“清潔天空2”中的 INNOTOOL 4.0項目，推進了使用復合材料制造的更大、更便宜的輕型起落架的固化監測。

INNOTOOL 4.0演示器的固化監測

頂部的圖表顯示了TFX熱通量傳感器數據，該數據用于在INNOTOOL 4.0項目試驗期間監測樹脂流動和固化，該試驗采用了圖3中的模具（RTM6樹脂，厚度為3.2mm）。該項目的目標是推進基于傳感器的固化監測，以降低大型復合材料起落架零件的成本，如這里展示的HECOLAG項目演示器。

起落架占飛機重量的3-5%，長期以來一直是減輕重量以提高飛機效率的目標。隨著即將轉向節能減排的電力推進系統，這一點變得更加關鍵。

例如，賽峰起落架系統公司（法國韋利茲）將通過集成在飛機起落架輪中的電動機實現發動機關閉和電動滑行，分別將氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳和未燃燒碳氫化合物的排放量減少51%、61%、73%和62%。這對更可持續的航空業來說是一個巨大的勝利，但電動機需要電力，而提供電力所需的電池很重。

因此，對輕型起落架結構的需求似乎非常適合應用復合材料，除了一個問題。GKN?？似鹇浼埽ê商m赫爾蒙德）的技術專家皮特·拉烏恩說：“由于起落架是一個單載荷路徑結構，結構部件的故障可能會導致嚴重的緊急著陸情況。”。GKN Fokker起落架十多年來一直致力于證明復合材料起落架結構的技術可行性，包括為F-35閃電II開發碳纖維增強聚合物（CFRP）牽引撐桿。“由于其關鍵性，起落架結構是商用飛機中最保守的結構之一。”因此，它們大多由高強度金屬制成。

然而，這一趨勢正在開始轉變。“清潔天空2”正在尋求減輕30%的重量，但通過HECOLAG（高效復合材料卷繞裝置）項目中的CFRP組件，用于兩種應用。在第一次應用中，為A350-1000前起落架的現有鋁制上阻力撐桿開發了一種碳纖維增強塑料替代品，該起落架最初由利勃海爾航空航天公司（德國林登堡）開發和制造。HECOLAG的合作伙伴荷蘭皇家航空航天中心和GKN Fokker起落架根據利勃海爾的要求設計了這種碳纖維增強塑料阻力撐桿。NLR使用內部開發的自動預成型技術，構建了碳纖維增強塑料阻力撐桿的功能原型，并由GKN福克起落架進行了測試。

在HECOLAG評估的第二個應用中，NLR和GKN?？似鹇浼苓€與賽峰起落架系統公司合作，為電動主起落架開發了碳纖維增強塑料下側撐桿。CW將在2021年晚些時候具體報告HECOLAG項目的整體結果，但在這里，重點是INNOTOOL 4.0子項目，由主題經理GKN Fokker起落架指導，利用樹脂傳遞模塑（RTM）推進CFRP起落架結構的高度自動化生產。具體而言，INNOTOOL 4.0旨在展示傳感器集成工具，該工具將引領更小的工具、更小的質量、更快的生產周期、更容易的處理和更低的能耗，以及更高的自動化水平，以實現更低的成本和復合材料4.0的智能過程控制。INNOTOOL 4.0項目由歐盟地平線研究和創新計劃下的“清潔天空2”聯合承諾資助，該計劃符合GAP第821261號。

INNOTOOL 4.0目標

拉烏恩解釋說，HECOLAG第二部分的演示器（見開篇圖）更像是一個通用部分。“它用于演示零件設計、模擬和制造方法，以提供單通道飛機所需的性能、生產率和成本。”到2017年底，HECOLAG聯盟已經確定了最初的CFRP演示器零件和生產工具，分析了工具的熱行為并進行了性能試驗。這個大型復雜的產品通過了初步設計審查，并在當年晚些時候達到了技術準備水平的4級。拉烏恩說：“根據第一臺演示機的問題和經驗教訓，我們正在尋找合作伙伴來開發RTM模具技術，以優化和縮短固化周期。”。2018年發布了《清潔天空2》合作伙伴呼吁，并授予了INNOTOOL 4.0聯盟，該聯盟由設備和自動化供應商Techni Modul Engineering和樹脂注射專家Isojet Equipments（Corbas，France）組成。他們于2019年4月開始工作，并于2021年3月完成了最初的里程碑。

GKN?？似鹇浼艿睦瓰醵髦赋觯?ldquo;復合材料部件必須與鍛鋼和鋁具有成本競爭力。”。“這只有在自動化的情況下才有可能實現，與目前的航空航天級熱壓罐固化CFRP相比，可以實現非常低的工時和更實惠的材料。”

因此，INNOTOOL 4.0試圖將傳感器集成到RTM模具中，以監測和管理注射和固化過程，包括樹脂流動前沿檢測。TME的商業總監斯特凡·貝松表示：“我們的目標是實現完全自動化——裝載預成型體，按下按鈕，成型設備將管理溫度、壓力、真空和固化。”。然而，這是GKN Fokker起落架和TME首次使用固化監測。“我們以前用過溫度和壓力傳感器，” 貝松說，“但沒有用過樹脂流動和聚合傳感器。”

為什么要使用傳感器？

圖1. HECOLAG演示生產模具

NLR在2021年3月和4月的零件試驗中使用了這個由Techni Modul Engineering制造并配備TFX熱通量傳感器的生產模具來生產起落架部件演示器（打開圖像）。

INNOTOOL 4.0項目的初始里程碑要求TME和Isojet向NLR交付一個配備傳感器的成型工具和注射系統，該系統將用于在2021年3月和4月生產演示部件。與此同時，TME將使用現有的工具生產CFRP板，尺寸為600 x 600毫米，厚度為1-8毫米，并使用相同的傳感器進行修改，以便在其工廠進行過程控制試驗。拉烏恩說：“這是你寧愿第一次在小規模上做的事情，而不是直接在一個高成本的大型工具上做。”。因此，TME使用了不同的工具，但使用了相同的傳感器來顯示它們的能力和深度。完成此測試后，NLR將重新使用主要的HECOLAG工具來生產新一輪的CFRP演示器，以進一步優化實際零件的過程控制。

RTM生產工具設計

TME開始使用達索系統的CATIA V5軟件進行機械和電氣設計，并使用ANSYS（美國賓夕法尼亞州卡農斯堡）進行熱和機械模擬，從而生產RTM工具設計。該工具將與Isojet的基于活塞的1K-2K（用于單組分和雙組分樹脂）系統配對，以高達20巴的注射壓力注射赫氏（Hexcel-美國康涅狄格州斯坦福德）HexFlow 2K RTM 6和索爾維（Solvay-美國佐治亞州阿爾法利塔）1K PRISM EP 2400單組分航空航天級環氧樹脂。

貝松(Besson)指出：“這種成型工具的形狀非常復雜，將3D干式預成型件中的不同厚度與封閉的管狀形狀相結合。這會產生復雜的厚度過渡，涉及預成型件組裝、層端精度、內部溫度梯度和樹脂收縮等問題，以及如何優化內部心軸的加熱方法和加熱能力以實現較短的循環時間。為了縮短循環時間，工具的所有元件必須易于使用、堅固耐用，并允許快速加熱和冷卻。”盡管INNOTOOL 4.0項目簡要要求非金屬模具解決方案，但由于在成型過程中減少皺紋和確保纖維對齊所需的壓力，設計了一套典型的上下鋼模具。

對匹配的上下模具和心軸進行加熱和冷卻。貝松(Besson)解釋說：“匹配的模具使用一個集成的水回路，同時心軸被電加熱。”。“水循環提供快速加熱和冷卻，以減少零件循環時間，電加熱在空間有限的心軸中也實現了同樣的效果。”

“另一個挑戰是心軸中的零件數量，” 貝松說。“由于形狀復雜，需要在成型后拆除心軸，它由六個自加熱部件和兩個支撐元件組成，傳感器穿過這些元件來控制心軸件的內部溫度。在使用中，這些元件是在引導操作員的基礎支撐的幫助下手工組裝的。”使用可充氣心軸作為解決方案的工作將在更大的HECOLAG項目中完成，但不包括在INNOTOOL 4.0子項目中。

熱通量傳感器

TME最初計劃使用介電傳感器來監測樹脂流動和固化（見“結合交流和直流介電測量來監測復合材料的固化”），但改用TFX（瑞士邦科特）的熱通量傳感器。TME項目經理豪爾赫·洛佩斯-托雷斯解釋說：“隨著開發的進展，我們希望傳感器能夠在不直接接觸聚合物和復合材料的情況下進行測量。”。“TFX傳感器之所以能夠實現這一點，是因為它們測量了通過材料傳播的熱通量。”他指出，這基本上與差示掃描量熱法中使用的測量方法相同，DSC是一種分析聚合物或復合材料固化狀態的實驗室技術。值得注意的是，TFX傳感器和DSC測試都測量聚合/固化過程中釋放的熱量，并得出熱通量與溫度和時間的關系曲線。

對于TFX傳感器，溫度數據來自熱通量傳感器內的內部溫度傳感器。雖然介電傳感器同樣配備了內部溫度傳感器，但這兩個傳感器非常不同。TFX經理法比安·卡拉(Fabien Cara)博士解釋說：“介電傳感器直接測量固化過程中的聚合物性能。”。“熱通量傳感器不會給出材料在給定時刻的狀態。然而，測量樹脂流動和聚合過程中產生的熱量可以很好地了解過程的行為以及每個生產零件的固化周期的可重復性。與DSC一樣，我們需要看到固化過程的整個曲線，但我們監測固化的能力非?？煽?。

數十年的經驗

TFX傳感器成立于2000年，原名Thermoflux，已被全球100多家客戶用于研發中心的試驗和工業應用?？ɡf：“我們15年前就開始使用RTM，首先是與寶馬合作生產汽車零件，然后是現在被稱為Soudure研究所（法國圣阿瓦爾德）的技術中心。2006年和2012年，我們啟動了兩個大型項目，用于監測使用RTM和3D編織預成型件制造的飛機發動機風扇葉片的固化情況。賽峰集團在巴黎附近的復合材料實驗室為他們開發了一個數據采集系統。他們可以同時記錄多達100個信號（熱通量、溫度和壓力），并分析這些信號以進行固化和監測工藝周期。”TFX還與法國Les Avenières的Hexcel實驗室合作，監測質量和加工過程。將熱固性樹脂注入干燥的預成型件中。TFX傳感器還用于與IRT-M2P（法國Porcelote）合作的一個項目，以演示Compression RTM。卡拉指出：“我們的傳感器對于壓縮成型等快速工藝非常有效，包括SMC和BMC模塑料。”。“2016年，我們還獲得了亨斯邁先進材料公司（瑞士巴塞爾）頒發的JEC創新獎，該公司開發了一項名為“在不到1分鐘內達到熱壓罐質量的結構環氧零件”的產品。”

TFX為每種類型的復合材料成型過程都配備了傳感器，基于傳感器的傳熱方法：傳導（RTM、壓縮和注塑）、對流（熱壓罐、烤箱）和輻射（纖維纏繞、AFP）。INNOTOOL 4.0項目中使用的傳感器是導電的，設計用于嵌入金屬RTM模具中?？ɡ赋觯?ldquo;它們在距離工具表面和復合材料高達1毫米的地方提供了一種異常可重復的信號。”。

圖2. RTM生產工具傳感器

兩個TFX-191傳感器被集成到交付給NLR的RTM生產工具集的上模中。

TME在匹配的生產工具集的上模中安裝了兩個TFX-191傳感器，一個位于樹脂入口，一個在樹脂出口，然后將其發送到NLR（圖1,2）。NLR在2021年3月和4月使用該生產工具制造了HECOLAG演示器零件。TFX-191傳感器適用于厚金屬工具。

同時，TME采用了一種較小的內部工具來制作CFRP板樣品，并用兩個TFX-224傳感器對其進行了修改，這兩個傳感器更短，適用于更薄的工具（圖3）。然后，根據上述INNOTOOL 4.0目標，使用該RTM板工具集進行傳感器演示試驗?？ɡf：“這些傳感器與我們用于賽峰集團的傳感器相似，但現在經過改進，變得更加緊湊和靈敏。”傳感器被放置在零件中心和樹脂出口附近。除了熱通量傳感器外，TFX還開發并提供了兩個數據采集系統，一個交付給Isojet，另一個由TME用于CFRP板試驗。

這兩個傳感器更短，適用于更薄的工具（圖3）。然后，根據上述INNOTOOL 4.0目標，使用該RTM板工具集進行傳感器演示試驗。卡拉說：“這些傳感器與我們用于賽峰集團的傳感器相似，但現在經過改進，變得更加緊湊和靈敏。”傳感器被放置在零件中心和樹脂出口附近。除了熱通量傳感器外，TFX還開發并提供了兩個數據采集系統，一個交付給Isojet，另一個由TME用于CFRP板試驗。

圖3. 板材工具試驗

兩個TFX-224傳感器（右上）被集成到TME匹配的金屬RTM工具集（左上）的上模中，以評估在不同樹脂、固化時間和零件厚度的CFRP板（右下）試驗期間的傳感器性能。

INNOTOOL 4.0測試結果

TME使用其用TFX傳感器改裝的板材工具進行的試驗測試了兩種不同的基材樹脂—HexFlow RTM 6和PRISM EP 2400—以及零件厚度和整體固化時間的影響。卡拉說：“傳感器提供了很好的信號來監測固化周期。”。“然后，研究小組分析了固化曲線，并表明RTM 6的固化時間可以比規定的兩小時固化時間縮短至少30分鐘。”

這可以在下面的曲線中看到，其中t=0小時是注射的開始時間。注意，固化時間從溫度達到180°C開始，固化結束對應于相對固化水平的99%（見右側的垂直軸）。固化結束也與原始熱通量穩定相吻合。

熱通量傳感器數據，縮短固化時間

這條曲線（也顯示在開頭的圖像中）顯示了TME使用圖3中的模具生產CFRP板的一次試驗中的TFX熱通量傳感器數據，該試驗使用RTM 6樹脂生產3.2mm厚的CFRP板。參考時間t=0小時對應于注射序列的開始（將樹脂進料管線填充到模具中）。固化時間是在溫度達到180°C時計算的，而固化結束對應于相對固化水平的99%（見右側的垂直軸）。對于這項試驗，固化結束發生在規定的2小時固化周期前30分鐘。這也與原始熱通量穩定相吻合。

這通過使用動態力學分析(DMA- dynamic mechanical analysis)對脫模零件的固化狀態進行測量得到了驗證，DMA是DSC-differential scanning calorimetry（差示掃描量熱法）的一種替代實驗室技術，用于測量復合材料的玻璃化轉變溫度（Tg）。他補充道：“DMA結果證實，對于RTM 6樹脂，在180°C下固化90分鐘后，Tg保持不變。”。

還研究了厚度的影響?？ɡ赋觯?ldquo;TME在傳感器演示試驗中測試的第一塊CFRP板厚度不到2毫米。”。“這些板材還具有高纖維體積（50-60%）和緩慢的固化周期，以防止放熱和熱應力和零件質量的潛在問題。所有這些對于航空航天零件來說都是非常正常的，但這意味著樹脂很少，因此樹脂反應釋放的熱通量很小。因此，我們實際上是在加熱工具和零件的海洋中尋找樹脂固化產生的熱通量。”

換句話說，正如卡拉所解釋的那樣，“大多數航空航天RTM固化周期都涉及在一個溫度下注入樹脂，然后在第二個更高的溫度下逐漸固化。因此，當你完成注射時，你會將工具加熱到固化溫度，這會在整個系統中產生很大的熱通量。”然而，與DSC測試一樣，用熱通量傳感器監測固化的關鍵是測量聚合/固化過程中釋放的熱量，并在熱通量與成型系統和時間的溫度曲線中顯示這些測量值。“因此，我們發明了一種方法，可以幫助我們減去加熱模具的基線，以及熱量向零件的傳導，從而可以確定樹脂反應的熱通量。”

因此，卡拉說，盡管初始薄板中的工藝條件非常具有挑戰性，“我們仍然可以看到樹脂反應的熱通量。然而，通過制造更厚的零件，我們能夠根據零件厚度準確地看到熱通量水平的差異，這驗證了我們在薄零件中的固化監測。”注意，上述曲線（也顯示在開幕照片中）是在3.2毫米厚的板中使用RTM 6樹脂獲得的。

然而，樹脂流動前沿檢測的結果存在更多問題。卡拉說：“對于出口附近的傳感器，我們可以很好地看到流動，但對于中心附近的傳感器則不然，因為樹脂到達得很晚。”。“使用熱通量傳感器進行流前檢測需要樹脂流在局部熱場中產生變化。當樹脂與預成型件的溫度不同時，就會發生這種情況。”他指出，ΔT大于0.1°C就足以進行檢測。“然而，在薄CFRP板試驗中，模具中的溫度非常均勻，樹脂到達的速度非常慢。因此，熱對比不足以檢測樹脂到達與整個系統中的熱噪聲。然而，由于流道有助于產生更大的熱對比，更容易檢測和監測，樹脂到達出口的速度更快。”。

卡拉建議，TFX開發的新型有源傳感器可以改善這種樹脂流動前沿監測，該傳感器在傳感器內使用集成加熱功能。他解釋說：“這使得傳感器能夠幫助在固有困難的零件和工藝中提供必要的熱對比。”。

擴展復合過程控制能力

托瑞斯說：“我們對迄今為止完成的工作感到滿意，但這只是第一步。我們的目標是使用這些熱通量傳感器來管理生產環境中的復合材料加工。”卡拉說，這是可能的，因為傳感器系統會根據樹脂的到達自動向注射設備發送信號，并根據固化曲線的零斜率自動向壓機發送信號。托瑞斯補充說，TME為注塑機和RTM壓機配備了過程控制系統，可以管理溫度和壓力。“下一步，”他說，“是將TFX傳感器集成到這些控制系統中，并從筆記本電腦管理整個過程。”卡拉指出，TFX傳感器和數據采集也與壓力傳感器（例如瑞士溫特圖爾的Kistler）配合使用，以幫助實現這一整體過程控制，他的公司正在開發一種傳感器，可以在單個集成設備中測量熱通量、溫度和壓力。

但是，這種過程控制負擔得起嗎？卡拉表示，監控系統的初始投資10-3萬美元通常會在開發階段獲得回報，通過改進流程和零件理解來減少試錯。“然后，該系統繼續在生產過程中節省成本，縮短周期時間，確?？芍貜托裕⑻峁ζ苹虿缓细竦脑缙跈z測。”

在GKN Fokker，拉烏恩認為，一旦減少周期時間和提高成本的能力得到證實，“那么就有可能想象復合材料不僅可以用于INNOTOOL 4.0和HECOLAG項目中展示的起落架部件類型，還可以用于所有類型的零件。這將開辟我們的設計空間，使我們能夠進一步突破輕型起落架的界限。” 貝松看到了更廣泛的應用：“這種過程控制可以為各種模具和復合材料零件開發。”

編后語

最近發出的《傳感器-AFP的感知固結輥》、《傳感器-用于下一代復材制造》和《傳感器-RTM樹脂固化監測》的三篇短文，其中后兩篇的原文是由同仁—香港科技大學的慶浩，復制發給我的。

在此特別說明并表示感謝！

原文，《Speeding RTM with heat-flux sensors》 2021.6.28

楊超凡 2025.7.19