超聲波檢測和無損檢測的創新
超聲波檢測
除了用于高速航空航天生產的傳統超聲波檢測方法外，Arcadia aerospace Industries（AAI）還專門為許多無損檢測（NDT）過程提供定制解決方案。
碳纖維復合材料在航空航天應用中的應用不斷發展。最初作為金屬的替代材料，主要用于輕量化，現在已成為越來越復雜的結構部件的首選材料。隨著越來越多的結構部件由復合材料制成，電動垂直起降(eVTOL-electric vertical takeoff and landing)飛機等新型飛機正在接近鑒定，質量測試需求也在不斷發展，無損檢測(NDT-nondestructive testing)必須跟上新部件和生產率的增長。
什么是無損檢測？
無損檢測是指在不損壞結構的情況下，用 于評估復合材料的性能、完整性和質量的各種技術。復合材料的無損檢測方法包括超聲波檢測、X 射線檢測、熱成像、目視檢測等。
Arcadia Aerospace Industries LLC（AAI，Punta Gorda，美國佛羅里達州）由 Charles Bushman 于 2007年創立，旨在解決他所認為的航空航天行業的差距：對越來越多由碳纖維制成的越來越復雜的航空航天部件進行自動無損檢測。
該公司從波音公司開始，使用相控陣超聲波檢測（UT-ultrasonic testing）來檢測剪力筋。這成為了與其他航空航天公司發展其他關系的催化劑，包括 GKN aerospace、 HondaJet 和 GE，Arcadia 由此迅速發展。在為航空航天建立傳統 UT 服務的基礎業務的同時，該公司看到了幫助客戶解決日益增長的復雜幾何形狀航空航天組件測試需求的機會。
AAI 無損檢測主管拜倫·萬斯表示：“當我在 80 年代初剛開始從事該行業時，你看到的許多復合材料（航空航天）零件之所以被選中，主要是因為它們減輕了重量——它們被用于管道和許多非結構部件。”。“今天，我們對這些復合材料如何處理動態載荷情況有了更多的了解。”
AAI 副總裁杰弗里·菲利普斯對此表示贊同。“這個行業似乎存在差距，尤其是缺乏以客戶為中心的定制解決方案，無論是檢查還是設備。”
如今，AAI 主要履行三項業務職能。一是提供第三方獨立無損檢測服務。客戶可以選擇將零件送往該公司位于塔拉塞的阿拉巴馬州實驗室，根據其規格提供檢查服務，或者 AAI 可以派出技術人員進行現場檢查?？傮w而言，AAI 專業的解決方案或檢查方法包括常規超聲檢測（UT-ultrasonic testing）、相控陣超聲、空氣耦合超聲、X射線（便攜式和機器人）、渦流檢測（ETC-eddy current testing）和熱成像。
該公司還為航空航天行業的大型主承包商和次級承包商設計定制的無損檢測解決方案和系統，其內部無損檢測部門需要自動化設備。最后，AAI 為有興趣建立無損檢測部門的客戶提供咨詢服務。
菲利普斯說：“隨著零件變得越來越復雜，對定制系統的需求也在增加。”。“這正是我們能夠在行業中有所作為的地方——我們以客戶為中心，為系統提供定制的解決方案。”
10 軸多頻機器人檢測
AAI 的機器人 x，y，z 電橋和雙塔 x，z 機器人掃描系統是專門為復雜輪廓的航空結構設計的。
01專注于定制
AAI 的解決方案是在其位于佛羅里達州蓬塔戈爾達的工程總部開發的，這是一個 34000 平方英尺的制造空間，該公司在這里為客戶設計、建造和調試所有定制機械。同樣的專業知識使 AAI 能夠在阿拉巴馬州提供專業服務，該公司專注于為高速航空航天項目提供超聲檢測（UT-ultrasonic testing）服務。
AAI 提供無損檢測服務和構建檢測解決方案的能力是該公司的獨特之處之一。菲利普斯說：“我們知道批量檢查零件需要什么，當我們的客戶對不同的方法有特殊需求時，我們在制造方面有經驗。”
常規、相控陣和空氣耦合 UT*
UT 的工作原理是將高頻（0.5-25 兆赫）能量波發送到層壓板中或通過層壓板。主要方法是脈沖回波，它測量用同一探針發送和接收的反射波，以及通過傳輸(TTU- through transmission)，它使用發射器探針發送波通過層壓板厚度，并使用接收器探針在另一側測量波（見“復合材料制造商可用的無損檢測方法”）。脈沖回波僅限于發現第一個缺陷，但擅長定義缺陷的深度。TTU對小缺陷不太敏感，但可以通過聲音路徑內的零件看到所有缺陷。
它可以提供缺陷的大小和位置，但不能提供深度。相控陣 UT 可以顯著減少檢查時間，同時提供對小缺陷（包括位置和深度）的色檢測。相控陣探頭使用排列在單個外殼中的多個換能器元件。通過以稍微不同的時間間隔發射元件，聲波可以被聚焦（深度）或轉向（左、右或成一定角度）到特定位置。探針通常有 32 或 64 個元件，例如，后者的尺寸為40×25 毫米，盡管尺寸各不相同，但長度通常低于 100 毫米。也可以使用具有128 個元件的較大探針，但沒有廣泛使用?？諝怦詈?UT 不像所有其他 UT方法那樣需要水、凝膠或其他耦合劑，但通常在分辨率和可以看到的缺陷方面也有局限性。浸泡在水箱中也是一種廣泛使用的 UT 系統配置，可以提高掃描圖像的清晰度，但不應與夾層結構一起使用，例如，這可能需要較長的掃描時間。
*本節摘錄自 Abaris Training Resources 開發的第二版“高級復合材料制造和修復要點”教材。
02為復雜結構定制
盡管需要注意的是，航空航天界制造的大多數復合材料部件通常需要通過傳輸或脈沖回波檢查，但對靈活的開箱即用解決方案的需求越來越大。對于具有復雜幾何形狀的零件，例如已經 3D 打印的零件，尤其如此。
拜倫·萬斯強調：“在許多情況下，客戶正在尋找傳統超聲波的補充，在某些情況下需要一種新技術。”
為了開發這些產品，AAI 通常從為客戶檢查各種零件開始，以確定什么是最佳的檢查解決方案。工程項目經理馬克·蒲柏表示：“隨著零件越來越復雜，我們發現越來越多的傳統 UT 并不能為其目錄中的每個零件提供答案。”。“在這種情況下，我們會擴展到不同的檢查技術，并進行測試過程——通常是通過放入報廢部件并對其進行不同的測試研究，驗證我們是否能看到所有缺陷，并確定哪種方法最快。”
雙機器人
AAI 的 16 軸雙塔 x，z 機器人檢測系統具有執行光學檢測的能力，傳統的通過傳輸/脈沖回波和相控陣進行檢測。
03輪廓零件掃描功能
AAI 在阿拉巴馬州的工廠擁有兩個 10 軸龍門系統、一個雙機器人系統和一個雙機械手 x、y、z 塔架系統。這四個系統既可以容納大型組件，也可以容納小型組件。
拜倫·萬斯說：“很多（公司）都有可以進行平板掃描的掃描儀，但不是每個人都能做到將具有復雜輪廓的零件放入其中并進行掃描并保持適當的掃描幅度。”。“但這是我們做得很好的事情。”
AAI 阿拉巴馬工廠的 10 軸龍門架系統和/或雙機器人 x、y、z 塔架系統能夠掃描傳統水平掃描儀難以處理的大型航空航天零件。例如，它用于檢查 HondaJet 飛機的整個機身。該機身分為兩半，每一半將機頭（蜂窩夾層結構）、機筒（帶共固化桁條的加筋板）和尾錐（蜂窩夾芯結構）組合成共固化整體結構。但是，在連接兩半之前，必須對每一半進行檢查。
馬克·蒲柏描述了這臺機器：“我們使用一個運動控制器，可以非常準確地協調機器的兩側，這樣我們就可以跟蹤部件的兩側，并通過傳輸和脈沖回波檢查同時創造高質量。”
AAI 的系統能夠執行脈沖回波和透射超聲（TTU- through-transmission ultrasonic）C 掃描檢查。雖然 TTU 通常提供大量數據，包括整個零件的彩色空間圖，指示缺陷的位置和相對嚴重程度，但也有不起作用的情況。例如，在具有芳綸蜂窩的結構中，高度衰減的芯防止看到第二表層。核心以外的任何缺陷都不可見。AAI 的系統提供了一種解決方案，它可以同時使用零件兩側的脈沖回波進行掃描。
任何頻率組合都可以用于 AAI 的任何系統。典型地，AAI 將使用 1 兆赫和 5 兆赫的組合，其中 1 和 5 兆赫用于直通傳輸，5 兆赫僅用于脈沖回波。直通傳輸的好處是能夠掃描更厚、密度更低的材料，同時允許訪問零件的兩側。加上回聲允許訪問一側。
AAI 還可以在 1 兆赫和 5 兆赫的頻率下同時進行 C掃描檢查。根據應用要求，可以集成其他頻率。馬 克·蒲柏解釋說，測試過程通常包括對零件的層壓部分運行一個頻率，然后對其他部分（例如增強型芯部分）以不同的頻率再次運行零件。多頻率系統提供了同時掃描零件的不同方面并在多個通道上收集信息的能力。馬克·蒲柏指出，這可能會產生巨大的影響，尤其是當有時運行更大的部分可能會占用整個班次時。
拜倫·萬斯說：“我們有能力在不拆卸裝置或工具的情況下更換封頭，從一種完整的檢測方法轉變為一種完全不同的無損檢測方法。這非常節省時間，有時甚至需要幾天時間。”
機器人手腕上的工具更換器的好處使技術人員能夠在幾秒鐘內從一種無損檢測方法轉換到另一種，大大提高了系統的效率。
通用零件車可用于容納多種幾何樣式，并在一次檢查中容納多個零件。如果需要，AAI 有能力制造定制夾具，以正確定位復雜零件。
AAI 在各種系統中使用相控陣 UT，包括浸沒槽和平面和曲面相控陣探頭。它可以自動檢測，提供對包含半徑、角度變化和曲率的多維復合材料部件的一次掃描，實現高吞吐率。例如，其帶有 64 元件相控陣換能器的噴射器系統幫助該公司顯著減少了一個零件的檢查時間。馬克·蒲柏說：“使用傳統 UT 進行檢查通常需要 40 分鐘。”。“但有了這個相控陣系統，我們只需要 3 分 20 秒就可以檢查這個部件。”
AAI 的相控陣功能允許對復雜零件進行多維一次掃描。
快速更改功能可提高效率。
04復雜零件案例歷史:GKN和HondaJet
AAI 為行業帶來的一個很好的例子是它與 GKN 航空航天公司（美國阿拉巴馬州塔拉塞）的合作。AAI 為 GKN 為西科斯基、空中客車、通用電氣、本田噴氣式飛機和幾個導彈項目生產的產品提供無損檢測服務。GKN 復合航空航天材料（國防）全球經理保 羅·赫爾利表示，GKN 與 AAI 之間的關系始于幾年前，當時吉凱恩位于阿拉巴馬州塔拉塞的工廠無法對其為 HondaJet 生產的大型機身進行無損檢測。保羅·赫爾利說：“GKN 和 AAI 之間的合作關系使GKN 能夠在現場開發和維護這種能力。”。它還從一個項目中為一個產品提供無損檢測，發展到以每月約 1000 個零件的速度為五個項目提供檢測。
保羅·赫爾利補充道，利用 AAI 的無損檢測使 GKN 能夠專注于其在復合材料航空航天結構設計、工程和制造方面的核心競爭力。“AAI 能夠為 GKN 開發高度自動化的解決方案，以滿足客戶對材料測試的要求。此外，AAI 還與 GKN 合作，在我們位于阿拉巴馬州的航空航天制造工廠內引入先進的機器人技術。這是一種真正的合作伙伴關系，我們可以從中受益，讓每家公司專注于其核心能力，支持共同的事業。“
05一個行業的演變
對于航空航天業來說，這是一個有趣的時刻。復合材料現在被廣泛用于飛機項目，并越來越多地用于結構應用。它們已經被許多先進的空中交通公司選中，與汽車公司的合作表明了高速生產 eVTOL 和其他新飛機的雄心勃勃的計劃。所有這些趨勢將反過來影響商業航空航天的生產過程。馬克·蒲柏指出了粘接和焊接而不是使用緊固件的趨勢，這帶來了檢查方面的挑戰，尤其是查看接口和正確焊接接頭的能力。
拜倫·萬斯從零件設計的角度講述了這一演變，并將檢查作為生產過程的一部分。他說：“在過去，當我剛開始從事工程設計時，你會設計一個零件，建造它，然后嘗試制定一個檢查計劃。”。“現在，很多規劃都是在這些部件的前期設計中完成的。”
隨著航空航天市場的不斷發展，提高效率至關重要，AAI 已準備好通過解決無損檢測挑戰、提供用于檢測復雜零件的定制解決方案和提高吞吐量來滿足這些需求，有時檢測時間縮短 8-10 倍。
此外，GKN 指出，從改進檢查中吸取的經驗教訓有助于推動行業向前發展。保羅·赫爾利說：“AAI 在航空航天材料測試要求方面日益增長的專業知識也轉化為對 GKN 多個項目的更好支持。”。“最終，我們的客戶可以依靠 GKN 和 AAI 進行精確可靠的測試，確保按時交付高質量的產品，并提供適當的文件以防止任何不合格。從 AAI 收到的無損檢測信息使 GKN 工程團隊能夠通過內部和外部檢查，精確地討論 GKN 產品的材料特性分區團隊。顯然，工程師有價值更好地了解各種材料特性（即孔隙率、固化特性等），使他們能夠轉換這些信息，以便根據客戶規范改進零件設計和制造過程。”
AAI 因其在支持行業方面的作用而蓬勃發展。菲利普斯總結道：“我們不是在開發新的無損檢測技 術。我們所做的是集成所需的技術，并以創新的方式將其應用于客戶的問題——工具更換、多種無損檢測方法、適合特定應用的機器配置。這是我們的集成能力，我們跟上最新技術的能力和我們的能力定制真正使我們在行業中脫穎而出的產品。”
注：原文見《 Innovation in ultrasonic inspection and nondestructive testing 》2023.12.27
楊超凡 2024.1.4
