[发明专利]用于预知复合材料中缺陷的制造控制系统和逻辑

说明书

提出了用于复合材料结构的制造控制系统、用于组装/操作这种系统的方法以及用于预测和改善纤维增强聚合物面板中的空隙状况的传递模制技术。一种用于形成复合材料结构的方法包括接收指示纤维基预制件位于模具腔内的启动信号，以及传送命令信号以将加压树脂注射到模具中以引导模具腔内的树脂流动并且浸渍纤维基预制件。电子控制器从附接至模具的分布式传感器阵列接收指示模具腔的内部表面上的离散位置处的压力和/或温度的信号。控制器确定校准基线值与每个离散位置的压力和/或温度值之间的测量偏差。如果相应测量偏差中的任何一个超过校准阈值，则生成空隙信号以标记所检测空隙状况。

引言

本发明总体涉及复合材料结构的制造。更具体地，本发明的各方面涉及用于预测和中断传递模制纤维增强聚合物复合面板内的缺陷的系统、方法和装置。

复合材料用于制造各种现代产品。例如，许多现有生产的汽车、船只和飞机最初配备有负载承载车身面板、美观装饰面板、支撑框架构件以及由复合材料全部或部分制造的各种其他部件。纤维增强塑料(FRP)是用于批量生产制造应用的复合材料的一个实例，这有利于其高强度重量比、增加的弹性和轻重量性质。FRP通常通过将高拉伸强度纤维材料(例如玻璃、碳、芳族聚酰胺或玄武岩纤维)悬浮在固化聚合物(例如环氧树脂/树脂基质)中而形成。

用于制造纤维增强塑料复合结构的现有技术是树脂传递模制(RTM)。许多RTM工艺使用静液压注射系统将高压低粘度树脂引入封闭模具中。在引入树脂之前，将可以是预制纤维垫(或“预制件”)形式的干纤维放置在模具内部。注射足够的树脂以填充模具内部并且浸渍纤维预制件。可以将模具加热并且在真空中放置，如在真空辅助树脂传递模制(VARTM)中，以帮助树脂流动。然后升高模具的温度以固化树脂，然后从RTM设备中移除零件。RTM工艺可以提供复合零件的经济化的生产，该复合零件具有高强度特性、严格的尺寸公差、复杂的几何形状和一致的零件质量。

发明内容

本文公开了用于预知复合材料结构中的缺陷的制造控制系统、制作方法和使用这种制造控制系统的方法以及在模具的内表面上使用传感器读取特征数据来预测和改善纤维增强聚合物面板中的空隙状况的树脂传递模制技术。作为实例，提出了用于在RTM工艺期间推断FRP面板内的空隙状况和空气滞留的算法，包括用于中断和改善这种空隙状况的特征。制造工艺控制可以使用闭环传感器反馈来调节安装在模具上的致动器的激活，以减少空隙状况。另外，为了帮助防止可能导致竟流效应(race-tracking)的由于局部渗透率的改变导致的空气截留，机电通风口战略性地位于流动前沿的校准位置并且基于算法的实时反馈进行控制。

根据所公开概念的各方面，可以通过观察模具内不同传感器位置处的压力测量和温度测量，并将这些传感器测量与校准的压力和温度基线进行比较来识别树脂注入行为的变化。超出指定阈值范围的压力和温度传感器读数的偏差提供了可能的空隙形成的证据(例如，实验和数值地验证的)。在指定的传感器位置对压力和温度进行在线实时监测并且将传感器测量与预先计算的数据库进行对比使得能够实现空隙形成的预测。预见到空隙可能伴随有识别空隙的预期位置并且自动打开预期位置附近的通风口的算法，以补救空隙形成。

至少一些所公开概念的附带益处包括在复合材料结构的制造阶段早期地识别缺陷，同时伴随有加快的校正措施的实施。所公开的制造控制系统有助于以更大的保证识别缺陷，并且因此最小化或以其他方式消除有缺陷面板的释放。除了识别缺陷之外，所公开的技术还有助于中断缺陷(空隙形成)的发生，并且因此减少有缺陷零件的总数。附加的益处可能包括减少废料，同时伴随着材料成本的减少。所公开的技术有助于减轻复合材料结构的制造中的任何地域性不确定性，这通常由原材料的变化、不可避免的竟流效应(例如，由预制件误放或树脂粘度的差异引起)和工艺状况中的不一致导致。