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在追求可持續(xù)性的過程中，傳感器正在減少周期時間、能源使用和浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過程控制的自動化，并增加知識，為智能制造和結(jié)構(gòu)開辟新的可能性。
流程可見性
左側(cè)傳感器（從上到下）：熱通量（TFX）、模內(nèi)電介質(zhì)（Lambient）、超聲波（奧格斯堡大學(xué)）、一次性電介質(zhì)（Synthesites）以及位于penny和熱電偶之間的微絲（AvPro）。圖表（頂部，順時針）：使用電磁傳感器的膠體滲透性（CP）與膠體離子粘度（CIV）的關(guān)系、樹脂電阻與時間的關(guān)系（Synthesites）以及己內(nèi)酰胺注入預(yù)成型體的數(shù)字模型（CosiMo項(xiàng)目，DLR ZLP，奧格斯堡大學(xué)）。
隨著全球工業(yè)繼續(xù)從新冠肺炎疫情中復(fù)蘇，它已轉(zhuǎn)向優(yōu)先考慮可持續(xù)性，這要求減少廢物和資源消耗（如能源、水和材料）。因此，制造業(yè)必須變得更加高效和智能化。但這需要信息。對于復(fù)合材料而言，這些數(shù)據(jù)從何而來？
正如CW 2020年關(guān)于“復(fù)合材料4.0”系列文章所述，確定提高部件質(zhì)量和生產(chǎn)所需的測量方法，以及實(shí)現(xiàn)這些測量所需的傳感器，是邁向智能制造的第一步。在2020年和2021年期間，CW報道了傳感器——介電傳感器、熱通量傳感器、光纖傳感器以及使用超聲波和電磁波的非接觸式傳感器—以及展示其能力的項(xiàng)目。本文基于這些報道，討論了復(fù)合材料中使用的傳感器、其預(yù)期的益處和挑戰(zhàn)，以及正在開發(fā)的技術(shù)領(lǐng)域。值得注意的是，正在成為復(fù)合材料行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的公司已經(jīng)開始探索和駕馭這一領(lǐng)域。
為什么要使用傳感器？
CosiMo中的傳感器網(wǎng)絡(luò)
CosiMo項(xiàng)目的熱塑性復(fù)合材料電池箱蓋演示器的T-RTM成型中使用了74個傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，其中57個是奧格斯堡大學(xué)開發(fā)的超聲波傳感器（如右圖所示，上半模和下半模中的淡藍(lán)色點(diǎn)）。
目標(biāo)1. 省錢。CW 2021年12月的博客“為復(fù)合材料工藝優(yōu)化和控制定制超聲波傳感器”描述了奧格斯堡大學(xué)（德國奧格斯堡聯(lián)合國大學(xué)）開發(fā)74個傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作，該網(wǎng)絡(luò)用于為CosiMo（智能移動復(fù)合材料）項(xiàng)目制造電動汽車電池箱蓋演示器。該零件是使用熱塑性樹脂傳遞模塑（T-RTM）制成的，該模塑將己內(nèi)酰胺單體原位聚合成聚酰胺6（PA6）復(fù)合材料。聯(lián)合國大學(xué)教授、聯(lián)合國大學(xué)奧格斯堡人工智能(AI)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)主任馬庫斯·紹斯(Markus Sause)解釋了為什么傳感器很重要：“我們提供的最大優(yōu)勢是在加工過程中可視化黑匣子內(nèi)發(fā)生的事情。目前，大多數(shù)制造商只有有限的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，他們在使用樹脂注入制造大型航空航天零件時使用非常簡單或特定的傳感器。如果注入過程出錯，你基本上會有一大塊廢料。但是如果你有一個解決方案來了解生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題及其原因，你就可以解決并糾正它，從而節(jié)省大量資金。”
熱電偶是“簡單或特定傳感器”的一個例子，幾十年來一直用于在熱壓罐或烤箱固化過程中監(jiān)測復(fù)合材料層壓板的溫度。它們甚至被用來控制烤箱或加熱毯中的溫度，以使用熱粘合劑固化復(fù)合材料修復(fù)貼片。樹脂制造商在實(shí)驗(yàn)室中使用了各種傳感器來監(jiān)測樹脂粘度隨時間和溫度的變化，以開發(fā)固化配方。然而，正在出現(xiàn)的是一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，它可以根據(jù)多個參數(shù)（如溫度和壓力）和材料的狀態(tài)（如粘度、聚合、結(jié)晶）在現(xiàn)場可視化和控制制造過程。
例如，為CosiMo項(xiàng)目開發(fā)的超聲波傳感器使用與超聲波檢測相同的原理，超聲波檢測已成為成品復(fù)合材料零件無損檢測（NDI）的支柱。美捷特（英國拉夫堡）首席工程師佩特羅斯·卡拉帕帕斯表示：“隨著我們走向數(shù)字化制造，我們的目標(biāo)是最大限度地減少未來零部件生產(chǎn)后檢查所需的時間和勞動力。”。他與國家復(fù)合材料中心（NCC，Bristol，英國）合作，演示了由Cranfield大學(xué)（Cranfield，英國）開發(fā)的線性介電傳感器的使用，以監(jiān)測Solvay（索爾維）的EP 2400環(huán)氧樹脂基材在商業(yè)航空發(fā)動機(jī)換熱器的1.3米長、0.8米寬和0.4米深的復(fù)合材料外殼RTM過程中的流動和固化。卡拉帕帕斯說：“當(dāng)我們研究如何制造更大的組件和更高的生產(chǎn)率時，我們無法承受對每個零件進(jìn)行所有傳統(tǒng)的后處理檢查和測試。”。“現(xiàn)在，我們在RTM零件旁邊制作測試面板，然后進(jìn)行機(jī)械測試以驗(yàn)證固化周期。但有了這個傳感器，就不需要了。”
Collo Probe浸沒在涂料混合容器中（頂部綠色圓圈），可檢測混合何時完成，從而節(jié)省時間和能源
Colloid Tek Oy（芬蘭坦佩雷科洛）首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人馬蒂·拉爾韋萊表示：“我們的目標(biāo)不是成為另一種實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，而是專注于生產(chǎn)系統(tǒng)。”。CW 2022年1月的博客“復(fù)合材料的指紋液體”探討了Collo將電磁場傳感器、信號處理和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，以測量任何液體的“指紋”，如單體、樹脂或粘合劑。拉爾韋萊說：“我們提供的是一種實(shí)時提供直接反饋的新技術(shù)，這樣你就可以更好地了解這個過程的實(shí)際工作原理，并在出現(xiàn)問題時做出反應(yīng)。”。“我們的傳感器將實(shí)時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可理解和可操作的物理量，如流變粘度，從而優(yōu)化工藝。例如，您可以縮短混合時間，因?yàn)槟梢郧宄乜吹交旌虾螘r完成。因此，與優(yōu)化程度較低的加工相比，您可以提高生產(chǎn)率，節(jié)約能源，減少廢品。”
目標(biāo)2. 增加流程知識和可視化。拉爾韋萊說，就聚合等過程而言，“你不能只從快照中看到太多。你只是取了一個樣本，走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，看看幾分鐘或幾小時前的狀態(tài)。這就像在高速公路上開車，每小時睜開眼睛一分鐘，試圖預(yù)測道路從哪里開始。” 索斯(Sause)表示贊同，并指出CosiMo開發(fā)的傳感器網(wǎng)絡(luò)“幫助我們?nèi)媪私膺^程和材料行為。我們可以看到過程中局部效應(yīng)對零件厚度或集成材料（如泡沫芯）變化的反應(yīng)。我們試圖做的是提供有關(guān)實(shí)際發(fā)生的信息。這使我們能夠確定各種因素，如流動前沿的形狀、到達(dá)預(yù)成型件每個部分的時間以及每個傳感器位置的聚合度。”
Collo與環(huán)氧樹脂粘合劑、油漆甚至啤酒的制造商合作，為每批生產(chǎn)的產(chǎn)品創(chuàng)建了工藝配置文件。每個制造商現(xiàn)在都可以看到其工藝的動態(tài)，并設(shè)置更優(yōu)的參數(shù)，當(dāng)批次不符合規(guī)格時，可以發(fā)出警報進(jìn)行干預(yù)。這有助于穩(wěn)定和提高質(zhì)量。
Meggitt的卡拉帕帕斯說：“我想知道零件制造過程中發(fā)生了什么，而不是打開盒子看看之后發(fā)生了什么。”。“我們使用克蘭菲爾德的介電傳感器開發(fā)的東西讓我們看到了現(xiàn)場的過程，我們也能夠驗(yàn)證樹脂的固化。”使用下面描述的所有六種傳感器（不是詳盡的列表，但只是一小部分選擇，供應(yīng)商也是如此）可以監(jiān)測固化/聚合和樹脂流動。一些傳感器具有額外的功能，結(jié)合傳感器類型可以擴(kuò)展在復(fù)合材料成型過程中跟蹤和可視化的可能性。CosiMo使用Kistler（瑞士溫特圖爾）提供的超聲波、電介質(zhì)和壓阻式模內(nèi)傳感進(jìn)行溫度和壓力測量，證明了這一點(diǎn)。
基于模內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量數(shù)據(jù)，CosiMo零件（注射入口中心為白點(diǎn)）的流動前沿隨時間變化的視頻。
目標(biāo)3：縮短循環(huán)時間。Collo傳感器可以測量由兩部分組成的快固化環(huán)氧樹脂的均勻性，因?yàn)樵?span style="margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; color: rgb(55, 106, 204); --tt-darkmode-color: #376ACC;">RTM過程中以及放置此類傳感器的模具中的每個位置，零件A和B被混合和注射。這可能有助于使更快的固化樹脂適用于城市空中交通等應(yīng)用，與目前的單組分環(huán)氧樹脂如RTM6相比，UAM將提供更快的固化周期。
Collo傳感器還可以監(jiān)測和可視化正在脫氣、注入和固化的環(huán)氧樹脂，以及每個過程何時完成。根據(jù)被加工材料的實(shí)際狀態(tài)（與傳統(tǒng)的時間和溫度配方相比）結(jié)束固化和其他過程稱為材料狀態(tài)管理。幾十年來，像AvPro（美國俄克拉荷馬州諾曼）這樣的公司一直在追求MSM，它跟蹤零件材料和工藝的變化，因?yàn)樗非蟛ＡЩD(zhuǎn)變溫度（Tg）、粘度、聚合和/或結(jié)晶的具體目標(biāo)。例如，CosiMo中的傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字分析用于確定加熱RTM壓機(jī)和模具所需的最短時間，發(fā)現(xiàn)在4.5分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)了96%的最大聚合。
Lambient Technologies(美國馬薩諸塞州劍橋)、Netzsch(德國塞爾布)和Synthesites(比利時Uccle)等介電傳感器供應(yīng)商也展示了縮短循環(huán)時間的能力。Synthesites與復(fù)合材料制造商Hutchinson（法國巴黎）和龐巴迪貝爾法斯特（現(xiàn)為Spirit AeroSystems（愛爾蘭貝爾法斯特）的研發(fā)項(xiàng)目報告稱，基于樹脂電阻和溫度的實(shí)時測量，它能夠?qū)?span style="margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; color: rgb(55, 106, 204); --tt-darkmode-color: #376ACC;">RTM的固化周期縮短30-50%，這些測量值由其Optimold數(shù)據(jù)采集單元和Optiview軟件轉(zhuǎn)換為估計(jì)的粘度和Tg。Synthesites總監(jiān)尼科斯·潘特利解釋說：“制造商可以實(shí)時看到Tg，這樣他們就可以決定何時停止固化周期。”。“他們不必等待完成比必要的傳統(tǒng)周期更長的時間。例如，RTM的傳統(tǒng)周期是在180°C下完全固化2小時。我們已經(jīng)看到，在某些幾何形狀中，這可以縮短到70分鐘。”INNOTOOL 4.0項(xiàng)目也證明了這一（見“使用熱通量傳感器加速RTM”），其中熱通量傳感器用于將RTM固化周期從120分鐘縮短到90分鐘。
目標(biāo)4:自適應(yīng)過程的閉環(huán)控制。對于CosiMo項(xiàng)目，最終的目標(biāo)是在復(fù)合材料零件生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)自動閉環(huán)控制。這也是CW在2020年報告的ZAero和iComposite 4.0項(xiàng)目的目標(biāo)（成本降低30-50%）。請注意，這些涉及不同的工藝—與CosiMo中的高壓T-RTM相比，預(yù)浸料帶的自動放置和用速固化環(huán)氧樹脂(iComposite 4.0)進(jìn)行RTM的纖維噴涂預(yù)成型。所有這些項(xiàng)目都使用帶有數(shù)字模型和算法的傳感器來模擬過程并預(yù)測成品的結(jié)果。
索斯解釋說，過程控制可以設(shè)想為一系列步驟。他說，第一步是將傳感器和工藝設(shè)備集成在一起，“以可視化加工黑匣子內(nèi)發(fā)生的事情以及要使用的參數(shù)。另外幾個步驟，也許是閉環(huán)控制的一半，是能夠按下停止按鈕進(jìn)行干預(yù)、調(diào)整工藝并防止拒收零件。最后一步，你可以開發(fā)數(shù)字孿生，這可以實(shí)現(xiàn)自動化，但也需要投資機(jī)器學(xué)習(xí)方法。”在CosiMo中，這項(xiàng)投資使傳感器能夠?qū)?shù)據(jù)饋送到數(shù)字孿生，然后使用邊緣分析（在工藝線邊緣進(jìn)行的計(jì)算與從中央數(shù)據(jù)存儲庫進(jìn)行的計(jì)算）來預(yù)測流動前沿動態(tài)、每個紡織預(yù)成型件的纖維體積含量和潛在的干燥點(diǎn)。索斯說：“理想情況下，您可以建立設(shè)置，以便在過程中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和調(diào)整。”。“這些將包括注射壓力、模具壓力和溫度等參數(shù)。您還可以使用這些信息來優(yōu)化您的材料。”
在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程中，公司正在使用傳感器來自動化流程。例如,Synthesites正在與客戶合作，將傳感器與設(shè)備集成在一起，以便在注入完成時關(guān)閉樹脂入口，或在達(dá)到目標(biāo)固化時打開加熱壓機(jī)。
選擇和集成傳感器
卡拉帕帕斯指出，為了確定哪種傳感器最適合每種用例，“你需要了解你想要監(jiān)測的材料和工藝的變化，然后你必須有一個分析儀。”分析儀將詢問器或數(shù)據(jù)采集單元收集的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為制造商可用的信息。索斯說：“你實(shí)際上看到許多公司都集成了傳感器，但他們對數(shù)據(jù)什么都不做。”。他解釋說，需要的是“系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，以及數(shù)據(jù)存儲架構(gòu)，以便能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。”
“終端用戶不只是想查看原始數(shù)據(jù)，” 卡拉帕帕斯說。“他們想知道，‘過程優(yōu)化了嗎？’以及‘什么時候可以進(jìn)行下一步？’為此，你需要結(jié)合多個傳感器進(jìn)行分析，然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)來加速過程。”Collo和CosiMo團(tuán)隊(duì)使用的這種邊緣分析和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過粘度圖、樹脂流動前沿的數(shù)字模型以及最終控制過程參數(shù)和機(jī)械的能力來實(shí)現(xiàn)可視化。
Optimold是Synthesites為其介電傳感器開發(fā)的分析儀。Optimold裝置由Synthesites的Optiview軟件控制，使用溫度和樹脂電阻測量值進(jìn)行計(jì)算，并顯示實(shí)時圖表，監(jiān)測樹脂狀態(tài)，包括混合比、化學(xué)老化、粘度、Tg和固化度。它可以與預(yù)浸料和液體成型工藝一起使用。一個單獨(dú)的單元Optiflow用于流量監(jiān)測。
Synthesites還開發(fā)了一個固化模擬器，該模擬器不需要模具或零件中的固化傳感器，而是在該分析儀單元中使用溫度傳感器和樹脂/預(yù)浸料樣品。Synthesites總監(jiān)尼科斯·潘特利表示：“我們正在將這種最新的方法應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片生產(chǎn)的注入和粘合劑固化。”。
Synthesites過程控制系統(tǒng)集成了傳感器、Optiflow和/或Optimold數(shù)據(jù)采集單元以及OptiView和/或在線樹脂狀態(tài)（ORS- online Resin State）軟件。
因此，大多數(shù)傳感器供應(yīng)商都開發(fā)了自己的分析儀，有些使用機(jī)器學(xué)習(xí)，而另一些則沒有。但復(fù)合材料制造商也可以開發(fā)自己的定制系統(tǒng)，或購買現(xiàn)成的儀器并對其進(jìn)行修改以滿足特定需求。然而，分析儀的性能只是需要考慮的一個因素。還有許多其他的。
在選擇使用哪些傳感器時，接觸也是一個重要的考慮因素。傳感器可能需要與材料、詢問器或兩者接觸。例如，熱通量和超聲波傳感器可以插入距離表面1-20毫米的RTM模具中—與模具中的材料接觸對于精確監(jiān)測來說是不必要的。超聲波傳感器還可以根據(jù)使用的頻率在不同深度對零件進(jìn)行詢問。Collo電磁傳感器也可以通過與樹脂接觸的非金屬容器或工具讀取液體或零件的深度（2-10厘米，具體取決于詢問頻率）。
然而，磁性微絲目前是唯一能夠詢問距離復(fù)合材料10厘米以內(nèi)的傳感器。這是因?yàn)樗褂秒姶鸥袘?yīng)來引發(fā)嵌入復(fù)合材料中的傳感器的響應(yīng)。AvPro的ThermoPulse微絲傳感器嵌入粘合劑粘合線中，通過25毫米厚的碳纖維層壓板進(jìn)行詢問，以測量粘合過程中的溫度。由于微絲的毛發(fā)狀直徑為3-70微米，它不會影響復(fù)合材料或粘合線的性能。在100-200微米的稍大直徑下，光纖傳感器也可以嵌入而不會降低結(jié)構(gòu)性能。然而，由于它們使用光進(jìn)行測量，光纖傳感器必須與詢問器有線連接。同樣，由于介電傳感器使用電壓來測量樹脂的特性，因此它們也必須連接到詢問器，并且大多數(shù)傳感器還必須接觸它們正在監(jiān)測的樹脂。
Collo Probe（頂部）傳感器可以浸入液體中，而Collo板（底部）安裝在安全殼/混合容器或工藝管道/進(jìn)料管線的壁中
傳感器的溫度能力是另一個關(guān)鍵考慮因素。例如，大多數(shù)現(xiàn)成的超聲波傳感器通常在高達(dá)150°C的溫度下工作，但CosiMo中的零件需要在200°C以上的溫度下成型。因此，聯(lián)合國協(xié)會不得不設(shè)計(jì)一種具有這種能力的超聲波傳感器。Lambient的一次性介電傳感器可用于高達(dá)350°C的零件表面，其可重復(fù)使用的模內(nèi)傳感器可用于250°C。RVmagnetics（斯洛伐克科希策）開發(fā)了用于復(fù)合材料的微絲傳感器，可承受500°C的固化。卡拉帕帕斯說，盡管Collo傳感器技術(shù)本身沒有理論溫度限制，但Collo Plate的鋼化玻璃屏蔽和Collo Probe的新型聚醚醚酮外殼都在150°C下進(jìn)行連續(xù)使用測試。與此同時，PhotonFirst使用聚酰亞胺涂層為其用于SuCoHS項(xiàng)目的光纖傳感器提供350°C的工作溫度，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)和經(jīng)濟(jì)高效的高溫復(fù)合材料。
另一個需要考慮的因素，特別是安裝時，是傳感器是在單個點(diǎn)進(jìn)行測量，還是具有多個感測點(diǎn)的線性傳感器。例如，Com&Sens（比利時埃克斯）光纖傳感器的長度可達(dá)100米，具有多達(dá)40個光纖布拉格光柵傳感點(diǎn)，最小間距為1厘米。這些傳感器已用于66米長的復(fù)合材料橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，以及在大型橋面板注入過程中監(jiān)測樹脂流動。為這些項(xiàng)目安裝單獨(dú)的點(diǎn)傳感器將需要無數(shù)的傳感器和大量的安裝時間。NCC和克蘭菲爾德大學(xué)聲稱他們的線性介電傳感器也有類似的好處。NCC的技術(shù)拉動項(xiàng)目經(jīng)理杰克·阿爾科克表示，與Lambient、Netzsch和Synthesites提供的單點(diǎn)介電傳感器相比，“對于我們的線性傳感器，我們可以沿長度連續(xù)監(jiān)測樹脂流量，這大大減少了您在零件或工具中所需的傳感器數(shù)量。”
NLR將一個特殊單元集成到科里奧利AFP頭的第八通道中，將四個光纖傳感器陣列放置在高溫碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料測試面板中。
線性傳感器也有助于自動化安裝。在SuCoHS項(xiàng)目中，皇家NLR開發(fā)了一種特殊裝置，該裝置集成在科里奧利復(fù)合材料自動鋪絲機(jī)(AFP)頭的第八通道中，在碳纖維測試面板中嵌入四個陣列(單獨(dú)的光纖線路)，每個陣列有五到六個FBG傳感器（PhotonFirst共提供23個傳感器）。RVmagnetics已將其微絲傳感器放入拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料的纖維中。RVmagnetics聯(lián)合創(chuàng)始人拉蒂斯拉夫·瓦爾加說：“這些線是不連續(xù)的（復(fù)合材料的大多數(shù)微絲長1-4厘米），但在生產(chǎn)增強(qiáng)件時會自動連續(xù)放置。你有一個1公里長的微絲線圈，并將其送入增強(qiáng)件生產(chǎn)設(shè)備，而不改變增強(qiáng)件的制造方式。”與此同時，Com&Sens正在研究在壓力容器的纖維纏繞過程中嵌入光纖傳感器的自動化技術(shù)。
碳纖維由于其導(dǎo)電能力，可能會導(dǎo)致介電傳感器出現(xiàn)問題。電介質(zhì)傳感器使用彼此靠近放置的兩個電極。“如果纖維橋接電極，它們將使傳感器短路，”Lambient創(chuàng)始人李歡解釋道。在這種情況下，使用過濾器。“過濾器讓樹脂通過傳感器，但將其與碳纖維絕緣。”克蘭菲爾德大學(xué)和NCC開發(fā)的線性介電傳感器使用了一種不同的方法，包括兩根絞合銅線。當(dāng)施加電壓時，電線之間會產(chǎn)生電磁場，用于測量樹脂阻抗。電線涂有絕緣聚合物，不會影響電場的產(chǎn)生，但可以防止碳纖維短路。
當(dāng)然，成本也是一個問題。Com&Sens引用了每個光纖光柵傳感點(diǎn)的平均成本為50-125歐元，如果按體積應(yīng)用，成本可能會降至約25-35歐元，例如10萬個壓力容器。麥科特的卡拉帕帕表示，他收到的帶有FBG傳感器的光纖線路的報價平均為250英鎊/傳感器（≈300歐元/傳感器），詢問器的報價約為10000英鎊（12000歐元）。他補(bǔ)充道：“我們測試的線性介電傳感器更像是一種現(xiàn)成的涂層線。”。“我們使用的詢問器，”Cranfield大學(xué)復(fù)合材料工藝科學(xué)的讀者（高級研究員）亞歷克斯·斯科多斯補(bǔ)充道，“是一種阻抗分析儀，非常準(zhǔn)確，成本至少為30000英鎊（約36000歐元），但NCC使用的詢問機(jī)要簡單得多，基本上包括來自商業(yè)公司Advise Deta（英國貝德福德）的現(xiàn)成模塊。”Synthesites對模內(nèi)傳感器報價1190歐元，一次性/零件式傳感器報價20歐元，Optiflow報價3900歐元，Optimold報價7200歐元，多個分析儀單元的折扣不斷增加。Pantelelis說，這些價格包括Optiview軟件和任何必要的支持，并補(bǔ)充說，風(fēng)力葉片制造商每個周期節(jié)省了1.5小時，每條生產(chǎn)線每月可以額外增加一個葉片，能耗降低20%，投資回報率僅為四個月。
新的可能性，前進(jìn)的道路
隨著復(fù)合材料4.0數(shù)字化制造的推進(jìn)，使用傳感器的公司將獲得優(yōu)勢。例如，Com&Sens業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)格雷瓜爾·博杜安表示：“隨著壓力容器制造商試圖減輕重量、減少材料使用和降低成本，他們可以使用我們的傳感器來證明他們的設(shè)計(jì)，并在2030年達(dá)到所需產(chǎn)量時監(jiān)控生產(chǎn)。在纖維纏繞和固化過程中用于評估層內(nèi)應(yīng)變水平的傳感器也可以在數(shù)千次加油循環(huán)中監(jiān)測油箱的完整性，預(yù)測所需的維護(hù)，并在設(shè)計(jì)壽命結(jié)束時進(jìn)行重新認(rèn)證。我們可以為生產(chǎn)的每個復(fù)合壓力容器提供一個數(shù)字孿生數(shù)據(jù)池，這個解決方案也在為衛(wèi)星開發(fā)。”
啟用數(shù)字孿生和線程
Com&Sens正在與復(fù)合材料制造商合作，使用其光纖傳感器通過設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和服務(wù)（右）實(shí)現(xiàn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，以支持?jǐn)?shù)字身份證（左），該身份證支持每個制造零件的數(shù)字孿生。
因此，傳感器數(shù)據(jù)不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字線程跨越設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、在役操作和壽命終止。當(dāng)使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行分析時，這些數(shù)據(jù)會反饋到設(shè)計(jì)和處理中，從而提高性能和可持續(xù)性。這也改變了供應(yīng)鏈的合作方式。例如，粘合劑生產(chǎn)商Kiilto（芬蘭坦佩雷）使用Collo傳感器幫助客戶控制其多組分粘合劑混合設(shè)備中組分A、B等的比例。“Kiilto現(xiàn)在可以為個人客戶調(diào)整粘合劑的成分，” 卡拉帕帕斯說，“但它也讓Kiilto看到樹脂在客戶的過程中是如何相互作用的，以及客戶是如何與產(chǎn)品相互作用的。這正在改變供應(yīng)鏈的協(xié)同工作方式。”
OPTO Light使用Kistler、Netzsch和Synthesites傳感器，監(jiān)測固化情況，實(shí)現(xiàn)熱塑性包覆成型環(huán)氧碳纖維增強(qiáng)塑料零件。
傳感器也使創(chuàng)新的新材料和工藝組合成為可能。在CW 2019年關(guān)于OPTO Light項(xiàng)目的文章中，AZL Aachen（德國亞琛）使用兩步法水平壓縮成型單向(UD)碳纖維/環(huán)氧預(yù)浸料，然后用30%的短玻璃纖維增強(qiáng)PA6包覆成型。關(guān)鍵是只部分固化預(yù)浸料，這樣環(huán)氧樹脂中的剩余反應(yīng)性就可以與熱塑性塑料結(jié)合。AZL使用Optimold和Netzsch DEA288 Epsilon分析儀、Synthesites和Netzsh介電傳感器以及Kistler模內(nèi)傳感器和DataFlow軟件來優(yōu)化注塑成型。AZL研究工程師理查德·沙雷斯解釋說：“你必須深入了解預(yù)浸料壓縮成型過程，因?yàn)楸仨毚_保了解固化狀態(tài)，才能與熱塑性塑料包覆成型良好結(jié)合。”。“未來，該過程可能是自適應(yīng)和智能的，由傳感器信號觸發(fā)過程旋轉(zhuǎn)。”
然而，卡拉帕帕斯表示，存在一個根本問題，“即客戶缺乏如何將這些不同傳感器集成到其流程中的知識。大多數(shù)公司都沒有傳感器專家。”目前，前進(jìn)的道路需要傳感器制造商和客戶之間來回交換信息。還有像AZL、DLR（德國奧格斯堡）和NCC這樣的組織正在開發(fā)多傳感器專業(yè)知識。Sause說，聯(lián)合國協(xié)會內(nèi)部有一些團(tuán)體，也有一些衍生公司可以提供傳感器集成和數(shù)字孿生服務(wù)。他補(bǔ)充道，奧格斯堡人工智能生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)為此租用了一個7000平方米的設(shè)施，“將CosiMo的開發(fā)藍(lán)圖擴(kuò)展到非常廣泛的規(guī)模，包括連接在一起的自動化單元，行業(yè)合作伙伴可以在其中放置機(jī)器、運(yùn)行項(xiàng)目并了解如何整合新的人工智能解決方案。”
卡拉帕帕斯說，美捷特和NCC的介電傳感器演示只是第一步。“最終，我想監(jiān)控我的流程和工作流程，并將其輸入我們的ERP系統(tǒng)，這樣我就可以提前知道要制造什么組件、需要什么人以及訂購什么材料。我們現(xiàn)在已經(jīng)開始向數(shù)字化自動化發(fā)展。”
原文，《Sensors: Data for next-gen composites manufacturing》2022.3.1
楊超凡 2025.7.18