在追求可持續性的過程中，傳感器正在減少周期時間、能源使用和浪費，實現閉環過程控制的自動化，并增加知識，為智能制造和結構開辟新的可能性。

流程可見性

左側傳感器（從上到下）：熱通量（TFX）、模內電介質（Lambient）、超聲波（奧格斯堡大學）、一次性電介質（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）的關系、樹脂電阻與時間的關系（Synthesites）以及己內酰胺注入預成型體的數字模型（CosiMo項目，DLR ZLP，奧格斯堡大學）。

隨著全球工業繼續從新冠肺炎疫情中復蘇，它已轉向優先考慮可持續性，這要求減少廢物和資源消耗（如能源、水和材料）。因此，制造業必須變得更加高效和智能化。但這需要信息。對于復合材料而言，這些數據從何而來？

正如CW 2020年關于“復合材料4.0”系列文章所述，確定提高部件質量和生產所需的測量方法，以及實現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目。本文基于這些報道，討論了復合材料中使用的傳感器、其預期的益處和挑戰，以及正在開發的技術領域。值得注意的是，正在成為復合材料行業領導者的公司已經開始探索和駕馭這一領域。

為什么要使用傳感器？

CosiMo中的傳感器網絡

CosiMo項目的熱塑性復合材料電池箱蓋演示器的T-RTM成型中使用了74個傳感器組成的網絡，其中57個是奧格斯堡大學開發的超聲波傳感器（如右圖所示，上半模和下半模中的淡藍色點）。

目標1. 省錢。CW 2021年12月的博客“為復合材料工藝優化和控制定制超聲波傳感器”描述了奧格斯堡大學（德國奧格斯堡聯合國大學）開發74個傳感器網絡的工作，該網絡用于為CosiMo（智能移動復合材料）項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，該模塑將己內酰胺單體原位聚合成聚酰胺6（PA6）復合材料。聯合國大學教授、聯合國大學奧格斯堡人工智能(AI)生產網絡主任馬庫斯·紹斯(Markus Sause)解釋了為什么傳感器很重要：“我們提供的最大優勢是在加工過程中可視化黑匣子內發生的事情。目前，大多數制造商只有有限的系統來實現這一點。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過程中出現的問題及其原因，你就可以解決并糾正它，從而節省大量資金。”

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測復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合材料修復貼片。樹脂制造商在實驗室中使用了各種傳感器來監測樹脂粘度隨時間和溫度的變化，以開發固化配方。然而，正在出現的是一個傳感器網絡，它可以根據多個參數（如溫度和壓力）和材料的狀態（如粘度、聚合、結晶）在現場可視化和控制制造過程。

例如，為CosiMo項目開發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：“隨著我們走向數字化制造，我們的目標是最大限度地減少未來零部件生產后檢查所需的時間和勞動力。”。他與國家復合材料中心（NCC，Bristol，英國）合作，演示了由Cranfield大學（Cranfield，英國）開發的線性介電傳感器的使用，以監測Solvay（索爾維）的EP 2400環氧樹脂基材在商業航空發動機換熱器的1.3米長、0.8米寬和0.4米深的復合材料外殼RTM過程中的流動和固化?？ɡ僚了拐f：“當我們研究如何制造更大的組件和更高的生產率時，我們無法承受對每個零件進行所有傳統的后處理檢查和測試。”。“現在，我們在RTM零件旁邊制作測試面板，然后進行機械測試以驗證固化周期。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，從而節省時間和能源

Colloid Tek Oy（芬蘭坦佩雷科洛）首席執行官兼創始人馬蒂·拉爾韋萊表示：“我們的目標不是成為另一種實驗室設備，而是專注于生產系統。”。CW 2022年1月的博客“復合材料的指紋液體”探討了Collo將電磁場傳感器、信號處理和數據分析相結合，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時提供直接反饋的新技術，這樣你就可以更好地了解這個過程的實際工作原理，并在出現問題時做出反應。”。“我們的傳感器將實時數據轉換為可理解和可操作的物理量，如流變粘度，從而優化工藝。例如，您可以縮短混合時間，因為您可以清楚地看到混合何時完成。因此，與優化程度較低的加工相比，您可以提高生產率，節約能源，減少廢品。”

目標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，走進實驗室，看看幾分鐘或幾小時前的狀態。這就像在高速公路上開車，每小時睜開眼睛一分鐘，試圖預測道路從哪里開始。” 索斯(Sause)表示贊同，并指出CosiMo開發的傳感器網絡“幫助我們全面了解過程和材料行為。我們可以看到過程中局部效應對零件厚度或集成材料（如泡沫芯）變化的反應。我們試圖做的是提供有關實際發生的信息。這使我們能夠確定各種因素，如流動前沿的形狀、到達預成型件每個部分的時間以及每個傳感器位置的聚合度。”

Collo與環氧樹脂粘合劑、油漆甚至啤酒的制造商合作，為每批生產的產品創建了工藝配置文件。每個制造商現在都可以看到其工藝的動態，并設置更優的參數，當批次不符合規格時，可以發出警報進行干預。這有助于穩定和提高質量。

Meggitt的卡拉帕帕斯說：“我想知道零件制造過程中發生了什么，而不是打開盒子看看之后發生了什么。”。“我們使用克蘭菲爾德的介電傳感器開發的東西讓我們看到了現場的過程，我們也能夠驗證樹脂的固化。”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，供應商也是如此）可以監測固化/聚合和樹脂流動。一些傳感器具有額外的功能，結合傳感器類型可以擴展在復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、電介質和壓阻式模內傳感進行溫度和壓力測量，證明了這一點。

基于模內傳感器網絡的測量數據，CosiMo零件（注射入口中心為白點）的流動前沿隨時間變化的視頻。

目標3：縮短循環時間。Collo傳感器可以測量由兩部分組成的快固化環氧樹脂的均勻性，因為在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用，與目前的單組分環氧樹脂如RTM6相比，UAM將提供更快的固化周期。

Collo傳感器還可以監測和可視化正在脫氣、注入和固化的環氧樹脂，以及每個過程何時完成。根據被加工材料的實際狀態（與傳統的時間和溫度配方相比）結束固化和其他過程稱為材料狀態管理。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，因為它追求玻璃化轉變溫度（Tg）、粘度、聚合和/或結晶的具體目標。例如，CosiMo中的傳感器網絡和數字分析用于確定加熱RTM壓機和模具所需的最短時間，發現在4.5分鐘內實現了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)等介電傳感器供應商也展示了縮短循環時間的能力。Synthesites與復合材料制造商Hutchinson（法國巴黎）和龐巴迪貝爾法斯特（現為Spirit AeroSystems（愛爾蘭貝爾法斯特）的研發項目報告稱，基于樹脂電阻和溫度的實時測量，它能夠將RTM的固化周期縮短30-50%，這些測量值由其Optimold數據采集單元和Optiview軟件轉換為估計的粘度和Tg。Synthesites總監尼科斯·潘特利解釋說：“制造商可以實時看到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周期更長的時間。例如，RTM的傳統周期是在180°C下完全固化2小時。我們已經看到，在某些幾何形狀中，這可以縮短到70分鐘。”INNOTOOL 4.0項目也證明了這一（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4:自適應過程的閉環控制。對于CosiMo項目，最終的目標是在復合材料零件生產過程中實現自動閉環控制。這也是CW在2020年報告的ZAero和iComposite 4.0項目的目標（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，預浸料帶的自動放置和用速固化環氧樹脂(iComposite 4.0)進行RTM的纖維噴涂預成型。所有這些項目都使用帶有數字模型和算法的傳感器來模擬過程并預測成品的結果。

索斯解釋說，過程控制可以設想為一系列步驟。他說，第一步是將傳感器和工藝設備集成在一起，“以可視化加工黑匣子內發生的事情以及要使用的參數。另外幾個步驟，也許是閉環控制的一半，是能夠按下停止按鈕進行干預、調整工藝并防止拒收零件。最后一步，你可以開發數字孿生，這可以實現自動化，但也需要投資機器學習方法。”在CosiMo中，這項投資使傳感器能夠將數據饋送到數字孿生，然后使用邊緣分析（在工藝線邊緣進行的計算與從中央數據存儲庫進行的計算）來預測流動前沿動態、每個紡織預成型件的纖維體積含量和潛在的干燥點。索斯說：“理想情況下，您可以建立設置，以便在過程中實現閉環控制和調整。”。“這些將包括注射壓力、模具壓力和溫度等參數。您還可以使用這些信息來優化您的材料。”

在實現這一目標的過程中，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，將傳感器與設備集成在一起，以便在注入完成時關閉樹脂入口，或在達到目標固化時打開加熱壓機。

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據采集單元收集的原始數據轉換為制造商可用的信息。索斯說：“你實際上看到許多公司都集成了傳感器，但他們對數據什么都不做。”。他解釋說，需要的是“系統的數據采集，以及數據存儲架構，以便能夠對數據進行處理。”

“終端用戶不只是想查看原始數據，” 卡拉帕帕斯說。“他們想知道，‘過程優化了嗎？’以及‘什么時候可以進行下一步？’為此，你需要結合多個傳感器進行分析，然后使用機器學習來加速過程。”Collo和CosiMo團隊使用的這種邊緣分析和機器學習方法，通過粘度圖、樹脂流動前沿的數字模型以及最終控制過程參數和機械的能力來實現可視化。

Optimold是Synthesites為其介電傳感器開發的分析儀。Optimold裝置由Synthesites的Optiview軟件控制，使用溫度和樹脂電阻測量值進行計算，并顯示實時圖表，監測樹脂狀態，包括混合比、化學老化、粘度、Tg和固化度。它可以與預浸料和液體成型工藝一起使用。一個單獨的單元Optiflow用于流量監測。

Synthesites還開發了一個固化模擬器，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/預浸料樣品。Synthesites總監尼科斯·潘特利表示：“我們正在將這種最新的方法應用于風力渦輪機葉片生產的注入和粘合劑固化。”。

Synthesites過程控制系統集成了傳感器、Optiflow和/或Optimold數據采集單元以及OptiView和/或在線樹脂狀態（ORS- online Resin State）軟件。

因此，大多數傳感器供應商都開發了自己的分析儀，有些使用機器學習，而另一些則沒有。但復合材料制造商也可以開發自己的定制系統，或購買現成的儀器并對其進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測來說是不必要的。超聲波傳感器還可以根據使用的頻率在不同深度對零件進行詢問。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合材料10厘米以內的傳感器。這是因為它使用電磁感應來引發嵌入復合材料中的傳感器的響應。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行詢問，以測量粘合過程中的溫度。由于微絲的毛發狀直徑為3-70微米，它不會影響復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構性能。然而，由于它們使用光進行測量，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，并且大多數傳感器還必須接觸它們正在監測的樹脂。

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/進料管線的壁中

傳感器的溫度能力是另一個關鍵考慮因素。例如，大多數現成的超聲波傳感器通常在高達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，聯合國協會不得不設計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350°C的零件表面，其可重復使用的模內傳感器可用于250°C。RVmagnetics（斯洛伐克科希策）開發了用于復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下進行連續使用測試。與此同時，PhotonFirst使用聚酰亞胺涂層為其用于SuCoHS項目的光纖傳感器提供350°C的工作溫度，以實現可持續和經濟高效的高溫復合材料。

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進行測量，還是具有多個感測點的線性傳感器。例如，Com&Sens（比利時埃克斯）光纖傳感器的長度可達100米，具有多達40個光纖布拉格光柵傳感點，最小間距為1厘米。這些傳感器已用于66米長的復合材料橋梁的結構健康監測，以及在大型橋面板注入過程中監測樹脂流動。為這些項目安裝單獨的點傳感器將需要無數的傳感器和大量的安裝時間。NCC和克蘭菲爾德大學聲稱他們的線性介電傳感器也有類似的好處。NCC的技術拉動項目經理杰克·阿爾科克表示，與Lambient、Netzsch和Synthesites提供的單點介電傳感器相比，“對于我們的線性傳感器，我們可以沿長度連續監測樹脂流量，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復合材料測試面板中。

線性傳感器也有助于自動化安裝。在SuCoHS項目中，皇家NLR開發了一種特殊裝置，該裝置集成在科里奧利復合材料自動鋪絲機(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塑料的纖維中。RVmagnetics聯合創始人拉蒂斯拉夫·瓦爾加說：“這些線是不連續的（復合材料的大多數微絲長1-4厘米），但在生產增強件時會自動連續放置。你有一個1公里長的微絲線圈，并將其送入增強件生產設備，而不改變增強件的制造方式。”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。

碳纖維由于其導電能力，可能會導致介電傳感器出現問題。電介質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。”克蘭菲爾德大學和NCC開發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。當施加電壓時，電線之間會產生電磁場，用于測量樹脂阻抗。電線涂有絕緣聚合物，不會影響電場的產生，但可以防止碳纖維短路。

當然，成本也是一個問題。Com&Sens引用了每個光纖光柵傳感點的平均成本為50-125歐元，如果按體積應用，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）。他補充道：“我們測試的線性介電傳感器更像是一種現成的涂層線。”。“我們使用的詢問器，”Cranfield大學復合材料工藝科學的讀者（高級研究員）亞歷克斯·斯科多斯補充道，“是一種阻抗分析儀，非常準確，成本至少為30000英鎊（約36000歐元），但NCC使用的詢問機要簡單得多，基本上包括來自商業公司Advise Deta（英國貝德福德）的現成模塊。”Synthesites對模內傳感器報價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，并補充說，風力葉片制造商每個周期節省了1.5小時，每條生產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，前進的道路

隨著復合材料4.0數字化制造的推進，使用傳感器的公司將獲得優勢。例如，Com&Sens業務發展總監格雷瓜爾·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計，并在2030年達到所需產量時監控生產。在纖維纏繞和固化過程中用于評估層內應變水平的傳感器也可以在數千次加油循環中監測油箱的完整性，預測所需的維護，并在設計壽命結束時進行重新認證。我們可以為生產的每個復合壓力容器提供一個數字孿生數據池，這個解決方案也在為衛星開發。”

啟用數字孿生和線程

Com&Sens正在與復合材料制造商合作，使用其光纖傳感器通過設計、生產和服務（右）實現數字數據流，以支持數字身份證（左），該身份證支持每個制造零件的數字孿生。

因此，傳感器數據不僅可以實現數字孿生，還可以實現數字線程跨越設計、生產、在役操作和壽命終止。當使用人工智能和機器學習進行分析時，這些數據會反饋到設計和處理中，從而提高性能和可持續性。這也改變了供應鏈的合作方式。例如，粘合劑生產商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備中組分A、B等的比例。“Kiilto現在可以為個人客戶調整粘合劑的成分，” 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品相互作用的。這正在改變供應鏈的協同工作方式。”

OPTO Light使用Kistler、Netzsch和Synthesites傳感器，監測固化情況，實現熱塑性包覆成型環氧碳纖維增強塑料零件。

傳感器也使創新的新材料和工藝組合成為可能。在CW 2019年關于OPTO Light項目的文章中，AZL Aachen（德國亞?。┦褂脙刹椒ㄋ綁嚎s成型單向(UD)碳纖維/環氧預浸料，然后用30%的短玻璃纖維增強PA6包覆成型。關鍵是只部分固化預浸料，這樣環氧樹脂中的剩余反應性就可以與熱塑性塑料結合。AZL使用Optimold和Netzsch DEA288 Epsilon分析儀、Synthesites和Netzsh介電傳感器以及Kistler模內傳感器和DataFlow軟件來優化注塑成型。AZL研究工程師理查德·沙雷斯解釋說：“你必須深入了解預浸料壓縮成型過程，因為必須確保了解固化狀態，才能與熱塑性塑料包覆成型良好結合。”。“未來，該過程可能是自適應和智能的，由傳感器信號觸發過程旋轉。”

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。大多數公司都沒有傳感器專家。”目前，前進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多傳感器專業知識。Sause說，聯合國協會內部有一些團體，也有一些衍生公司可以提供傳感器集成和數字孿生服務。他補充道，奧格斯堡人工智能生產網絡為此租用了一個7000平方米的設施，“將CosiMo的開發藍圖擴展到非常廣泛的規模，包括連接在一起的自動化單元，行業合作伙伴可以在其中放置機器、運行項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，我想監控我的流程和工作流程，并將其輸入我們的ERP系統，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。我們現在已經開始向數字化自動化發展。”

原文，《Sensors: Data for next-gen composites manufacturing》2022.3.1

楊超凡 2025.7.18