2018年1月2日

健全的思维 - 3D打印部件的超声波检测

3D打印部件的超声波检测健全的思维 - 3D打印部件的超声波检测
位于格拉斯哥的斯特拉斯克莱德大学先进成形研究中心(AFRC)正在研究使用超声波作为加法制造金属零件内部测量的解决方案。安德鲁·阿尔科克学到了更多

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,这个过程并非没有问题,所以武革委的研究人员正在考虑使用相控阵超声(见下面的方框)作为潜在的选择。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。计量小组通过提供辅助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,即依靠机器产生平整表面,以及是否平坦或自由曲面,您仍然可以获得光滑的曲面。在添加制造零件的情况下,会出现起伏不平的表面,这对接触测量带来了挑战,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,在那里形成更独特的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;所以技术可能不是最好的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显示相关的尺寸。 GOM系统精确到10微米,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部件可用的几何自由度更大。 McMahon再次提到:¡有更多的创造内部特征的自由度,所以更像一个铸造过程,在模具内使用镶嵌件来创建内部特征。你可以测量这个内部特征,但是至少对于铸件你已经得到了可以用尺寸评估的插入。随着AM,有更多的自由来创建内部功能,没有任何插入;你可以打印任何你想要的东西,所以会有内部的功能,一旦部分完成,你永远不能访问;你永远无法真正使用传统的方法来检查。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所包含的功能?

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,或者那里是缺少的文字行。如果这发生在上午,你没有得到这样的东西 - 一个有趣的颜色或一些文字缺失,你已经有一些弱点在一个部分或完全发达的缺陷,如一个包容,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X射线CT检查的问题是什么?在这个过程中,多个部件的X射线切片被用来建立一个部件(或人,在医疗应用的情况下)的内部的3D图像以及武革委成员的高价值制造弹射器,确实正在研究这项技术,但涉及很多变数,正如McMahon指出的那样:“结果可能因机器而异,从操作员到操作员也不尽相同。这是真正需要理解的东西,然后传达最佳做法。

当然,X射线是相当有害的,所以测量是在一个引线盒内进行的,这意味着可扩展性并不好,同时也需要很大的功率才能通过金属部件。所以它在较大结构上的应用并不是真的可行,而设备非常昂贵,运行成本高昂。相控阵超声是X射线CT成本的五分之一左右,运行成本较低,且可扩展。

相控阵超声波已经在工业NDT应用中使用,但尺寸测量技术是不够的,因此合作研究。该小组负责人说:“我们一直在使用由斯特拉斯克莱德大学超声工程中心(CUE)开发的相控阵超声新方法(见后文) 。这使得我们可以做一个完整的矩阵捕捉,使我们获得比通常捕获的数据更多的数据,因此所需的[计算机]处理能力相当高,处理时间比正常时间长很多。

但是,随着更多的数据,更高的分辨率和更高的分辨率,因此目前测量精度达到亚毫米级别的能力显然必须得到改善。

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,但是为了自信地解释X射线CT的尺寸是多少,需要在测量区域内的参考制品,因为视觉结果的解释是绝对重要。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就有优势。

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增加了整个总时间。这是标准超声波探头的精确位置控制和操作,加上这些数据处理是研究的中心内容。

用于分析数据的计算机算法是具有超过30年该领域经验的CUE的知识产权。 CUE也是英国非破坏性评估研究中心(RCNDE?www.rcnde.ac.uk)的创始成员之一。前CUE研究员威廉·克尔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,应用知识水平和经验,是“第一”,“非”。他的部分经验是采用相控阵超声波和机器人探头操纵来重建膝关节。建立数控钻机来定位超声波换能器是当前武革委调查阶段的一部分,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这次武革委的最新努力奠定了基础。其中一个是VIEWS(见下面的框),现在已经完成,它看着碳纤维复合材料航空器部件的超声波检查,以揭示任何材料的不连续性。

另一个是由EPSRC资助的项目,在使用相控阵超声波检查电线和电弧添加剂制造(WAAM)零件(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个最新的内部资助调查。

迄今为止,大约有10个WAAM测试部件,其中已经存在已知缺陷(例如钻孔),这些缺陷已经成为研究的主题,但是该技术适用于任何具有内部结构的部件,McMahon说,包括激光熔融粉末AM部件或铸造,成型或锻造部件。但是他强调,增材制造是武革委的重点,粉末激光熔化的AM部件计划作为进一步的测试对象。 (WARC单元也将在武革委建立。)

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的内部资助研究,或者由合作伙伴组成的联合体来竞标英国创新公司的资金。无论哪种方式,它看起来像有翅膀。

方框1

超声波声音的应用

超声波是超过20Hz到20kHz的人类听觉范围的声音。例如,大多数蝙蝠使用20-80kHz的频率。超声波有几个工业用途,应用频率通常为0.1-15MHz,偶尔达到50MHz。

术语相控阵超声波适用于发射超声波的探头具有多个(阵列)声音放大器的系统,而不是单个需要物理移动探头的部件。来自相控阵探头的光束可以被电子聚焦和扫描,而不用移动探头。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,这里所使用的频率是15kHz,20kHz,30kHz,35kHz,40kHz和70kHz。

方框2

VIEWS程序

CUE和武革委与Spirit AeroSystems,Prestwick合作,通过VIEWS计划(验证和未来机翼结构的制造促成因素的整合)获得150万英镑的资金,以便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3000万美元的VIEWS计划的一部分,该计划由英国航天技术学院(ATI)提供部分资金,旨在创新的飞机机翼设计,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,以达到较高的技术准备水平(4-6),适合未来的工业开发。下面)

安德鲁Allcock

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