復合材料生產的質量保證

　　復合材料具有優異的機械特性和重量輕等特點，這就是為什么這種材料越來越重要。以前，纖維增強塑料（FRP）主要應用在航空航天領域，但是為了適應提高效率和優化資源的趨勢，其在汽車工業中的應用日益增長。
　　使用輕型結構材料以達到法規所規定的效率水平，減少二氧化碳排放量是非常重要的。原因很明了：更輕的汽車消耗更少的能源——這意味著更少的燃料。為了在2030年實現整體目標，汽車制造商不得不提高車輛中輕型材料的用量，從30%提高到70%以補償由于電動動力系統和電池增加的車身重量。咨詢顧問麥肯錫公司的一項研究預測表明，輕型結構材料制成的高強度鋼、鋁和碳纖維強塑料（CFRP）的年銷售額將大幅增加。根據原料價格的趨勢，到2030年該收益很可能從700億歐元增長到3000億歐元以上。纖維復合材料的增長預計將超過5%。
　　纖維復合材料因其強度大、模量高、密度低等特點使其成為汽車工業輕量化材料的佳選擇。采用碳纖維復合材料代替鋼材，每個部件的重量可以減少30%。由于這些材料在汽車領域的應用越來越多，產量在不斷增加，因此目前迫切的需求是提高制造過程的自動化，如RTM或濕成型模塑。模腔壓力傳感器被越來越多地用于監測保證制品過程的可重復性和質量。這些使用傳感器輔助生產的制造商，在碳纖維復合材料的制造過程中提前做到優化工藝，并在早期檢測出次品（甚至完全避免）。
　　汽車工業領域的質量保證
　　使用HP-RTM（高壓樹脂傳遞模塑）的引擎蓋的生產過程直接說明了質量監控的重要性。為了盡可能地縮短周期，這個過程采用了快速固化樹脂。這意味著注塑速度更快，所以這個過程通常是在高壓下完成的。模具的內壓力可高達150bar。
      
　　圖1. ComoNeo: 以提升注塑成型過程生產效率為目的的過程監測系統
　　引擎蓋在車輛上是相對較大和較重的部件，因此在使用輕型結構方式來減輕重量有較大的潛力。引擎蓋要求很高，其表面質量需要達到A級，因此表面結構必須完美——不允許劃痕或凹陷，此外還需要保證其機械特性。模腔壓力傳感器的過程監控使其能夠很好地監控生產過程中的誤差，從而不會在有瑕疵的零件上進行下一步工藝。引擎蓋的高成本生產過程和材料使早期識別誤差成為關鍵。這個目標可以通過過程監控系統實現。為此，奇石樂模腔壓力監控系統（ComoNeo）提供從傳感器與連接技術到監控系統的完整測量鏈。
　　模腔壓力測量保證HP-RTM 過程的質量控制
　　壓力曲線可通過ComoNeo過程監控系統進行可視化和評估，是工藝優化和生產監控的關鍵要素。抽真空、注膠和固化等特性過程階段都可以體現在壓力曲線上（見圖1）。壓力曲線中的異常說明引擎蓋生產中出現的錯誤（圖2）。壓力信號的捕捉和記錄可確保制造組件的可跟蹤性。因此，壓力曲線是優化生產和保證質量的必需工具。
　　模具抽真空是該過程的階段。真空度和一致性是確保引擎蓋沒有氣泡的關鍵因素。真空度太弱或不一致表明模具的密封性出現問題，這將導致模具中的空氣比例升高，可能導致成品蓋中夾雜空氣。沒有完全抽空的模具可從壓力曲線體現出來。通過壓力曲線上的監測窗口可自動監測出該現象，這樣在注塑開始之前就可以停止生產過程——確保次品不會被生產出來。這樣做得到的好處是：有效防止了次品的高材料成本浪費（見圖2，曲線1）。
      
　　曲線1
　　第二階段包括注入樹脂和固化劑混合物并對預成型件進行浸漬。當樹脂到達傳感器的位置時，模腔壓力開始不斷升高。這表明了在預成型件浸漬過程中樹脂必須克服的流動阻力的持續增加。在注塑階段壓力信號的上升取決于預制件的滲透率。偏離正常的壓力梯度說明，在預成型件的結構中或單獨層的纖維鋪設方向上存在差異，或在模具中存在異物等問題。在這方面，特別監測窗口可以確保壓力上升符合參考值（見圖2，曲線2和3）。如果評估結果追溯到是混合物的問題，而且與壓力上升參考值相比偏差很小可以排除是預制件問題的話，則可重新設定注塑壓力。
      
　　曲線2
　　在第三階段開始的時候，壓力在注塑完成后急劇增加。壓力過大可能會導致模具打開，因為大多數的組件都很大且樹脂不可壓縮。造成的結果可能是注塑件壁厚不均勻，或壞的情況是，樹脂可能會從型腔中流出。給模腔壓力信號設定一個壓力閾值可以快速探測到壓力的上升，并向混合泵發送信號，將注塑壓力從高壓調低到保持壓力水平（見圖1）。
　　HP-RTM過程的第四階段和后的階段主要包括樹脂和固化劑系統的固化。在這一點上，模腔壓力曲線主要受周期性波動影響，這種波動有時候非常大。造成波動的原因主要來自于樹脂本身以及其固化的特性。不過，總的來說，模具壓力的急劇甚至驟然下降一般都表明樹脂的體積開始收縮。這種現象出現的時機很大程度上取決于所用的樹脂，可以基于此推斷出樹脂系統的正確混合比例。因此它是組件可重復性和質量的一個關鍵因素。這種現象也可以同過監測窗口跟蹤（見圖2，曲線4）。
      
　　圖2. 6161AA 型模腔壓力傳感器可幫助 檢測RTM 過程的注塑誤差
　　總結
　　基于模腔壓力測量及工藝過程監測系統的生產監測可在生產的早階段檢測出次品，為精益生產和生產自動化鋪平了道路。這種類型的監測也有助于早期的生產優化。比如說，可以采用這種方式對仿真結果進行驗證，進行模具設計，還可以確定優的流程設置參數。此外，質量檢測是針對每個零件進行的，質量數據可自動記錄?？傊?，流程集成式監測的優勢在于提高成本效率和生產質量，為汽車行業提供輕量化部件的制造商可以從中受益。
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