可以使用X射线计算机断层扫描(X射线CT)扫描来进行加成制造(AM)金属部件的非破坏性内部测量。然而,这一过程并非没有问题,因此武革委的研究人员正在研究使用相控阵超声波(见下面的框)作为潜在的替代方案。早期的结果令人鼓舞。

AFRC的计量和数字小组负责人Daniel McMahon是参与多方合作的人之一。计量小组通过提供支持性测量服务来支持武检委的其他研究,同时提供这种服务作为外部服务,而数字团队则关注调查工业4.0技术,如高级可视化,虚拟和增强现实,机器连接和工业物联网(IIoT)和自动化。

McMahon解释了检测添加剂制造零件的挑战:●第一个挑战与传统上加工零件时相媲美,即依靠机器产生均匀表面,以及是否平坦或自由曲面,您仍然可以获得光滑的曲面。在加成制造零件的情况下,会出现起伏不平的表面,这对接触测量带来了挑战,例如使用探针对表面进行采样的坐标测量机(CMM),以及假设样品点具有一致性,并且您正在获得表面的真实表示。

●当它是一个AM部件时,它与我们在[AFRC]上形成和锻造的相似,在那里形成更独特材料的整个表面方式和自由的空间更大。在这种情况下,基于离散点的测量有时会导致奇怪的结果,而不是整个表面的真实表示;所以技术可能不适用于AM部分,除非你在表面上做一些后续的加工。

外部功能扫描

对于外部特征,采用非接触式测量,AFRC使用采用结构化蓝色激光的光学扫描。该组织有一个GOM(https://is.gd/oherag)ATOS TripleScan III /旋转台,它用于这种目的。这捕获了数千个点的密集点云,允许创建零件的3D模型,然后可以在任何位置询问该模型以揭示相关的尺寸。 GOM系统精确到10微米以内,拥有5微米的可重复性(YouTube:https://is.gd/inexof)。

对于内部测量来说,更大的挑战是AM部件具有更大的几何自由度。 McMahon再次表示:“创造内部特征还有更多的自由度,因此更像铸造过程,其中在模具内使用插入件来创建内部特征。你可以......测量那个内部特征,但至少[对于铸件]你已经得到了可以进行尺寸评估的插入。随着AM,有更多的自由创建内部功能,没有任何插入;您可以打印任何您想要的内容,因此将会有内部功能,一旦部件完成后您将无法访问;你永远无法真正使用传统方法进行检查。这就是挑战所在。我们如何检查那些没有视线或物理访问的部分中包含的功能?

●这个挑战的一个变种是,如果你认为AM就像在一张纸上打印文本一样,有时喷嘴可能会被堵塞,或者在这个过程中某些东西会改变,导致文本或图像出来有趣的颜色,或者那里是缺少文字的行。如果这种情况发生在上午,你没有得到一些东西 - 一个有趣的颜色或缺少一些文字,你......在某个部分或充分发展的缺陷中有一些弱点,例如包含,这可能是一个压力提升者。这需要进行评估,以了解该部分是否可以承担其设计的功能。

好的,但是基于X射线CT检查的问题是什么?在这个过程中,采取多个部件的X射线切片来建立部件(或人,在医疗应用的情况下)的内部的3D图像以及AFRC所属的高价值制造弹射器(High Value Manufacturing Catapult)确实正在研究这项技术,但涉及到很多变数,正如McMahon指出的那样:“结果可能因机器不同而不同,也可能因操作人员而异。这是真正需要理解的东西,然后传达最佳做法。

当然,X射线是非常有害的,所以测量是在一个引线盒内进行的,这意味着可扩展性不是很好,同时还需要很大的功率才能通过金属部件。所以它应用于较大的结构并不是真的可行,而设备非常昂贵并且运行成本很高。相控阵超声波的成本约为X射线CT的五分之一,运行成本较低,且可扩展。

相控阵超声波已被用于工业NDT应用,但尺寸测量技术不够,因此合作研究。团队负责人说:“我们一直在使用由斯特拉斯克莱德大学超声工程中心开发的相控阵超声波新方法(CUE)(见后文) 。这使我们能够进行全矩阵捕捉,从而为我们提供比通常捕获更多的数据,因此所需的[计算机]处理能力非常高,处理时间比正常情况长很多。

但随着越来越多的数据带来更高的分辨率,因此目前测量的亚毫米级准确度水平,McMahon说明显必须改进。

更高分辨率的目标

通过比较,X射线CT检查的分辨率降至10微米,但为了自信地解释X射线CT的尺寸是多少,需要测量区内的参考制品,因为视觉结果的解释是绝对是关键。此外,X射线图像必须清晰锐利,这取决于正确设置多个设置。用超声波方法破解的核心是以更高的分辨率采集数据,McMahon证实,分析阶段已经很成熟。

他表示,类似部件的整体检测时间要么与CT相同,要么相控阵超声波检测的时间会有优势。

CT扫描需要很长时间,数小时;超声波方法要快得多,但是那里的数据处理时间会增加整个总时间。它是标准超声波探头的精确位置控制和操纵,加上这些数据处理是研究的核心元素。

用于分析数据的计算机算法是CUE的知识产权,该部门在该领域拥有超过30年的经验。 CUE也是英国非破坏性评估研究中心(RCNDEâwww.rcnde.ac.uk)的创始成员之一。前CUE研究员William Kerr博士被武革委聘为领导该项目的详细级别。他具有较强的实践性,应用知识水平和经验,是“第一人”。他的部分经验是利用相控阵超声波和机器人探头操纵重建膝关节。数控钻机的结构定位超声波换能器是当前AFRC研究阶段的一部分,可以精确地重新定位探头,以便收集所需的密集点云,然后将它们缝合在一起。

以前由CUE开展的独立项目已经为最新的武革委努力奠定了基础。其中一个是VIEWS(见下面的方框),现在已完成,其中看到碳纤维复合材料航空器部件的超声波检查显示任何材料不连续性。

另一个是由EPSRC资助的项目,在使用相控阵超声波检查Wire Arc Additive Manufactured(WAAM)部件(项目详情:https://is.gd/acexes)。在斯特拉斯克莱德大学的主持下运行,这个项目的结果让武革委有信心推进这一最新的内部资助调查。

到目前为止,大约有10个WAAM测试部件,其中已知缺陷(例如钻孔)已成为研究对象,但该技术适用于具有内部结构的任何部件,麦克马洪说,包括激光熔融粉末AM部件或铸造,成型或锻造部件。但他确认,增材制造是武革委的重点,而粉末激光熔化的AM部件计划作为进一步的测试对象。 (一个WAAM小区也将在武革委建立。)

这个超声波测量项目将于2018年3月底完成,届时可能会看到更多内部资助的研究,或者一个涉及合作伙伴的联盟组合竞标英国Innovate的资金。无论哪种方式,它看起来都有翅膀。

方框1

超声波声音的应用

超声波的声音落在20 Hz至20 kHz的人类听觉范围之上。例如,大多数蝙蝠使用20-80kHz范围内的频率。超声波声音具有多种工业用途,应用频率通常为0.1-15MHz,有时甚至高达50MHz。

术语相控阵超声波适用于发射超声波的探头具有多个(一个阵列)声音放大器的系统,而不是一个需要探头在物体上物理移动的单个探头。来自相控阵探头的光束可以被聚焦并以电子扫描,而无需移动探头。这用于多个工业部门,例如:焊接的非破坏性测试,以确定不连续性;管道,用于厚度测试/腐蚀分析;和塑料的焊接,这里使用的频率是15kHz,20kHz,30kHz,35kHz,40kHz和70kHz。

方框2

VIEWS计划

CUE和武革委与Spirit AeroSystems,Prestwick合作,通过VIEWS计划(未来机翼结构制造促成者的验证和整合)获得150万英镑的资金,用于委托武革委新的机器人检查单元。今年结束时,这是13个合作伙伴3,000万美元的VIEWS计划的一部分,该计划由英国航空航天技术研究所(ATI)提供部分资金,旨在创新飞机机翼设计,制造和装配技术(https:// is.gd/peguno)。在武革委委托一个三机器人柔性检查单元,在斯特拉斯克莱德大学电子电气工程系进行基础研究,以获得更高的技术准备水平(4至6),适合未来的工业利用。下面)