密度越大，传播时间越长。例如，对于由碳环氧树脂制成的复合零件，浸渍前的超声信号的传播速度为2mm/s，在浸入和聚合后为3mm/s。估计固化的程度允许评估所述复合零件的机械强度。
另外，该方法包括以下步骤：测量超声信号的相对幅度，相对幅度对应于所发射超声信号的幅度与所接收超声信号的幅度的比，并且根据相对幅度确定复合零件的固化程度。超声信号的相对幅度使得能够了解复合零件的材料密度，这是因为零件的密度越大，超声信号的衰减越小。因此，该实施方式使得能够与传播时间相互补充分析。
有利地，该方法包括以下步骤：根据所接收信号的传播时间和/或相对幅度估计纤维预成形件的饱和度，并且在纤维预成形件达到最大饱和阈值时停止对纤维预成形件的浸透。
这样允许控制液体树脂浸渍纤维预成形件的过程。能够缓和例如当注入装置中的流体损失时可能出现的袋成型材料的可能运动。因此，这样可以避免可能在现有技术的估计预成形件的浸渍程度方法中发生的将过多或过少液体树脂注入到预成形件中。
有利地，该方法包括根据所接收信号的传播时间或相对幅度检测纤维预成形件的离型膜的步骤。该步骤可以控制遮盖结构的复合零件的制造过程，并且例如可以检测诸如聚乙烯离型膜之类的外来物体的存在。因此测量装置可以起到检测器的作用。
附图说明
下面参照附图对本发明的优选的但非限制的实施方式进行描述，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施方式的浸渍装置剖视图；
图2示出了图1中的装置的成型板的底视图；
图3示出了图1中的装置的成型板的俯视图；
图4示出了根据本发明第二实施方式的超声测量获取原理的示意图；
图5示出了纤维预成形件的饱和与浸渍的时间测量；
图6示出了纤维预成形件浸渍的时间测量和相关信号幅度；以及
图7示出了根据本发明的第三实施方式的包括多个传感器的浸渍装置的成型板的底视图。
具体实施方式
在描述中，相同、相似或类似的元件在所有附图中具有相同的附图标记。
图1至图3示出了根据本发明的第一实施方式的用于浸渍复合零件的装置10。装置10可以使液体树脂浸入到纤维预成形件12中，纤维预成形件12包括要生产的复合零件的基质。
预成形件12位于模具11中并且被形成有腔9的密封囊15覆盖。更确切地说，预成形件12定位成与模具11纵向接触。预成形件12被位于下面的第一剥离层片21和位于上面的第二剥离层片22包围，剥离层片21和22通过固定装置16固定至预成形件12的两侧。剥离层片21、22优选地由特富龙涂覆的玻璃纤维织物形成，以更易于复合零件的脱模。泄放材料20位于第一剥离层片21与模具11之间，使得从注入装置23通过模具11的树脂入口19注入的液体树脂分散在预成形件12上。
通过位于预成形件12之上的成型板13确保预成形件12的厚度标定。当预成形件12是平坦的时，成型板13还可以调节预成形件12的平面度。成型板13包括用于排出多余树脂的穿孔14。当成型板13被加热时，所述成型板13通过一组连接器28与控制系统连接。
成型板13包括能够发射和接收穿过复合零件的截面S1的超声信号的测量装置30。测量装置30包括带有平面头部34的压电片36，平面头部34的表面与成型板13的底面31处于同一平面中。压电片36安装在定位于成型板13的顶面32上的圆形基底35上。基底35优选地与成型板13的操作温度相适应。密封件37位于压电片36周围以避免树脂损失。供应和数据信号通过位于成型板13的顶面32上的两根导线38、39与测量装置30连接。
从成型板13到模具11的所有元件都由两个薄膜24、25以及两个泄放织物26、27保护，在两个泄放织物26、27之间，腔9包括抽真空装置18。
图4示出了本发明的第二实施方式，在该第二实施方式中，测量装置30划分为位于模具11中的发射模块46和位于成型板13中的接收模块47。超声信号一次穿过预成形件12的截面S1，而不是往返穿过预成形件12的截面S1(第一实施方式的情况)。
在截面S1处，树脂的第一前沿41表示浸入预成形件12的初始时刻。树脂的第二前沿42表示预成形件12部分饱和的时刻，树脂的第三前沿表示预成形件12完全饱和的时刻。
注入过程包括：加热树脂和预成形件12，然后将树脂注入到预成形件12中。树脂首先在泄放材料20中迅速流动，然后扩散穿过剥离层片21，之后渗入预成形件12，直到成型板13。成型板中的穿孔14去除多余树脂。
在注入和浸渍过程中，测量装置30可以测量超声信号的传播时间50，即所述信号穿过预成形件的截面S1所需的时间。测量装置30可以估计所发射超声信号幅度与所接收超声信号幅度之间的相对幅度51。图5、6示出了作为时间的函数的传播时间50和相对幅度51的曲线图。在从0分钟至2分钟的第一阶段53，液体树脂还没有与传感器47接触。在2分钟之后，液体树脂与传感器47接触，并且预成形件被迅速浸透树脂。该浸渍效果54会引起传播时间50的0-20μs之间的大的增加并且引起相对幅度51的0-3％之间的增加。浸渍效果54的出现可以停止预成形件12的饱和，因此控制注入过程的质量。作为变型，该浸渍效果54也可检测预成形件12的离型膜。
当预成形件12浸透树脂时，树脂开始在温度作用下凝固以固化形成复合零件的最终结构。在浸渍开始的中间阶段55，传播时间50基本恒定，并且相对幅度51根据纤维预成形件12的结构而剧烈变化。图6示出了在聚合周期期间——即在70至110分钟之间——固化效果如何变化。如图6示出，传播时间50在浸入过程中减少，而相对幅度51增加。
在大致等于72分钟的时刻63，装置的温度上升以激活反应。传播时间50大致恒定在3.5μs，并且相对幅度51大致恒定在5％。
在大致等于84分钟的时刻64，装置达到表示开始固化的凝胶点。在时刻63与时刻64之间，相对幅度51小幅增加，并且传播时间50稍微降低。
在基本等于101分钟的时刻65，装置达到固化点。在时刻64与时刻65之间，相对幅度51大幅增加，而传播时间50大幅减小。
在时刻66，装置处于固化结束阶段。在时刻65与66之间，相对幅度51稍微增加趋向35％，传播时间50稍微减小趋向3μs。
在聚合周期期间，相对幅度51或传播时间50的变化可以实现复合零件材料健康研究。具体地，如果预成形件12在聚合期间包括外来物体(离型膜、转移纸等)，超声信号在超声信号传输期间遇到这些外来体，而这根据外来体的性质和位置来影响相对幅度51和/或传播时间50。在实际应用中，包括外来体的复合零件的相对幅度51将小于预计为相同零件的相对幅度51。
图7示出了第三实施方式，在该第三实施方式中，成型板13包括匀称分布在四行L1-L4和四列C1-C4的测量装置30的阵列70。该实施方式可以允许浸渍装置提供在复合零件的多个不同位置处的材料健康分析。
Claims (10)
1.一种用于将树脂浸渍到纤维预成形件(12)中的装置(10)，所述装置(10)包括：
模具，所述模具包括能够接纳所述纤维预成形件(12)的密封腔(9)并且包括用于液体树脂的入口(19)；以及
成型板(13)，所述成型板(13)位于腔(9)中并且与所述纤维预成形件(12)接触，
其特征在于，所述装置(10)包括测量装置(30)，所述测量装置(30)包括能够发射和接收穿过所述纤维预成形件(12)的截面(S1)的超声信号的发射器和接收器，所述超声信号通过所述成型板(13)被接收。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量装置(30)包括发射/接收传感器，并且所述成型板(13)包括能够放置所述传感器的空隙。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量装置(30)包括定位于所述模具(11)的空隙中的发射器(46)和定位于所述成型板(13)的空隙中的接收器(47)。
4.如权利要求1至3中的一项所述的装置，其特征在于，所述装置(10)包括所述测量装置(30)的阵列，所述阵列的所述测量装置(30)的所述接收器以匀称间隔开的行(L1-L4)和列(C1-C4)分布。
5.如权利要求1至4中的一项所述的装置，其特征在于，所述成型板(13)被加热，并且所述测量装置(30)的布置在所述成型板(13)上的部分包括安装在基底(35)上的压电片(36)，所述基底(35)的材料能够承受所述成型板(13)的加热温度。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基底(35)由石墨制成。
7.一种使用如权利要求1所述的装置使树脂浸渍入纤维预成形件(12)中的方法，该方法包括以下步骤：
使用液体树脂逐渐浸透所述纤维预成形件(12)；
发射和接收穿过所述纤维预成形件(12)的超声信号；
测量所述超声信号在所述纤维预成型件(12)的所述截面(S1)中进行往返经过的时间(50)；以及
根据传播时间(50)的变化确定复合零件的固化程度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
测量所述超声信号的相对幅度(51)，所述相对幅度(51)对应于所发射的超声信号的幅度与所接收的超声信号的幅度的比；以及
根据所述相对幅度(51)确定复合零件的固化程度。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
根据所接收的信号的传播时间(50)和/或相对幅度(51)来估计所述纤维预成形件(12)的饱和度；以及
当所述纤维预成形件达到预定饱和阈值时停止对所述纤维预成形件(12)的浸透。
10.如权利要求7至9中的一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：根据所接收的信号的传播时间(50)或相对幅度(51)检测所述纤维预成形件(12)的离型膜。
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