用于檢測和測量復合材料中間隙和搭接的方法及裝置制造方法及圖紙

一種電子掃描器，具有光源和光傳感頭，經電纜與計算機連接。掃描器頭檢測來自復合材料表面的反射光并產生該表面的電子圖像。現有的軟件驅動器判讀掃描器的輸出以產生電子位圖圖像。然后顯示電子圖像以便間隙容易看見。電子圖像還被分析，以確定搭接和間隙的出現，還可測量間隙寬度，測量顯示器上各點之間的距離，和確定由纖維材料覆蓋的表面的百分比。電子圖像也可以被存儲以便以后分析。（*該技術在2017年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及檢測和測量復合材料敷層表面的間隙和搭接的方法及裝置。復合材料越來越多地應用于需要高的強度重量比的多種產品的制造過程中。復合材料是一種由兩個或多個具有不同類型的強度或彈力的成分組成的材料。例如，把具有高拉伸強度的碳纖維嵌入到環氧樹脂中。這種結合產生了可以形成為多種形狀并且強度比均等的鋼高許多倍的材料。在典型的復合材料制造過程中，碳或其它纖維的許多長纖維束(strand)從線軸拉出并伸直，以使它們平行。然后把平行的纖維帶加到并按到一加熱的表面并用環氧樹脂來保持定位。由于這樣產生的復合材料在纖維伸展的方向強度最強，因此在復合材料制造工藝中要加入若干層纖維。在這種成層或分層工藝中，加入多層合成纖維的方式是使得在后續層中的纖維相對前一層中的纖維為沿橫向伸展從而產生在每個方向強度都高的材料。一旦這種復合物被形成，它就在干燥器或熱壓器中進行熱固化，產生剛性結構。盡管這種合成分層處理在生產強度高重量輕的材料方面非常有效，但在制造處理中會出現影響所得材料強度的問題。首先，在加至表面的碳纖維之間會出現間隙。當生產具有許多彎曲處、折疊或曲線的復合器件時這種間隙特別容易出現。明顯尺寸間隙的存在會減弱在間隙的區域中的所述復合材料的強度。當上述區域的附近有多個縫隙時，則這種減弱作用組合在一起。同樣地，原打算鄰近和平行的纖維可能相互重疊。重疊的纖維，或“搭接(laps)”也產生了減小強度的區域。搭接的存在甚至比縫隙的存在更糟。由于纖維在熱處理過程期間擴展，小于一定大小的間隙隨著纖維擴展和相互位移將會被填充。然而，搭接在熱處理過程期間可能變得更壞。重疊的纖維將保留在原處，而且在固化過程期間隨纖維的擴展而伸展。因此，一個搭接在該搭接周圍的復合材料中產生了薄弱區域。為了避免制成的材料中的薄弱區域，纖維的每一層必須檢查其搭接和間隙。典型的作法是，檢查員用眼睛檢查復合材料以尋找搭接和間隙。這是一種特別易出錯的乏味處理過程。因為纖維和間隙都很小，必須使用放大鏡去尋找間隙和搭接。此外，由于碳纖維是黑的，當間隙或搭接下面的纖維也是黑色時，用眼睛發現纖維頂層中的間隙或搭接尤其困難。此外，精確測量纖維間間隙的尺寸是很難的，因而確定被辨別的間隙是否大到足以造成問題是很困難的。當復合材料被制造得很大時這些問題攪在一起。搜索大復合材料表面的檢查員易于疲勞和眼睛使用過度并且可能遺漏明顯的搭接和間隙。本專利技術提出了一種用于檢查復合材料表面以發現纖維中像搭接和間隙那樣的瑕疵的簡易和有效的方法和裝置。在優選實施例中，使用通常用來數字化文件的電子掃描器從要檢查的表面上經過。掃描器包括一個掃描頭，它具有照射復合材料表面的光源和檢測反射光的光傳感部分或檢測器。通過沿纖維方向掃描表面，檢測出表面層中存在的間隙和搭接。這種方法能夠定量確定搭接或間隙的尺寸和相鄰的搭接或間隙之間的距離，以便制造者可以確定合成材料是否因為搭接或間隙的存在而被明顯地減弱強度。根據本專利技術的另一方面，光學掃描的表面圖像以間隙和搭接能夠觀看的方式被顯示。在優選實施例中，掃描圖像在計算機終端顯示器中作圖形顯示。根據本專利技術的再一方面，搭接或間隙的尺寸可以在顯示器上確定和表示。同樣地，表面上的搭接或間隙與其它搭接、間隙，或其它點間的距離可以被確定和顯示。根據本專利技術的又一方面，可以調整掃描分辨率，以適應纖維尺寸和可能的間隙寬度的范圍。根據本專利技術的又一方面，為了以后的顯示或分析，掃描圖像和搭接及間隙數據可以存儲在存儲器中。同樣地，圖像或代表圖像的數據可以從存儲器中取出以分析搭接或間隙的圖像。根據本專利技術的再一方面，可以分析掃描的圖像，以確定由最上層的纖維覆蓋的表面區域的百分率。通過下面的參照附圖的詳細說明將會更容易地更好的理解本專利技術的上述方面和由此帶來的優點。附圖說明圖1是根據本專利技術的搭接和間隙檢測裝置的頂視透視圖；圖2是圖1的搭接和間隙檢測裝置各部件的方框圖；圖3A是具有在表面層中呈現的間隙的復合纖維材料的兩個層的頂視平面圖；圖3B是光學掃描器所觀看的圖3A的復合層的頂視平面圖；圖4是本專利技術的由光學掃描器確定的用于存儲掃描的像素值的原始數據陣列的圖像；圖5是說明用于掃描和顯示復合敷層(lay-up)材料的整體邏輯的流程圖；圖6是說明用于把選擇的掃描行轉換為二值表示的邏輯的流程圖；圖7是示例的像素間隙數據陣列；圖8A是示例的寬度數據陣列；圖8B是示例的合成寬度數據陣列；圖9是說明用于產生寬度數據陣列的邏輯流程圖；圖10是說明用于產生合成的數據陣列的邏輯的流程圖；圖11是示出三束纖維的掃描顯示的放大圖像；圖12是說明用于確定纖維覆蓋率百分比的邏輯的流程圖。參見圖1，根據本專利技術的構成的搭接/間隙檢測器一般由標號10表示。包含具有光源和光傳感部件的掃描頭13的電子文件掃描器12經電纜14與一般的傳統臺式或筆記本計算機16連接。圖2示出了計算機16的一些關鍵部件。盡管本領域的普通技術人員知道計算機16包括比圖2所示的部件更多的元件，但實施本專利技術的優選實施例的公開不需要去示出所有的這些普通傳統部件。CPU20經總線32與ROM(只讀存儲器)22和RAM(隨機存貯存儲器)24連接。CPU20響應在ROM中存儲的和在RAM中暫時存儲的程序指令。計算機16還包含像硬盤驅動器、軟盤驅動器或其它存儲介質那樣的存儲部件26。鍵盤28和指示器29經總線32與CPU20連接。指示器29是通過與顯示器30配合使用戶能夠指令CPU的鼠標、跟蹤球或其它的裝置。根據本專利技術，CPU被編程以處理由掃描器12提供的數據，掃描器12經總線32也與CPU連接。由CPU處理的數據也在顯示器30上顯示并存儲在存儲裝置26中以備以后使用。可以根據本專利技術進行搭接和間隙掃描和分析的合成分層材料在圖3A中示出。復合材料的下層由放入環氧樹脂中的許多纖維41構成。對于航空器飛行控制翼面或整流罩來說，通常該纖維層41約1/8英寸厚。每一層上的纖維41同時在一平行條(band)加入若干纖維。盡管任意數目的纖維41可以同時被施加，但它們經常按12、24或32個纖維束的條來施加。類似地，是從帶(tape)的條而不是從平行纖維的帶來構成復合敷層。復合材料的表面層42放置在下層40的上面，這樣使表面層42的纖維與下層的纖維41相比橫向地伸展。盡管圖3A只示出了兩個層，但本領域的技術人員將會認識到按照本專利技術可以使用任何數目的層。盡管在理想的情況下每一層中沒有間隙，但圖中示出了表面層42含有兩個間隙44、46。肉眼可看到間隙44、46但發現它們很困難，這是因為這些間隙很小而且復合材料的每層是黑色的。這樣，根據本專利技術，掃描器12的掃描頭13以基本平行于表面層42的纖維41的方向掃過表面層42，以形成復合材料的表面的電子圖象。該掃描器產生把表面分成柵格的電子信號，這種格柵形成了被掃描的表面的電子圖象。每個單獨的柵格元素，或像素由一個相對掃描頭13檢測的反射光強的值表示。當掃描器頭13的光照亮表面層纖維41時，大部分光被反射離開掃描器或被表面層42的纖維41吸收，使得表面層42呈現黑色(很少一點或沒有反射光被檢測到)。已經發現經間隙44、46從下層40反射有更多的反射光被檢測到。這樣，通過以基本平行于纖維41的方向進行掃描，當掃描器遇到間隙時掃描器輸出具有較高的光本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種確定復合材料的纖維之間的搭接和間隙的出現的方法，包括以下步驟： （ａ）照亮復合材料的表面； （ｂ）用電子掃描器掃描該復合材料的表面以形成該表面的電子圖象，其中，該表面的圖像被分割成若干像素，每個像素具有相對于在掃描表面的對應部分時檢測的反射光強的亮度值；和 （ｃ）顯示該表面的圖像以便使搭接和間隙可視。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：簡S孔茨，羅伯特E克蘭菲爾，
申請(專利權)人：波音公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]