確保航空航天應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的完整性需要精心的設(shè)計(jì)、制造和檢查，以檢測(cè)在極端操作條件下可能傳播的任何缺陷。因此，無損檢測(cè)（NDT）包括各種可用于評(píng)估材料、部件或組件的性能，同時(shí)不影響其可用性分析技術(shù)，是一種必不可少的檢測(cè)技術(shù)。

 

圖1 印度Kineco Kaman復(fù)合材料公司使用定制的Fill Accubot超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，利用機(jī)器人技術(shù)、智能軟件和工藝優(yōu)化的最新發(fā)展，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供高度的測(cè)量自由度

借AS9100、Nadcap、ISO14001和 45001等認(rèn)證，以及與全球航空航天原始設(shè)備制造商Hindustan Aeronautics Ltd.（HAL，印度班加羅爾）和印度空間研究組織（ISRO，班加羅爾）的合作伙伴關(guān)系，飛機(jī)結(jié)構(gòu)制造商Kineco Kaman Composites India（KKCI，印度果阿）已經(jīng)建立了其在行業(yè)中的信譽(yù)，并正在其果阿工廠集成工業(yè)4.0技術(shù)。該計(jì)劃的一個(gè)重要部分是KKCI與機(jī)械工程公司Fill Gesellschaft（奧地利Gurten）合作開發(fā)用于自動(dòng)化無損檢測(cè)的定制系統(tǒng)。

 

圖2 位于印度果阿的KKCI擁有AS9100、Nadcap、ISO14001和45001認(rèn)證，并與全球主要航空航天原始設(shè)備制造商HAL和ISRO合作，其果阿工廠正在全面集成工業(yè)4.0技術(shù)

復(fù)合材料無損檢測(cè)的挑戰(zhàn)

在無損檢測(cè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)金屬相比，使用復(fù)合材料制成的零件面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)，這主要是由于它們的各向異性。例如，多重層壓板中的多種纖維取向、層層堆積和脫落、夾層結(jié)構(gòu)中的各種芯材等。KKCI在其航空航天應(yīng)用中使用先進(jìn)的復(fù)合材料，范圍從2D層壓板到多面3D結(jié)構(gòu)，通常使用CFRP預(yù)浸料制成，并使用帶有鋁蜂窩的整體或三明治鋪層方法設(shè)計(jì)，有時(shí)還使用 Nomex 芯。

該公司為印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星計(jì)劃（IRNSS）生產(chǎn)了10個(gè)雙螺旋天線，為L(zhǎng)VM3-M2/oneWeb India生產(chǎn)了設(shè)備艙護(hù)罩組件，ITSC閉合板，ITSC、LOX和LH2用于Chandrayaan-3任務(wù)LVM3-M4運(yùn)載火箭的鋼絲隧道和底板組件以及FSA外殼復(fù)合元件。最近，它為地球同步衛(wèi)星運(yùn)載火箭（GSLV）Mk-III生產(chǎn)了軌道模塊適配器（OMA）組件，這是ISRO載人航天任務(wù)Gaganyaan的關(guān)鍵部件。

 

圖3 KKCI負(fù)責(zé)為Chandrayaan-3任務(wù)LVM3-M4運(yùn)載火箭制造幾個(gè)關(guān)鍵部件;包括設(shè)備艙護(hù)罩組件、ITSC 閉合板、ITSC、LOX 和 LH2線徑和底板組件

這里提到的結(jié)構(gòu)在發(fā)射和再重返大氣層期間暴露在惡劣的條件下，例如機(jī)械應(yīng)變、大氣化學(xué)腐蝕、高水平輻射以及高海拔和外層大氣中的極端溫度。這些復(fù)合材料的制造過程要求從最初的生產(chǎn)階段到最終交付的每一步都具有精確度和準(zhǔn)確性，以確保最佳的質(zhì)量和性能。這些要求需要對(duì)傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法（如超聲波檢測(cè)、熱成像和射線照相）進(jìn)行專門調(diào)整，以檢測(cè)異物碎片（FOD）、分層、纖維錯(cuò)位和基體開裂以及其他典型的復(fù)合材料缺陷。

使用透射（TTU）或脈沖回波（PE）技術(shù)的超聲波檢測(cè)（UT）是用于檢測(cè)航空航天復(fù)合材料的最廣泛的無損檢測(cè)方法。它們采用高頻超聲波穿過組件，通常噴水作為聲波的耦合介質(zhì)。TTU采用兩個(gè)傳感器，分別放置在被測(cè)材料的相對(duì)兩側(cè)。其中一個(gè)換能器產(chǎn)生脈沖，另一個(gè)接收脈沖。脈沖中斷表明兩個(gè)傳感器之間的路徑存在缺陷。PE使用一個(gè)或多個(gè)換能器來發(fā)射、脈沖和監(jiān)測(cè)反射波或回波。與TTU一樣，數(shù)據(jù)被捕獲、記錄和分析，以識(shí)別、定位和測(cè)量缺陷。

對(duì)4.0技術(shù)的需求

“KKCI看到了對(duì)復(fù)合材料航空航天結(jié)構(gòu)的需求不斷增長(zhǎng)，以及對(duì)高精度制造和一致性的需求”KKCI董事長(zhǎng)兼董事總經(jīng)理Shekhar Sardessai說。“我們的戰(zhàn)略重點(diǎn)是工業(yè)4.0原則，如自動(dòng)化和智能集成，這與我們?yōu)槲磥碜龊脺?zhǔn)備的長(zhǎng)期立場(chǎng)是一致的。為了在航空航天、國(guó)防和太空領(lǐng)域開展我們感興趣的項(xiàng)目，KKCI認(rèn)識(shí)到提高無損檢測(cè)能力并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要性。”

 

圖4 IRNSS導(dǎo)航衛(wèi)星上的KKCI復(fù)合組件

KKCI的運(yùn)營(yíng)經(jīng)理Swapnil Mane強(qiáng)調(diào)，擁有強(qiáng)大的無損檢測(cè)能力至關(guān)重要，可以準(zhǔn)確檢測(cè)所有表面和內(nèi)部差異。“各種因素，如異物夾雜物、分層或孔隙率，都可能導(dǎo)致內(nèi)部缺陷的發(fā)展，”他說。“這些缺陷可能會(huì)在極端條件下傳播，可能會(huì)損害航空航天復(fù)合材料所需的規(guī)格。為了避免這種情況，KKCI需要改進(jìn)其無損檢測(cè)分析技術(shù)，以更準(zhǔn)確地評(píng)估其復(fù)合材料組件和系統(tǒng)的特性。

為了滿足這些要求，KKCI與Fill合作，F(xiàn)ill是一家先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)工程公司，為包括復(fù)合材料在內(nèi)的各種行業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)施自動(dòng)化系統(tǒng)。其結(jié)果是DRS Accubot系統(tǒng)的定制版本，用于自動(dòng)無損檢測(cè)。“該行業(yè)的自動(dòng)化無損檢測(cè)技術(shù)需要精確和剛性的機(jī)器人控制運(yùn)動(dòng)學(xué)，以沿著零件復(fù)雜的彎曲邊緣和表面引導(dǎo)相應(yīng)的臂端工具，”在Fill航空航天制造系統(tǒng)項(xiàng)目工程和銷售部門工作的Thomas Gramberger解釋道。“標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人并不是為了滿足這些要求而設(shè)計(jì)的，所以我們決定開發(fā)我們自己的產(chǎn)品，稱為Accubot。”

KKCI 特別選擇了水射流TTU Accubot系統(tǒng)。“水射流TTU是Fill檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)”Gramberger說，“這表明它在航空航天應(yīng)用中的有效性。Fill已經(jīng)為GKN Aerospace（英國(guó)雷迪奇）位于德國(guó)慕尼黑的工廠開發(fā)了這樣的系統(tǒng)，從而顯著提高了其無損檢測(cè)的生產(chǎn)率和可靠性。

Accubot設(shè)計(jì)

KKCI的Accubot系統(tǒng)配備了兩個(gè)在直線軸上工作的鉸接式機(jī)器人。它長(zhǎng)7米，寬2.5米，高4米，提供16個(gè)軸組合，包括兩個(gè)獨(dú)立的電夾俳伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌。雙機(jī)器人可以獨(dú)立工作，也可以協(xié)同工作，提供廣泛的操作。該檢測(cè)系統(tǒng)專為水射流A-Scan和C-Scan檢測(cè)而設(shè)計(jì)，由于其脈沖重復(fù)頻率為4千赫茲，因此可以以2,000毫米/秒的速度運(yùn)行。

 

圖5 KKCI的Accubot系統(tǒng)可用于檢測(cè)大型航空航天結(jié)構(gòu)

“Accubot利用機(jī)器人技術(shù)、智能軟件和工藝優(yōu)化方面的最新發(fā)展，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)提供高度的測(cè)量自由度，”Gramberger說。該系統(tǒng)采用雙六軸史陶比爾（瑞士Pfäffikon）TX200L機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)系統(tǒng)，與西門子（德國(guó)慕尼黑）Sinumerik CNC控制器集成在一起。此外，F(xiàn)ill還在機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)軸上安裝了輔助旋轉(zhuǎn)編碼器，以確保始終如一的高精度——Accubot擁有<0.3 mm的絕對(duì)定位精度。

Gramberger解釋說，它通過使用輔助編碼器和基于高階運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的復(fù)雜補(bǔ)償技術(shù)的組合來計(jì)算控制器的實(shí)時(shí)插值周期。此設(shè)置可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置補(bǔ)償功能，并由使用激光跟蹤儀的附加校準(zhǔn)系統(tǒng)錨定。

每個(gè)機(jī)械臂的末端都安裝了一個(gè)額外的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的附件，完全集成到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)鏈中。這種“主動(dòng)工具”可以有效地充當(dāng)更小、更靈活的手指，旨在促進(jìn)在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人難以到達(dá)的狹小空間內(nèi)對(duì)小空腔、復(fù)雜幾何形狀零件和輪廓狹窄角度進(jìn)行全面掃描，從而顯著增加系統(tǒng)的操作范圍。此外，Accubot系統(tǒng)還可以針對(duì)2D或 3D檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行配置。

 

圖6 “主動(dòng)工具”的功能更小、更靈活，可在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人會(huì)發(fā)生碰撞的狹小空間內(nèi)對(duì)具有復(fù)雜幾何形狀、窄角度和小腔體的復(fù)雜零件進(jìn)行徹底掃描

雙頻與數(shù)字孿生

Accubot的控制電子設(shè)備由Force Technology（丹麥布倫德比）提供。該設(shè)備集成了基于該公司的Force-P-Scan PSP-5軟件的八個(gè)超聲波通道。它使Accubot具備執(zhí)行雙頻檢測(cè)的能力，使其能夠在單次掃描期間同時(shí)以1 MHz的分辨率運(yùn)行，分辨率高達(dá)120分貝，以5 MHz的分辨率運(yùn)行，同時(shí)運(yùn)行高達(dá)115分貝的分辨率。這使得它在處理不同密度的材料方面具有高度的通用性。

Fill Studio軟件環(huán)境使用專門的路徑規(guī)劃算法管理自動(dòng)掃描。它可以與基于工業(yè)4.0廣泛使用的MQTT、OPC和UA標(biāo)準(zhǔn)的各種工廠級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行通信。該軟件包括整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，支持機(jī)器運(yùn)行期間機(jī)器人的離線編程，并提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面。數(shù)字孿生通過在檢測(cè)運(yùn)行時(shí)執(zhí)行周期時(shí)間分析和防撞來確保機(jī)器利用率最大。

工藝流程需要訓(xùn)練Accubot系統(tǒng)以識(shí)別工作單元內(nèi)的零件。接下來是使用零件CAD文件的離線編程（OLP）。接下來，將OLP程序加載到Fill Studio中，并在P-Scan中配置必要的UT參數(shù)設(shè)置，以生成零件檢測(cè)的最終配方。此外，每個(gè)機(jī)器人都可以執(zhí)行單獨(dú)的獨(dú)立任務(wù)，然后集成以執(zhí)行后續(xù)的TTU檢查。Fill Studio自動(dòng)協(xié)調(diào)每個(gè)機(jī)器人之間的資源，使一個(gè)機(jī)器人能夠在另一個(gè)機(jī)器人完成任務(wù)后立即開始其自動(dòng)化協(xié)作工作。

 

圖7 KKCI選擇將Accubot系統(tǒng)用于水射流TTU，這是一種用于檢測(cè)航空航天復(fù)合材料的無損檢測(cè)技術(shù)

TTU檢測(cè)完成后，數(shù)據(jù)將進(jìn)入評(píng)估階段，F(xiàn)ill的技術(shù)合作伙伴Testia（法國(guó)圖盧茲）使用其NDTkit UT軟件進(jìn)行評(píng)估和報(bào)告。NDTkit UT完全符合空中客車公司的要求，并提供孔隙率評(píng)估和SNR（信噪比）計(jì)算和閾值確定，符合波音標(biāo)準(zhǔn)BAC 5980的定義。

提高KKCI的無損檢測(cè)效率和生產(chǎn)力

自2023年初安裝以來，KKCI的Fill Accubot 系統(tǒng)提高了公司的檢測(cè)能力，并顯著縮短了整體組件生產(chǎn)周期時(shí)間。KKCI報(bào)告說，與以前的生產(chǎn)和評(píng)估方法相比，有助于將生產(chǎn)效率提高20%

KKCI為太空任務(wù)計(jì)劃委員會(huì)進(jìn)行了Accubot NDT系統(tǒng)的試驗(yàn)。該測(cè)試是在與ISRO合作的Vikram Sarabhai航天中心（VSSC）Gaganyaan項(xiàng)目的GSLV Mk-III的OMA組件上進(jìn)行的。該系統(tǒng)用于驗(yàn)證直徑為4米的錐形CFRP夾層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與機(jī)加工的金屬環(huán)集成在一起，具有嚴(yán)格的公差。OMA組件在Mk-III中起著至關(guān)重要的作用，充當(dāng)機(jī)組人員逃生模塊和設(shè)備艙護(hù)罩之間的適配器。

 

圖8 Mk-III航天器由幾個(gè)部件組成，包括這里顯示的OMA，它是連接機(jī)組逃生艙和設(shè)備艙護(hù)罩的最關(guān)鍵部件之一

Sardessai說：“在實(shí)施Accubot之前，類似于我們使用VSSC進(jìn)行的檢查需要40多個(gè)小時(shí)，而使用Accubot，檢查時(shí)間減少到大約 7 小時(shí)。“這種效率的提高證明了該系統(tǒng)在簡(jiǎn)化航空航天復(fù)合材料檢測(cè)方面的有效性。該系統(tǒng)不僅提高了時(shí)間效率和準(zhǔn)確性，而且以最少的人為干預(yù)做到了這一點(diǎn)。

安裝在KKCI的Accubot系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，使KKCI能夠在未來整合其他檢測(cè)模式，例如激光激勵(lì)聲學(xué)檢測(cè)和熱成像，而無需進(jìn)行大量修改。根據(jù)Sardessai的說法，KKCI有一些重要的項(xiàng)目正在籌備中，這些項(xiàng)目確實(shí)需要這種能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)該系統(tǒng)的投資價(jià)值。Accubot系統(tǒng)的效率提升符合KKCI的計(jì)劃，即在不久的將來促進(jìn)更多的Tier 1和OEM復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造并實(shí)施 ISO 45001。

Gramberger總結(jié)道：“在復(fù)合材料航空航天結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)過程中集成Accubot C掃描和A掃描數(shù)據(jù)是提高零件質(zhì)量、可追溯性、效率和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策的有效措施。由于Accubot系統(tǒng)非常精確，并且可以適應(yīng)各種檢測(cè)類型，因此它現(xiàn)在是KKCI無損檢測(cè)未來不可或缺的一部分。這意味著他們的程序具有更高的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性，同時(shí)確保其復(fù)合材料組件的安全性和完整性。

原文鏈接：

www.compositesworld.com/articles/measuring-energy-use-to-enable-sustainable-composites-production