制造纤维增强型复合部件期间检查纤维铺放的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及制造纤维增强型复合部件期间检查纤维铺放的系统和方法。
【背景技术】
[0002]自动纤维铺放是一种制造纤维增强型复合部件的技术。该技术使用自动纤维铺放(AFP)机器(还被称为先进的纤维铺放机)，AFP机器将未固化的成条的纤维带精确地铺放并分层堆放到模具和/或芯棒上。AFP机器通常用于制造大型复杂形状的结构，诸如机架、空气涡轮机叶片、压力容器及其它工业产品。
[0003]未固化的纤维带通常包括预浸渍热固性和/或热塑性材料的碳纤维(预浸碳纤维带)。所述带可采取丝束的形式，该丝束是连续长丝的退捻捆束，并且可薄而窄(常见的厚度范围从约0.005” (0.13mm)到0.010” (0.25mm);常见的宽度范围从约0.125” (3mm)到约0.5” (13mm)) ο
[0004]AFP机器通常有能力将多条(例如，2-32条)带平行地铺放在一起，并且由此可形成宽度与各条的宽度的总和一样宽的单个带子。AFP机器可按一定的取向范围(例如，0°、+45。、-45。和/或90° )将各条铺放在叠层模具(layup mold)和/或芯棒形状(例如，平的、凹的和/或凸的)的范围内。限于大致平的或基本曲面的机器可被称为自动铺带机、平面型自动铺带机和/或曲面型自动铺带机。
[0005]AFP机器通常包括:将带自动切割成条；以及把各条分层堆放以形成叠层(ply)(每个叠层为单个条的层)。此外，AFP机器可将新的条层压紧到底层的叠层上。复合部分的各层需要彼此适当地接触并附着，以适当地层压并固化。在新的条层未能附着到底层的层(有或没有AFP机器压紧)的情况下，在未固化和已固化的部分中形成层间空隙(inter-laminal void)。层间空隙是可导致已固化的复合部分弱化的脱层缺陷。因而，优选地，在使复合部分固化之前，需要检测并修复层间空隙。
【发明内容】
[0006]本文中公开的系统和方法涉及使用与图案照明相关的3D数字图像技术通过在至少部分地形成的未固化的纤维增强型复合部件的表面上执行非接触3D (三维)测量来检查未固化的纤维增强型复合部件。
[0007]用于检查的系统包括:光投射器，所述光投射器被构造成将光图案投射到检查区域处的成形件(form)上；数码相机，所述数码相机被构造成使所述成形件上的所述光图案成像；以及计算系统，所述计算系统被编程为投射所述光图案以获取图像并确定所获取的所述图像的3D廓形。更具体地，所述计算系统可被编程为执行本文中描述的任何方法。
[0008]用于检查的系统被构造成确定所述成形件的基线3D廓形，确定在所述成形件上分层堆放的未固化的纤维增强型复合材料的测试3D廓形，以及确定所述测试3D廓形和所述基线3D廓形之间的厚度差。用于检查的系统可关联于和/或可包括AFP机器，所述AFP机器被构造成将所述未固化的纤维增强型复合材料铺设在所述成形件上。
[0009]用于检查的方法包括:在制造所述未固化的纤维增强型复合部件之前、期间和/或之后进行检查。用于检查的方法包括:将光图案投射到成形件上的检查区域上；通过使所述成形件上的所述光图案成像来获取所述成形件的基线3D廓形；将未固化的纤维片(例如，条、片材)铺设到所述检查区域内的所述成形件上；将所述光图案投射到所述成形件上的所述未固化的纤维片上；通过使所述成形件上的所述未固化的纤维片上的所述光图案成像来获取所述成形件上的所述纤维片的测试3D廓形；以及计算所述测试3D廓形和所述基线3D廓形之间的厚度差。
【附图说明】
[0010]图1是纤维铺放检查系统的示意图。
[0011]图2是用于纤维铺放检查的方法的示意图。
【具体实施方式】
[0012]本文中公开了在制造纤维增强型复合部件期间用于检查纤维铺放的系统和方法。一般来说，在图中，有可能被包括在给定实施方式中的元件以实线图示，而可选或替代的元件以虚线图示。然而，以实线图示的元件并不是对本公开的所有实施方式均是必要的，并且在不脱离本公开的范围的前提下以实线示出的元件可从特定实施方式中略去。
[0013]图1示意性地表示出纤维铺放检查系统10。系统10可被构造成检查未固化的纤维增强型复合部件20，诸如由AFP机器40至少部分地形成的部件。
[0014]在一般水平上，系统10被构造成使用与图案照明而非固有的和/或施加的表面标记相关的3D数字图像技术来在至少部分地形成的未固化的纤维增强型复合部件20的表面上执行非接触3D测量。系统10可被进一步构造成在制造部件20之前、期间和/或之后测量3D廓形(还被称为3D表面廓形)，可选地，测量底层的成形件30和部件20的一个或多个层的3D廓形，和/或可选地，确定一个或多个层的(明显)厚度(该厚度可以是平均层厚度和/或可以是该层上的一个或多个点处的厚度)。系统10可被构造成(例如通过检测异常厚度和/或3D廓形)自动检测未固化的纤维增强型复合部件20的各层之间的层间空隙(即，脱层缺陷)。
[0015]系统10包括:光投射器12，光投射器12被构造成将光图案投射到检查区域50处的成形件30上；数码相机14，数码相机14被构造成使成形件30上的光图案成像；以及计算系统16，计算系统16被编程，以投射光图案，获取图像并且确定所获取图像的3D廓形。更具体地，计算系统16可被编程，以执行本文中描述的任何方法。
[0016]在完全固化之前，即，部件20处于未固化和/或部分固化的状态下，未固化的纤维增强型复合部件20是纤维增强型复合结构。示例纤维增强型结构包括航空结构和/或组分、飞行器、机架、机身、机翼、翼型、转子叶片、风轮机结构和/或组分、汽车结构和/或组分、船艇结构和/或组分、和/或任何其它的纤维增强型复合结构。系统10可被构造成检查和/或检测相对大的部件20，例如，具有大于lm2(平方米)、大于2m2、大于5m2、大于10m2、大于20m2、大于50m2、小于100m2、小于50m2、小于20m2和/或小于10m 2的表面区域的部件20。部件20通常是由至少一个叠层、层和/或薄片形成的层压结构。每个叠层、层和/或薄片可包括至少一个纤维片(即，纤维增强型材料的条、片材和/或丝束)。部件20可包括纤维片的至少一个带子和/或层次(course)。由叠层、层、薄片、纤维片、带子和/或层次构成的部件20可较薄，例如，厚度小于20mm、小于10mm、小于6mm、小于5mm、小于3mm、小于2mm、/J、于 1mm、/J、于 0.5mm、/J、于 0.2mm、/J、于 0.1mm、/J、于 0.05mm、大于 0.01mm、大于 0.02mm、大于0.05mm、大于0.1mm、大于0.2mm、大于0.5mm、大于1mm、大于2mm和/或大于5mm。纤维片可相对较窄，例如，宽度小于40mm、小于20mm、小于10mm、小于6mm、小于5mm、小于3mm、小于2mm、小于1mm、大于1mm、大于2mm、大于5mm、大于10mm、约3mm、约6mm和/或约13mm。
[0017]纤维增强型材料包括诸如碳纤维、玻璃纤维和/或聚酰胺纤维的增强纤维。纤维可采取丝束、编织组织、针织物、织物和/或毡的形式。纤维增强型材料可包括诸如环氧树月旨、热固性材料和/或热塑性材料的树脂。当纤维增强型材料包括树脂时，它可被称为预浸料。
[0018]系统10可包括成形件30。成形件30是随着部件20的形成、固化和/或涂饰而为未固化的纤维增强型复合部件20提供表面形状的结构。例如，成形件30可被构造成便于制造部件20。成形件30可包括和/或可以是芯棒、模具和/或工具。此外，成形件30可至少部分地覆盖有和/或可包括部件20的至少一部分(例如，部件20的未固化纤维片的一个或多个叠层、层次、层和/或薄片)。检查区域50与成形件30的至少一部分关联。一般情况下，检查区域50是成形件30的表面区域，所述表面由成形件30限定(可包括部件20的至少一部分)。
[0019]系统10可关联于和/或可包括AFP机器40。另外地或替代地，AFP机器40可被构造成将未固化的纤维增强型复合材料(例如，纤维片)分层堆放在成形件30上和/或检查区域50内。
[0020]系统10的光投射器12被构造成将光图案投射到成形件30上的检查区域50上。光投射器12可包括灯、LED、激光器、衍射分束器、衍射光学元件和/或激光扫描器。被投射的光图案是被构造成由数码相机14检测的图案。光图案是高对比度图案，由于亮度、频谱(例如，颜色)和/或偏光变化而使图案各区域之间具有对比度。光图案可以是规则(例如，重复的)图案、非规则图案、随机(例如，随机或伪随机)图案、图像、斑点阵列和/或网格。光图案可在一个和/或两个维度之中重复。如本文中使用的，光指的是紫外线、可见光和/或红外线区域内的电磁辐射。高对比度图案可具有局部和/或全局的高对比度分辨率(最大亮度和最小亮度之间的差与平均亮度的比值)。合适的高对比度分辨率包括大于0.5、大于0.8、大于1、大于1.2和/或大于1.5。
[0021 ] 一般情况下，光图案包括由暗淡的斑块界定的明亮的斑块，但是在一些实施方式中，暗淡的斑块可由明亮的斑块界定。光图案内的非圆形斑块、斑点、小点和/或其它光结构至少具有主要尺寸和较小尺寸。对于圆形结构，主要尺寸和较小尺寸是相同的。主要尺寸是包围光结构的界定框(即，矩形)的最长尺寸。较小尺寸是界定框的最短尺寸。光结构在光图案内的平均较小尺寸可小于(并且可选地基本小于)未固化的纤维增强型复合部件20的未固化纤维片(例如，条、片材)的宽度。例如，平均较小尺寸可小于12_、小于10mm、小于7mm、小于5mm、小于3mm、小于2mm、小于1mm、大于1mm、大于2mm、大于3mm、大于5mm、大于7mm、大于10mm和/或大于12mm0
[0022]无论图案的形式如何，光图案都被构造成照亮检查区域50处的表面(例如，成形件30和/或在成形件30上至少部分地分层堆放的复合材料20)。而且，光投射器12和/或光图案可被构造成重复地复制检查区域50处的相同图案(例如，每次3D廓形测量均投射相同的光图案)。另外地或替代地，光投射器12可被构造成投射具有确定性差异的不同的光图案。
[0023]系统10的数码相机14被构造成当由光投射器12照亮时使检查区域50成像。系统10可包括一个或多个数码相机14。每个数码相机14均被构造成获取检查区域50 (可包括成形件30和/或部件20)的2D (二维)图像，即，每个数码相机14的视场均涵盖检查区域50，并且每个数码相机14均聚焦于检查区域50上。数码相机14可包括电子图像传感器(诸如CMOS传感器和/或(XD传感器)和透镜。而且，数码相机14被构造成响应于由光投射器12投射到检查区域50上的光图案，例如，透镜和图像传感器对来自光图案的光敏感。
[0024]在系统10包括一个数码相机14的情况下，数码相机14被构造成在检查区域50和/或成形件30的不同视角(S卩，不同观察点)之间移动。对于包括两个或更多个数码相机14的系统10，每个数码相机14均可被独立地构造成在不同视角之间移动。另外地或替代地，两个或更多个数码相机14可被构造成一起移动，随着数码相机14 一起移动而维持恒定的相对视角、间距和/或方位。在数码相机14被构造成移动的情况下，数码相机位置可被索引、跟踪和/或指示，和/或数码相机14的运动可自动化、被驱动和/或被指挥，以实现数码相机14的一致性重新定位。为了便于重复性运动、准