复合材料液体成型(LCM)工艺在线监测系统研究 - 文章

复合材料液体成型(LCM)工艺在线监测系统研究

作者：北京航空航天大学庄雷

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摘要：在复合材料液体成型(LCM)工艺中，了解其流动前锋和固化进程对于产品的质量和可靠性是至关重要的。本文提出了一种新型的监测方法，在此基础上开发了一套LCM 工艺在线监测系统，实现了流动前锋和固化过程的实时监测，并在监测实验中表现出了很好的效果。
关键词：LCM 在线监测复合材料流动前锋固化

复合材料液体成型(Liquid Composites Molding，LCM)工艺因其操作灵活、可设计性强且成本低等优点，在航空工业、汽车工业和一些非传统的复合材料工业中的应用日趋广泛。LCM 工艺构件的质量和性能很大程度上依赖于树脂的流动充模过程及其化学固化反应[1]。为了减少充模不完全或干斑等缺陷，降低废品率提高产品质量；解决树脂基复合材料生产中存在的产品质量不稳定问题，对LCM 工艺过程进行实时监测将对获取高质量的复合材料制品具有重要意义。

近十年来，开发出了不少用于LCM 工艺的监测元件[2,3]和技术[4,5]，现有的监测技术可分为非嵌入式和嵌入式两种。非嵌入式的监测方法如超声监测、热谱和摄像等，需要相当昂贵的监测设备；嵌入式监测技术如：以热电偶为监测元件的热监控、以压力传感器为介质的压力监测、光纤监测技术、直流电监测以及介电监测技术等。国内在LCM 工艺监测方面起步较晚，很多科研工作者在光纤固化监测领域做了大量研究[6,7]，但在树脂流动过程监测技术方面的进展甚微。为此，本文自主开发了基于电阻监测原理的LCM 工艺在线监测系统，同时监测树脂的流动过程及固化过程。

1 LCM 工艺在线监测系统原理

为了考察整个构件在工艺过程中的状态，需要按照图1所示的方式在预成型体上下表面交叉排放激发导线和感应导线确定多个监测点的分布，所有的导线在交叉点附近裸露，其他位置绝缘。

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图1 模具内的监测布线图

该监测系统实际上是利用了树脂微弱的导电性。树脂在压力梯度的驱动下浸润监测点附近的纤维预成型体的时候，监测点两端的导线由不导电突变为导电，可以看作电阻突变；固化过程中监测点附近树脂的导电性会不断减小，电阻不断增大，通过实时扫描电阻的变化达到监测固化过程的目的。监测电阻变化的原理如图2 所示。

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图 2 信号转换原理图

其中Rx 为预成型体监测点处电阻，Rc 是参比电阻，在Rc 和Rx 两个串联电阻两端加直流电压Ud，Uout 是参比电阻所分得的电压，Uin 是经放大电路放大后的电压，AD 表示A/D 转换后的数值。

从图 2 可知，预成型体在监测点处的电阻与参比电阻构成分压电路，根据分压电路基本原理：

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其中n 为放大倍数，256 是本系统采用的A/D 转换芯片的精度，Uref 为A/D 转换基准电压，结合(1)、(2)和(3)式，得到任一时刻监测点处的电阻值：

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由式(4)可知，AD 值与监测点处的电阻Rx 呈反比，只要循环扫描所有监测点的AD 值，就可以监测电阻的变化。树脂充模时，树脂浸润监测点前后，AD 值会发生由小到大的突变，利用一个预先设定的门槛值判断监测点的浸润状态(监测信号小于门槛值监测系统认为树脂未到达监测点，否则做出肯定判断)，从而考察模腔中树脂流动前锋位置。充模结束后随着树脂的不断固化，电阻增大，AD 值减小，通过监测AD 值也能够实时地了解树脂的固化情况。

2 系统硬件设计

该监测系统的硬件组成框图如图 3 所示，其下位单片机部分的设计采用89C52 芯片、ADC0809A/D 转换芯片、8255并行I/O 扩展芯片、RS-232 串口通讯模块、0~12V 驱动电路、16 路独立放大电路、5 个独立式键盘和8 位七段码显示模块。激发导线与感应导线即电压输出线路和电信号输入线路，采用了特制的铜丝，分别支持最多16 路，配合下位机软件即可实现16×16 监测点的信号扫描采集。

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图 3 LCM 在线监测系统硬件组成框图

上位机即普通PC 机(必须带有串口)，通过配套开发的上位机软件，实了实时分析、显示、保存数据和模拟工艺过程的功能。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件

下位机软件使用 C51 语言，程序中最重要的部分是实现数据扫描采集和串口发送。其中数据扫描采集包括输出电压扫描和A/D 转换扫描，其通道各为16 路，因此采用了8255I/O 扩展芯片和两个8 路A/D 转换芯片(ADC0809)，其主要的扫描采集程序如下：

for (i=0;i<16;i++)
{
//根据情况选通两组扩展I/O 中的某一组
if (i<8) {OUT1= 0x0000;OUT2= 0x0200;}
else {OUT1= 0x0200;OUT2= 0x0000;}
//选通某一路I/O，输出高电压，其他的置低
XBYTE[OUT1]=out_en_table[i];
XBYTE[OUT2]=0;
for (j=0;j<16;j++) {
// 设定选通ADC0809 芯片的地址
if (j<8) IN=0x8000;
else IN=0x4000;
XBYTE[IN]=j; //启动选通芯片的A/D 转换
delay(); //延时程序
ad[j]= XBYTE[IN]; //读取AD 值
}
rs232(); //串口发送程序
}
由以上的程序可以看出当某一路激发导线使能(输出电压置高)时，将采集到16 个AD 值存储在数组ad[]中，在下一路激发导线电压置高之前，通过串口发送程序rs232()将保存的数据发送给上位机。为了区别每组数据，需要在发送数组前添加一个字节的标识符。

3.2 上位机软件

上位机软件采用 VB 编程，VB 集成的MSCOMM 控件可以方便的通过串口实现与下位机的数据通讯，同时结合LabWindows6.0 提供的CWGraph3D 绘图控件，也可以很好的实现模具布线状况的三维模拟。

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图 4 上位机软件主界面

4 实验

4.1 材料及装置

传感导线是直径为 0.125mm 的铜丝，将其交叉排布在预成型体的上下表面上如图1 所示。预成型体由厚度为0.2mm 的玻璃纤维方格布铺放而成。树脂体系为不饱和聚酯树脂及其促进剂和固化剂(100/2/2)。模具则采用了北航材料学院自制的RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递模塑)平板模具及专用注射设备。RTM 模具的上模板设有透明观察窗，便于用实际情况验证监测结果。

4.2 在线监测实验

在平板模腔中铺放 26 层方形玻璃纤维布，在纤维布上下表面交叉放置监测铜丝各16 根，即256 个监测点，组装夹紧模具后，在恒定温度下(20℃)使用注射设备将树脂固化体系注入模腔。用工艺实时监测系统监测整个过程并采集数据。提取其中第8 根激发导线与第8 根感应导线交叉处监测点的数据，得到了图5 所示的AD 值-时间曲线。

实际观察树脂流动前锋到达监测点的时间是107s，从图5 的放大图中可以看出监测AD 值正是在107s 左右发生突增的，说明当树脂前锋到达监测点时曲线上相应出现突升，表明监测树脂流动的有效性。同时监测曲线也反应出了树脂固化过程，当AD 值降为零时表明固化结束。

其他监测点的 AD 值-时间曲线与图5 类似，只是不同的监测点其AD 值突变的时间不同。实验证明，在设定好流动监测门槛值的情况下，本系统能够准确判断流动前锋的位置，并且也能直观的监测此后的固化进程。

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图 5 8:8 点监测曲线及其注射阶段放大图

5 结论

基于直流电监测原理，建立了LCM 工艺实时监测系统。通过监测实验验证了该监测系统能够准确地反映出监测点处树脂流动前锋的到达以及之后的固化过程。在实验过程中发现屏蔽外界的信号干扰是很重要的环节，而内部相邻监测点之间的干扰则在所难免，因此在布线的时候一点要考虑相邻铜丝间的距离及铜丝的裸露长度。摸清各种因素对监测信号的影响规律是确定监测门槛值的基础，更是本监测技术的关键。本监测系统实施方便，操作简单，工艺适应性强，具有广阔的应用前景。

参考文献
1 杨春，骆飞，等．用光纤进行树脂基复合材料的成型过程监测．材料工程，1999(7):36
2 梁森，等．自动检测与转换技术．北京：机械工业出版社，2002
3 Xi C，Guohua C，Furong G．Capacitive transducer for in-mold monitoring of injection molding．Polymer Eng Sci，2004，44(8):1571
4 祝颖丹，田正刚，等．LCM 监控技术研究进展．玻璃钢/复合材料，2004(5):26
5 Sylvia R M K，Suresh G A．Sensor placement study for online flow monitoring in liquid composite molding．Polymer Composites，2000，21(3):436
6 李辰砂，粱吉，张博明，等．光纤传感器监测复合材料固化成型过程．清华大学学报(自然科学版)，2002，42(2):161
7 武湛君，张博明，等．基于折射率变化的复合材料固化在线监测研究．复合材料学报，2002，19(6):87(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/9/2011)


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