CN107923828A - 使用直接应变成像进行非破坏性测试的工艺 - Google Patents
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Abstract
一种用于非破坏性测试的工艺包括将可光固化的染料施加到物品的表面上、选择性地固化表面上的可光固化的染料的点阵列、去除未被选择性固化的可光固化的染料、对物品进行机械测试和基于点阵列在机械测试期间对物品进行直接应变成像。
Description
技术领域
本申请要求在2015年8月24日提交的美国临时申请No.62/209,148的优先权。
背景技术
例如，机械应变测量常常针对材料测试而进行。在最基本的层面上，机械应变测量涉及使测试件永久变形并然后测量测试件变形的程度以便确定应变。当然，这种测量技术破坏了测试件。
也可经由成像测量应变。例如，将标记置于扁平的材料测试试样上。在测试试样处于静止的情况下获取标记的初始图像。然后使测试试样遭受机械力并获取标记的第二图像。通过在初始图像和第二图像之间标记的位置的差异确定应变。
发明内容
根据本公开的示例的用于非破坏性测试的工艺包括将可光固化的染料施加到物品的表面上、选择性地固化表面上的可光固化的染料的点阵列、去除未被选择性固化的可光固化的染料、对物品进行机械测试和基于点阵列在机械测试期间对物品进行直接应变成像。
在任何前述实施例的另一实施例中，点阵列包括第一阵列和第二阵列。第一阵列具有第一间距且第二阵列具有不同于第一间距的第二间距。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品为增材制造的物品。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品的表面包括接缝。
在任何前述实施例的另一实施例中，通过激光器进行选择性固化。
在任何前述实施例的另一实施例中，针对点阵列的各个点，激光器垂直于表面而定向。
在任何前述实施例的另一实施例中，激光器被安装在机器人装置上，所述机器人装置构造成根据计算机指令相对于部件移动。
在任何前述实施例的另一实施例中，将可光固化的染料施加到物品上包括施加可光固化的染料的薄膜。
在任何前述实施例的另一实施例中，表面处于物品的内部腔体中。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品由固体火箭推进剂形成。
一种根据本公开的示例的用于进行非破坏性测试的物品包括具有表面的物品本体和在表面上部署的点阵列。点阵列由光固化的染料形成并构造用于直接应变成像。
在任何前述实施例的另一实施例中，点阵列包括第一阵列和第二阵列。第一阵列具有第一间距且第二阵列具有不同于第一间距的第二间距。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品本体限定内部腔体，且表面处于内部腔体中。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品本体由固体火箭推进剂形成。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品本体是增材制造的物品。
在任何前述实施例的另一实施例中，物品本体包括接缝。
附图说明
根据以下详细描述，本公开的多种特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。可如下简要描述伴随详细描述的附图。
图1示出用于非破坏性测试的示例工艺。
图2示出具有不同间距的第一点阵列和第二点阵列的示例。
图3示出具有内表面的物品，该内表面具有用于直接应变成像的点阵列。
图4A示出使用安装在机器人装置上的源来固化染料的示例。
图4B示出源相对于物品的局部表面的定向。
具体实施方式
图1示意性地示出使用直接应变成像进行非破坏性测试的工艺20。虽然已知基本的应变成像，但是目前其不适合用于大批量的测试、制造品或复杂的几何结构。如将被描述的，工艺20提供快速制备用于直接应变成像的物品的能力，其适合于与制造品一起使用并可与具有复杂形状的物品一起使用。
关于阶段(a)、(b)、(c)、(d)和(e)描述工艺20，但是要理解的是，阶段可表示组合的方法操作或可被组合或进一步被细分。阶段(a)以要进行非破坏性测试的物品22(物品本体)开始。可由于各种原因而进行这种非破坏性测试，所述原因包括但不限于制造品的质量保证、物品设计评估、有限元分析验证和物品老化效应。可作为工艺20的部分，而制作物品22，诸如通过增材制造，或物品22可简单地被提供为准备用于工艺20的预制部件。
在阶段(b)处，将可光固化的染料24施加到物品22的一个或多个表面22a上。施加的方法可包括但不限于浸渍、喷涂和涂抹。施加技术可选择成确保覆盖感兴趣的表面22a，包括覆盖难以接近的位置(例如，凹口、孔、凹槽等)。在该示例中，染料24在表面22a上形成薄膜。作为示例，可光固化的染料24为通过电磁辐射(典型地为紫外线辐射)可固化的染料。这种染料可包括通过暴露于紫外线或其它辐射以开始聚合反应(固化)而激活的成分。接收可光固化的染料24的表面22a可为物品22的外表面或内表面(诸如内部腔体或通道的表面)。在一些示例中，可光固化的染料24被施加到物品22的全部或基本全部暴露的表面上。
阶段(c)涉及选择性地使在表面22a上的染料24的点28的阵列26固化。例如，点28可为但不限于圆点或细长点。电磁辐射源30(诸如激光器)被用来使光子束30a发射到表面22a上的预选择的位置上，从而仅在那些位置处固化染料24。可人工地或通过机器人使源30或激光器在表面22a上，在预选择的位置之间移动。仅在预选择的位置处激活源或激光器以固化染料24。在阶段(d)处去除未固化的其余染料24。可通过擦拭、在溶剂中漂洗、蒸发或这些的组合来去除未固化的染料24。使用光子束30a的益处是，之后在直接应变成像期间，由于该固化技术的精确度，可最大程度地减小在质心确定中原本会影响应变计算的准确性的误差。通过根据CAD文件的机器人瞄准、结构式光表面测量等，通过形成遵循部件轮廓而不是横跨特征(诸如构造脊(build ridge)、纤维复合带脊等)的反射点几何结构可提高精确度。
固化的染料的点28的阵列26仍然在表面22a上。例如可基于表面22a的几何结构、预期的负载路径或物品22的预期弱点选择阵列26的构造。阵列26可具有一定型式。例如，所述型式可为具有恒定间距的方形网格。在另一示例中，阵列26可具有椭圆形分布。
如在阶段(e)中示出的，如箭头32所示，然后对具有点28的阵列26的物品22进行机械测试。机械测试使物品22遭受应力，应力可为不会使物品22永久变形的低应力。机械测试可包括但不限于用热梯度、内部加压和/或机械负载引起应力的测试。应力在物品22中引起应变。在一些示例中，应变可低至20至30微应变。物品22基于点28的阵列26在机械测试期间进行直接应变成像。例如，摄像头34用来获取在机械测试之前物品22处于静止的情况下的点28的阵列26的图像。还在机械测试期间获得点28的阵列26的一个或多个图像。根据图像准确地确定点28的位置。例如，通过点28的质心确定点28的位置。然后可在图像之间比较所述位置以测量点28由于施加的应力移动了多少以及沿什么方向移动。可通过配置成根据图像感测点28的位置的计算机或计算机程序进行点28的测量和比较。
可选择染料24使得点28具有能够检测的性质。例如，点28可具有根据直接应变成像系统或传感器的感测能力选择的颜色、几何结构、大小、厚度、组成、饱和度、反射率、折射率或这些性质的组合。
工艺20以高的可重复性提供在复杂几何结构的物品上快速进行直接应变成像的潜力。例如，可只花几秒钟来在阶段(c)中进行固化，且点28可因而快速地被施加到物品22上。点28的施加也对表面粗糙度相对不敏感，可使工艺20适合于许多类型的物品、材料(例如，合金物品、增材制造的物品、复合物品、由固体推进剂形成的物品等)和制造工艺。工艺20可因而在制造设置中作为质量保证措施而用来非破坏性地测试制造品。尤其，增材制造的物品可从工艺20中受益。而且，由于工艺20的速度和准确性，测试高达100%的制造品可为可行的。
工艺20也用于物品设计评估和有限元分析验证。例如，工艺可用于原型部件上以评估复杂应变响应和负载路径以及/或者以核查通过有限元分析进行的估计应变响应。作为示例，可横跨以36表示的接缝而施加点28的阵列26。接缝36可为粘合接缝、栓接接缝、螺纹连接接缝等。然后工艺20用来响应于在机械测试中施加的应力确定横跨接缝36的应变行为。
工艺20也可用于构件健康监测以检测老化效应。例如，物品22可为在固体火箭发动机中的固体火箭推进剂。典型地，固体推进剂包括固体氧化剂、固体燃料、将固体氧化剂和固体燃料保持在一起的粘合剂系统和任选的性能添加剂和稳定剂。固体推进剂在使用之前(诸如当固体火箭马达长期处于存放状态时)可能老化。作为示例，暴露于环境中的氧气(空气)、水分湿气(空气中)和氮气(空气)可产生可使得固体推进剂的组成和/或固体推进剂的一种或多种成分的化学性质变化的反应。这些变化也可在固体推进剂中引起应变。工艺20可用来将点28的阵列26施加到固体推进剂，并且不时地可进行直接应变成像以测量应变以便评估老化。
参照图2，示出点128的另一示例性阵列126。在该公开中，相似的参考标号在适当的情况下指定相似的元件，且加了一百或其倍数的参考标号指定被理解成结合对应元件的相同特征和益处的改进元件。在该示例中，阵列126包括第一阵列126a和第二阵列126b。第一阵列126a具有第一间距且第二阵列126b具有不同于第一间距的第二间距。例如，“间距”是每单位长度或每单位面积的点128的密集度。虽然存在其它术语，但点数/英寸是间距的一个示例。
第一阵列126a和第二阵列126b可在物品22上彼此邻近或可彼此分开。例如，阵列126a/126b可用来测量物品22的不同位置处的不同应变幅度。
如以上描述的，点28(或128)的阵列26(或126)可用于物品的外表面或内表面上。图3示出具有外表面122-1和内表面122-2的物品122。例如，内表面122-2为物品122的内部腔体或通道的表面。在该示例中，点28的阵列26已被施加到内表面122-2。对于成像，如果在点28的阵列26周围的区域不允许摄像头或摄像头元件，则可使用光纤140。另外或备选地，光反射器或棱镜可用来获取点28的阵列26的图像。
图4A和4B示出固化染料24的工艺的阶段(c)的另一示例。在该示例中，电磁辐射源30(诸如激光器)被安装在机器人装置250上。机器人装置250构造成根据计算机指令相对于物品222移动。例如，在施加染料24的情况下，物品222被固定在已知的位置处。机器人装置250被编程成围绕物品222移动并使物品222上的预编程好的位置处的染料24固化。另外，如在图4B中示出的，机器人装置250可在点28要被固化的位置处垂直于或基本上垂直于表面22a而定向源30或激光器。也就是，在点28的位置处，光子束30a的轴线A1垂直于或基本上垂直于表面22a的切线A2。这种定向有利于形成均匀的圆点。具有一个或多个安装的摄像头或光纤的类似机器人装置可用于成像。
尽管在示出的示例中示出了特征的组合，但并不是所有这些特征都需要被组合以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开的实施例设计的系统不一定包括任何一个附图中示出的所有特征或附图中示意性示出的所有部分。而且，一个示例性实施例的选择的特征可与其他示例性实施例的选择的特征组合。
前面的描述本质上是示范性的而不是限制性的。未必脱离本公开的对所公开的示例的变化和修改对于本领域技术人员而言可变得显而易见。给予本公开的法律保护范围仅通过研究所附权利要求而确定。
Claims (16)
1.一种用于非破坏性测试的工艺，所述工艺包括；
将可光固化的染料施加到物品的表面上；
选择性地固化所述表面上的所述可光固化的染料的点阵列；
去除未被选择性地固化的所述可光固化的染料；
对所述物品进行机械测试；和
基于所述点阵列在所述机械测试期间对所述物品进行直接应变成像。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述点阵列包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列具有第一间距且所述第二阵列具有不同于所述第一间距的第二间距。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述物品为增材制造的物品。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述物品的所述表面包括接缝。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，通过激光器进行选择性固化。
6.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，针对所述点阵列的各个点，所述激光器垂直于所述表面而定向。
7.根据权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述激光器被安装在机器人装置上，所述机器人装置构造成根据计算机指令相对于部件移动。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，将所述可光固化的染料施加到所述物品上包括施加所述可光固化的染料的薄膜。
9.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述表面处于所述物品的内部腔体中。
10.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述物品由固体火箭推进剂形成。
11. 一种用于非破坏性测试的物品，其包括；
具有表面的物品本体；和
部署在所述表面上的点阵列，所述点阵列由可光固化的染料形成并被构造用于直接应变成像。
12.根据权利要求11所述的物品，其特征在于，所述点阵列包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列具有第一间距且所述第二阵列具有不同于所述第一间距的第二间距。
13.根据权利要求11所述的物品，其特征在于，所述物品本体限定内部腔体，且所述表面处于所述内部腔体中。
14.根据权利要求11所述的物品，其特征在于，所述物品本体由固体火箭推进剂形成。
15.根据权利要求11所述的物品，其特征在于，所述物品本体是增材制造的物品。
16.根据权利要求11所述的物品，其特征在于，所述物品本体包括接缝。
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