CN106903907B - 一种液体成型工艺树脂自动化注射系统及其工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于工艺制造领域，涉及一种液体成型工艺树脂自动化注射系统及其工艺，该系统通过反射式光强调制型光纤传感器检测复合材料液体成型工艺过程树脂流动前锋，将信号反馈给控制器；控制器根据树脂流动前锋信息控制纤维预成型体不同位置注胶口及溢胶口的开启或关闭，进而实现复合材料液体成型工艺过程树脂的有序自动化注射，本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，特别是针对大型复杂结构复合材料制件，能保证树脂完全浸润纤维预成型体，避免干斑和气泡等缺陷，保证产品质量，同时提高注胶效率，提高生产率。

Description

一种液体成型工艺树脂自动化注射系统及其工艺
技术领域
本发明属于工艺制造领域，涉及一种液体成型工艺树脂自动化注射系统及其工艺。
背景技术
液体成型工艺可以降低成型设备以及模具的资本投入，研究表明对于制造表面积在80m2-130m2的零部件，液体成型工艺的固化设备成本（固化炉成本）仅为近似尺寸大小热压罐的1/10-1/7，而热压罐成型工艺中固化过程消耗的成本占航空复合材料制造总成本的约13%。另外，液体成型工艺可以缩短制造周期以及减少能源消耗，所使用的干纤维和树脂的价格也低于预浸料，并且方便储存。液体成型工艺在航空航天、汽车、船舶、能源、建筑等行业广泛应用。
液体成型工艺生产的复合材料制件质量很大程度依赖树脂流动浸润纤维预成型体的过程，对于大型复杂结构复合材料制件，其树脂流动时间长，流道复杂，为了使树脂流动完全浸润纤维预成型体，通常会在制件范围内设置一定数量的注胶口及溢胶口，并根据需要先后开启或关闭不同位置注胶口或溢胶口，避免纤维预成型体树脂浸润不完全，形成干斑和气泡等缺陷。目前，开启或关闭注胶口或溢胶口采用人工操作。
传统的树脂注射系统仅能通过人工开启或关闭注胶口及溢胶口阀门，实现树脂有序注射，人工操作的依据就是肉眼观察树脂流动前锋的位置。工程中，由于受到辅助材料及模具的限制，纤维预成型体内部树脂流动前锋难以观测，无法准确把握开启或关闭注胶口及溢胶口阀门的时间点，外加人工操作的时间误差，注胶口及溢胶口阀门的开启或关闭时间控制不准确，容易导致不同注胶口注射树脂的流动前锋紊乱而包裹空气，形成干斑和气泡等缺陷。另外，由于采用人工手动控制，生产效率低，无法实现大规模批量化生产。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的提出一种液体成型工艺树脂自动化注射系统及其工艺，该系统通过反射式光强调制型光纤传感器检测复合材料液体成型工艺过程树脂流动前锋，将信号反馈给控制器。控制器根据树脂流动前锋信息控制纤维预成型体不同位置注胶口及溢胶口的开启或关闭，进而实现复合材料液体成型工艺过程树脂的有序自动化注射，本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，特别是针对大型复杂结构复合材料制件，能保证树脂完全浸润纤维预成型体，避免干斑和气泡等缺陷，保证产品质量，同时提高注胶效率，提高生产率。
本发明的技术方案是：一种液体成型工艺树脂自动化注射系统，该系统包括树脂流动前锋检测装置、储液罐、转换器、控制器和PC；
所述树脂流动前锋检测装置，用于判断树脂流动前锋是否到达该检测装置在纤维预成型体内的放置位置；
所述储液罐，用于存储树脂；
所述转换器，用于将光信号转换为数字信号；
所述控制器，用于控制阀门开启和关闭；
所述PC，用于处理信号数据。
其中，所述树脂流动前锋检测装置放置于纤维预成型体厚度方向中心附近位置，所述树脂流动前锋检测装置通过光纤与转换器连接；所述储液罐通过导胶管与纤维预成型体中铺贴的导流层连接；所述导胶管上设置有第一注胶口控制阀门和第二注胶口控制阀门，所述纤维预成型体的不同溢胶区域上分别设有第一溢胶口控制阀门和第二溢胶口控制阀门，所述控制器分别与所述第一注胶口控制阀门、第二注胶口控制阀门、第一溢胶口控制阀门和第二溢胶口控制阀门连接，所述转换器通过信号线与所述控制器连接，所述控制器所述与所述PC连接。
进一步，所述树脂流动前锋检测装置包括套管、反射镜、传感器端头；其中，所述传感器端头置于所述套管内部的底端，所述光纤伸入所述套管内部，且所述光纤的端部与所述光纤传感器一端连接，所述传感器端头的另一端内部的底面上安装反射镜，所述传感器端头四周侧壁上均匀分布四个开口，在所述套管的端头的与四个开口对应位置的侧壁上分布套管开口，所述套管开口端与所述光纤利用密封胶条进行固定及密封。
进一步，所述套管为不锈钢毛细管。
进一步，所述树脂流动前锋检测装置为一个或多个。
本发明的另一目的是提供使用上述自动化注射系统的工艺，该工艺具体包括以下步骤：
（a）树脂流动前锋检测装置的安装
传感器端头与光纤封装为一体后，将传感器端头套入套管，通过旋转套管及调整光纤套入的长度，保证套管开口与传感器端头开口位置对应，套管开口端与光纤利用密封胶条进行固定及密封。纤维预成型体准备过程中，将树脂流动前锋检测装置放置于纤维预成型体厚度方向中心附近位置，传感器端头放置于预定位置，套管的放置方向与其接触的纤维层0°方向一致，这样可以减小套管引入对纤维预成型体内部状态的影响。同时，尽量使套管的放置方向与预测的树脂流动前锋平齐，避免由于套管放置方向与预测的树脂流动前锋垂直，而使树脂沿套管与纤维层的间隙快速流动，从而改变树脂流动状态。在保证传感器端头能套入套管的前提下，优选直径较小的套管，减少尺寸效应对纤维预成型体内部状态及树脂流动状态的影响。套管长度超出纤维预成型体边界，并确保在封装边界或模具边界以外。在纤维预成型体注胶口附近铺贴导流层。
（b）注胶
纤维预成型体封装完毕后， PC启动通过控制器控制通过控制器控制第一注胶口控制阀门、第一溢胶口控制阀门及第二溢胶口控制阀门开启，控制第二注胶口控制阀门关闭。此时，储液罐内树脂通过开启的第一注胶口控制阀门经导胶管流动到导流层，由于导流层采用高渗透性材质，其渗透率远远大于纤维预成型体渗透率，树脂在导流层内快速浸润分散，以线形注胶口方式对纤维预成型体进行注胶。树脂流动前锋未接触第一个树脂流动前锋检测装置位置之前，传感器端头内无树脂，其反射光强度最大且保持不变，第一个树脂流动前锋检测装置检测的光强信号不变，通过光纤将光强信号传递给转换器，转换器将光强信号转化为控制器可识别的电流信号，电流信号通过信号线传递到控制器。控制器根据不变的电流信号判断树脂流动前锋未到达第一个树脂流动前锋检测装置位置，因此控制所有注胶口控制阀门及溢胶口控制阀门保持初始状态。当树脂流动前锋到达第一个树脂流动前锋检测装置位置后，树脂迅速经套管开口及端头开口进入传感器端头，填充光纤端部与反射镜之间的间隙，树脂的引入将导致反射光强度变弱，第一个树脂流动前锋检测装置通过光纤将变弱的光强信号传递给转换器，转换器向控制器输入的电流信号发生变化，控制器通过检测到电流信号的突变判断树脂流动前锋到达第一个树脂流动前锋检测装置位置，判断出树脂已经完全浸润并填充相应预成型体区域，PC随即通过控制器控制与第一个树脂流动前锋检测装置关联的第一注胶口控制阀门及第一溢胶口控制阀门关闭，同时控制与第二个树脂流动前锋检测装置关联的第二注胶口控制阀门并保持第二溢胶口控制阀门开启，进而继续注胶，直至树脂流动前锋到达第二个树脂流动前锋检测装置位置，树脂浸润并填充整个纤维预成型体，PC随即通过控制器控制所有注胶口控制阀门及溢胶口控制阀门关闭，完成注胶。
如果注胶口、溢胶口、树脂流动前锋检测装置各自数量大于两个，将按上述过程实现有序自动化注射，直至树脂流动前锋到达最后的树脂流动前锋检测装置位置，树脂浸润并填充整个纤维预成型体，PC随即通过控制器控制所有注胶口控制阀门及溢胶口控制阀门关闭，完成注胶。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明通过反射式光强调制型光纤传感器检测复合材料液体成型工艺过程树脂流动前锋，将信号反馈给控制器。控制器根据树脂流动前锋信息控制纤维预成型体不同位置注胶口及溢胶口的开启或关闭，进而实现复合材料液体成型工艺过程树脂的有序自动化注射，特别是针对大型复杂结构复合材料制件，能保证树脂完全浸润纤维预成型体，避免干斑和气泡等缺陷，保证产品质量，同时提高注胶效率，提高生产率。
附图说明
图1为本发明一种液体成型工艺树脂自动化注射系统的结构示意图。
图2为本发明的树脂流动前锋检测装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明内容作进一步详细的说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
如图1-图2所示，本发明一种复合材料液体成型工艺树脂自动化注射系统，该系统包括树脂流动前锋检测装置1、储液罐3、转换器4、控制器5和PC6，
其中，所述树脂流动前锋检测装置1放置于纤维预成型体2厚度方向中心附近位置，所述树脂流动前锋检测装置1通过光纤12与转换器4连接；所述储液罐3通过导胶管35与纤维预成型体2中铺贴的导流层21连接；所述导胶管35上设置有第一注胶口控制阀门31和第二注胶口控制阀门32，所述纤维预成型体2的不同溢胶区域上分别设有第一溢胶口控制阀门33和第二溢胶口控制阀门34，所述控制器5分别与所述第一注胶口控制阀门31、第二注胶口控制阀门32、第一溢胶口控制阀门33和第二溢胶口控制阀门34连接，所述转换器4通过信号线51与所述控制器5连接，所述控制器5所述与所述PC6连接。所述树脂流动前锋检测装置1包括套管11、反射镜13、传感器端头15；其中，所述传感器端头15置于所述套管11内部的底端，所述光纤12伸入所述套管11内部，且所述光纤12的端部与所述光纤传感器15一端连接，所述传感器端头15的另一端内部的底面上安装反射镜13，所述传感器端头15四周侧壁上均匀分布四个开口16，在所述套管11的端头的与四个开口16对应位置的侧壁上分布套管开口14，所述套管11开口端与所述光纤12利用密封胶条17进行固定及密封，所述转换器4将光强信号转化为控制器5可识别的4-20mA电流信号。
本发明一种液体成型工艺树脂自动化注射工艺，具体包括以下步骤：
（a）树脂流动前锋检测装置的安装
传感器端头15与光纤12封装为一体后，将传感器端头15套入套管11，通过旋转套管11及调整光纤12套入的长度，保证毛细管开口14与传感器端头开口16位置对应，套管11开口端与光纤12利用密封胶条17进行固定及密封。纤维预成型体2准备过程中，将树脂流动前锋检测装置1放置于纤维预成型体2厚度方向中心附近位置，传感器端头15放置于预定位置，套管11的放置方向与其接触的纤维层0°方向一致，这样可以减小套管11引入对纤维预成型体内部状态的影响。同时，尽量使套管11的放置方向与预测的树脂流动前锋平齐，避免由于套管11放置方向与预测的树脂流动前锋垂直，而使树脂沿套管11与纤维层的间隙快速流动，从而改变树脂流动状态。在保证传感器端头15能套入套管11的前提下，优选直径较小的套管11，减少尺寸效应对纤维预成型体2内部状态及树脂流动状态的影响。套管11长度超出纤维预成型体2边界，并确保在封装边界或模具边界以外。在纤维预成型体2注胶口附近铺贴导流层21。
（b）注胶
纤维预成型体2封装完毕后， PC6启动，通过控制器5控制第一注胶口控制阀门31、第一溢胶口控制阀门33及第二溢胶口控制阀门34开启，控制第二注胶口控制阀门32关闭。此时，储液罐3内树脂通过开启的第一注胶口控制阀门31经导胶管35流动到导流层21，由于导流层21采用高渗透性材质，其渗透率远远大于纤维预成型体渗透率，树脂在导流层21内快速浸润分散，以线形注胶口方式对纤维预成型体2进行注胶。该制件结构复杂，在拐角区域容易出现树脂流动困难，容易形成干斑和气泡缺陷，如与第一溢胶口控制阀门33连接的拐角区域。为避免出现缺陷，在拐角区域设计溢胶口并安装第一溢胶口控制阀门33，并保持开启，促进树脂在附近区域有效流动并浸润纤维。树脂流动前锋未接触第一个树脂流动前锋检测装置1之前，传感器端头15内无树脂，其反射光强度最大，第一个树脂流动前锋检测装置1通过光纤12将光强信号传递给转换器4，转换器4将光强信号转化为控制器5可识别的4-20mA电流信号，电流信号通过信号线51传递到控制器5，经过PC6处理后，控制器5根据电流信号判断树脂流动前锋未到达第一个树脂流动前锋检测装置1所处位置，PC6通过控制器5并控制第一注胶口控制阀门31、第一溢胶口控制阀门33及第二溢胶口控制阀门34保持开启状态，控制第二注胶口控制阀门32保持关闭状态。
当树脂流动前锋到达第一个树脂流动前锋检测装置1位置后，树脂先后经套管开口14及端头开口16进入传感器端头15，填充光纤12端部与反射镜13之间的间隙。树脂的引入，将导致反射光强度变弱，第一个树脂流动前锋检测装置1通过光纤12将变弱的光强信号传递给转换器4，转换器4向控制器5输入的电流信号发生变化，经过PC6处理后，控制器5判断树脂流动前锋到达第一个树脂流动前锋检测装置1位置。根据第一个树脂流动前锋检测装置1及与第一溢胶口控制阀门33连接的拐角区域的相对位置，判断出树脂已经完全浸润并填充第一个树脂流动前锋检测装置1左侧相应预成型体2区域，PC6随即通过控制器5控制第一注胶口控制阀门31及第一溢胶口控制阀门33关闭，控制第二注胶口控制阀门32开启及保持第二溢胶口控制阀门34开启。
树脂继续向右流动浸润纤维预成型体2，当树脂流动前锋到达第二个树脂流动前锋检测装置1位置后，树脂先后经套管开口14及端头开口16进入传感器端头15，填充光纤12端部与反射镜13之间的间隙，树脂的引入将导致反射光强度变弱，第二个树脂流动前锋检测装置1通过光纤12将变弱的光强信号传递给转换器4，转换器4向控制器5输入的电流信号发生变化，经过PC6处理后，控制器5判断树脂流动前锋到达第二个树脂流动前锋检测装置1位置。根据第二个树脂流动前锋检测装置1的位置，判断出树脂已经完全浸润并填充整个纤维预成型体2。PC6通过控制器5控制第一注胶口控制阀门31及第一溢胶口控制阀门33保持关闭状态，同时控制第二注胶口控制阀门32及第二溢胶口控制阀门34关闭，完成注胶过程。整个过程实现自动化，无需人为操作。
（c）拆除传感器
注胶结束后，为了避免固化后树脂流动前锋检测装置1留在复合材料结构中降低结构性能，需要将树脂流动前锋检测装置1拆除。由于树脂流动前锋检测装置1套入套管11内，套管11的放置方向与其接触的纤维层0°方向一致，并且套管11长度超出纤维预成型体2边界，并确保在封装边界或模具边界以外，方便树脂流动前锋检测装置1拆除。套管11保护光纤12及传感器端头15在拆除过程中不被损坏，并且方便清洗，可确保树脂流动前锋检测装置1反复利用，减少树脂流动前锋检测装置1使用成本。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明系统通过反射式光强调制型光纤传感器检测复合材料液体成型工艺过程树脂流动前锋，将信号反馈给控制器。控制器根据树脂流动前锋信息控制纤维预成型体不同位置注胶口及溢胶口的开启或关闭，进而实现复合材料液体成型工艺过程树脂的有序自动化注射，特别是针对大型复杂结构复合材料制件，保证树脂完全浸润纤维预成型体，避免干斑和气泡等缺陷，保证产品质量，同时提高注胶效率，提高生产率。
1）与传统的树脂注射系统相比，本系统能实时检测液体成型工艺过程关注位置的树脂流动前锋，并根据树脂流动前锋的检测结果实现对不同位置注胶口及溢胶口开启或关闭时间点的自动化准确控制，特别是针对大型复杂结构复合材料制件，保证树脂完全浸润纤维预成型体，避免干斑和气泡等缺陷，保证产品质量。整个注胶过程，无需人为操作，避免人为因素对产品质量及一致性的影响，同时提高注胶效率，提高生产率；
2）采用反射式光强调制型光纤传感器检测树脂流动前锋，仅用于判断光强是否变化，无需定量化测量光强，对于转换器及相关传感器精度要求较低，有效降低成本；
3）采用树脂流动前锋检测装置套入套管，便于树脂流动前锋检测装置安装和拆除，能有效保护树脂流动前锋检测装置，确保反复利用，减少使用成本，另外，固化前拆除树脂流动前锋检测装置，避免复合材料制件结构性能降低。

Claims (6)

1.一种液体成型工艺树脂自动化注射系统，其特征在于，该系统包括树脂流动前锋检测装置（1）、储液罐（3）、转换器（4）、控制器（5）和PC（6）；
所述树脂流动前锋检测装置（1），用于判断树脂流动前锋是否到达该检测装置在纤维预成型体（2）内的放置位置；
所述储液罐（3），用于存储树脂；
所述转换器（4），用于将光信号转换为数字信号；
所述控制器（5），用于控制阀门开启和关闭；
所述PC（6），用于处理信号数据；
所述树脂流动前锋检测装置（1）放置于纤维预成型体（2）厚度方向中心附近位置，所述树脂流动前锋检测装置（1）通过光纤（12）与转换器（4）连接；所述储液罐（3）通过导胶管（35）与纤维预成型体（2）中铺贴的导流层（21）连接；所述导胶管（35）上设置有第一注胶口控制阀门（31）和第二注胶口控制阀门（32），所述纤维预成型体（2）的不同溢胶区域上分别设有第一溢胶口控制阀门（33）和第二溢胶口控制阀门（34），所述控制器（5）分别与所述第一注胶口控制阀门（31）、第二注胶口控制阀门（32）、第一溢胶口控制阀门（33）和第二溢胶口控制阀门（34）连接，所述转换器（4）通过信号线（51）与所述控制器（5）连接，所述控制器（5）与所述PC（6）连接；
所述树脂流动前锋检测装置（1）包括套管（11）、反射镜（13）、传感器端头（15）；其中，所述传感器端头（15）置于所述套管（11）内部的底端，所述光纤（12）伸入所述套管（11）内部，且所述光纤（12）的端部与所述传感器端头（15）一端连接，所述传感器端头（15）的另一端内部的底面上安装反射镜（13），所述传感器端头（15）四周侧壁上均匀分布四个开口（16），在所述套管（11）的端头的与四个开口（16）对应位置的侧壁上分布套管开口（14），所述套管（11）开口端与所述光纤（12）利用密封胶条（17）进行固定及密封。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转换器（4）将光强信号转化为控制器（5）可识别的4-20mA电流信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述套管（11）为不锈钢毛细管。
4.根据权利要求1所述的系统，所述树脂流动前锋检测装置（1）为一个或多个。
5.一种液体成型工艺树脂自动化注射工艺，其特征在于，该工艺具体包括以下步骤：
将树脂流动前锋检测装置（1）放置于纤维预成型体（2）厚度方向中心附近位置，使传感器端头（15）放置于预定位置，套管（11）的放置方向与其接触的纤维层0°方向一致，在纤维预成型体（2）注胶口附近铺贴导流层（21）；
纤维预成型体（2）封装完毕后，启动PC（6），PC（6）通过控制器（5）控制第一注胶口控制阀门（31）、第一溢胶口控制阀门（33）及第二溢胶口控制阀门（34）开启，控制第二注胶口控制阀门（32）关闭；
此时，储液罐（3）内树脂通过开启的第一注胶口控制阀门（31）经导胶管（35）流动到导流层（21），树脂在导流层（21）内快速浸润分散，以线形注胶口方式对纤维预成型体（2）进行注胶，当树脂流动前锋到达第一个树脂流动前锋检测装置（1）位置后，树脂迅速经套管开口（14）及端头开口（16）进入传感器端头（15），填充光纤（12）端部与反射镜（13）之间的间隙，树脂的引入将导致反射光强度变弱，树脂流动前锋检测装置（1）通过光纤（12）将变弱的光强信号传递给转换器（4），转换器（4）向控制器（5）输入的电流信号发生变化，控制器（5）通过检测到电流信号的突变判断树脂流动前锋到达第一个树脂流动前锋检测装置（1）位置，判断出树脂已经完全浸润并填充第一个树脂流动前锋检测装置（1）相应预成型体区域，PC（6）随即通过控制器（5）控制第一注胶口控制阀门（31）及第一溢胶口控制阀门（33）关闭，控制第二注胶口控制阀门（32）开启及保持第二溢胶口控制阀门（34）开启；
树脂通过第一个树脂流动前锋检测装置（1）继续流动浸润纤维预成型体（2），当树脂流动前锋到达第二个树脂流动前锋检测装置（1）位置后，树脂迅速经套管开口（14）及端头开口（16）进入传感器端头（15），填充光纤（12）端部与反射镜（13）之间的间隙，树脂的引入将导致反射光强度变弱，第二个树脂流动前锋检测装置（1）通过光纤（12）将变弱的光强信号传递给转换器（4），转换器（4）向控制器（5）输入的电流信号发生变化，控制器（5）通过检测到电流信号的突变判断树脂流动前锋到达第二个树脂流动前锋检测装置（1）位置，根据第二个树脂流动前锋检测装置（1）的位置，判断出树脂已经完全浸润整个纤维预成型体（2），PC（6）通过控制器（5）保持第一注胶口控制阀门（31）、第一溢胶口控制阀门（33）关闭，同时控制第二注胶口控制阀门（32）及第二溢胶口控制阀门（34）关闭，完成注胶过程。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：
注胶结束后，为了避免树脂流动前锋检测装置（1）留在复合材料结构中降低结构性能，需要将树脂流动前锋检测装置（1）拆除，由于传感器端头（15）套入套管（11）内，套管（11）的放置方向与其接触的纤维层0°方向一致，并且套管（11）长度超出纤维预成型体（2）边界，并确保在封装边界或模具边界以外，方便树脂流动前锋检测装置（1）拆除，套管（11）保护光纤（12）及传感器端头（15）在拆除过程中不被损坏，并且方便清洗，可确保树脂流动前锋检测装置（1）反复利用，减少树脂流动前锋检测装置（1）使用成本。
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