CN110132883A - 对增材制造材料的太赫兹检查 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对增材制造材料的太赫兹检查。本文公开了包括增材制造装置和相关的太赫兹检查装置的设备和系统，还公开了由该设备和系统制作并检查的部件及相关方法，太赫兹检查装置用于在材料沉积期间或之后立即实时检查增材沉积的层。

Description

对增材制造材料的太赫兹检查
技术领域
本公开总体涉及无损测试方法。更具体地，本公开涉及使用太赫兹频率来无损检查制造的部件。
背景技术
增材制造(本文中同样也称为“AM”)是涵盖计算机辅助3D打印技术的广义术语。术语“3D打印”最初是指借助打印机头将粘合剂材料逐层沉积在粉末床上的方法。近来，该术语被用于流行的行话，以涵盖更多种类的增材制造技术。美国和全球技术标准在这个更广泛的意义上使用术语“增材制造”来表示用于生产三维(在本文中同样也称为“3D”)部件的制造系统，这些三维部件通常首先在计算机上数字化。例如，标准ISO/ASTM52900-15在其含义内定义了七类AM过程：粘合剂喷射；定向能量沉积；材料挤出；材料喷射；粉末床熔合；片材层压和还原光聚合。
增材制造领域已经发展到允许各种材料的逐层沉积。在许多情况下，增材制造已被证明可用于制造一次性部件，一次性部件例如包括：用作原型的部件；或者可能会或可能不会导致大规模生产的其他定制部件。然而，使用增材制造技术制作某些部件(例如承载或结构部件)尚未被某些标准接受甚至认可，尤其是在需要质量和安全性检查的情况下。对于增材制造的部件(包括用作承载部件或其他结构部件(例如，需要检查和认证的增材制造部件)的增材制造部件)缺乏公认的检查技术，这妨碍了增材制造结构部件的进步。
发明内容
根据本公开的一些方面，提出了用于在部件的制造过程中使用太赫兹频率范围中的辐射实时无损检查增材制造的部件的设备、系统和方法。
根据一方面，本公开涉及一种设备，该设备包括增材制造装置，该增材制造装置包括材料沉积头，该材料沉积头构造成形成增材制造构型，该构型包括各个沉积材料层，在增材制造装置包括沉积头的情况下，太赫兹检查装置位于材料沉积头附近。太赫兹检查装置包括太赫兹探头，还包括基本上封装太赫兹探头的热屏蔽罩。
根据另一方面，本公开涉及一种系统，该系统包括：壳体；增材制造装置，该增材制造装置包括材料沉积头，该材料沉积头位于壳体内，该材料沉积头构造成沉积多个连续材料层以形成增材制造部件。该系统还包括太赫兹检查装置，该太赫兹检查装置包括太赫兹探头，该探头位于壳体内并且该探头位于材料沉积头附近。该探头还包括热屏蔽罩，该热屏蔽罩基本上封装探头。
在另一方面中，所述太赫兹检查系统构造成在沉积所述至少一个材料层期间基本上实时地无损检查所述至少一个材料层。
根据再一方面，本公开涉及一种用于增材制造部件的方法，该方法包括：从增材制造装置的材料沉积头单独沉积多个材料层以形成部件。使用太赫兹能量无损检查单独沉积的材料层中的至少一者。该方法还包括：将来自太赫兹检测装置的太赫兹能量引导到位于至少一个材料层上或至少一个材料层内的位置；并且接收来自至少一个材料层的太赫兹能量并检测正被无损检查的所述至少一个材料层的特征。
在另一方面中，涉及一种方法，该方法进一步包括将太赫兹检查装置接近材料沉积头取向并且在从约300°F到约450°F的温度下沉积至少一个材料层。与所述多个材料层的沉积基本上同时地，实时地无损检查至少一个材料层，并且太赫兹检查装置被基本封装在热屏蔽罩中。
本公开的另一方面涉及：一种根据本文中公开的方法制作并检查的结构组件，该结构组件用于包括飞行器的交通工具；以及一种包括根据本文中公开的方法制作并检查的结构组件的飞行器。
已经论述的特征、功能和优点可以在各个方面独立地实现，或者可以在其他方面中组合，可以参考以下描述和附图理解其进一步的细节。
附图说明
已经如此概括地描述了本公开的变型，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制。
图1A、图1B和图1C是根据本公开的一个方面的设备和系统的立体侧视图。
图2是结合本公开的设备、系统和方法使用的THz探头的立体截面图，其特征在于单站THz探头取向。
图3是结合本公开的设备、系统和方法使用的THz探头的立体截面图，其特征在于双站THz探头取向。
图4A和图4B是根据本发明的一个方面的系统的立体截面侧视图，其特征在于单站THz探头取向。
图4B是图4A中所示的系统的一部分的放大视图。
图5A和图5B是根据本发明的一个方面的系统的立体截面侧视图，其特征在于双站THz探头取向。
图5B是图4A中所示的系统的一部分的放大视图。
图6是飞行器的代表性图示，所述飞行器包括根据本公开的一些方面制作的结构组件。
图7和图8是概述根据本公开的一些方面的方法的流程图。
图9和图10是概述本公开的另外方面的流程图。
图11是飞行器生产和维护方法的流程图。
图12是飞行器的框图。
具体实施方式
本公开涉及用于使用从位于增材制造材料沉积头附近的THz探头传递的太赫兹(在本文中同样也称为“THz”)频率实时无损检查增材制造的部件的设备、系统和方法，THz探头容纳在热屏蔽箱内，该热屏蔽箱包围或基本上封装THz探头。
THz频率范围是指在微波和红外区域之间的辐射光谱中存在的频率在约100GHz和约10THz之间，或者波长在约3mm和约30μm之间的电磁波。本公开同样也使用术语“THz辐射”、“THz能量”和“THz波”。太赫兹波穿过各种具有高化学选择性的无定形和不透明材料，能够在THz询问下使这种材料以高清晰度成像。如本文中所公开的，用于询问电介质(例如，非导电)材料的无损THz检查技术包括复合材料的检查。
根据目前公开的方面，这样的AM过程或“3D制造”过程逐渐沉积极薄的材料层以根据计算机辅助绘图(CAD)文件或包括增材制造文件(AMF)格式的文件格式创建3D对象。增材制造(AM)目前被理解为指的是用于创建三维(3D)对象的过程，其中通常在计算机控制下形成材料层以创建制造对象。制造的对象可以几乎是任何形状或几何结构，并且使用来自3D模型或诸如AMF格式的另一电子数据源的数字模型数据来生产。因此，与从坯料构件移除材料(如传统的机加工过程中可以进行的以形成部件)相比，3D打印或AM根据计算机辅助设计(CAD)模型或AMF或STL文件格式通过逐层连续地添加材料而创建三维对象以精确地产生具有期望和/或预定尺寸和/或几何结构的部件。
结果，本发明的各方面构想使用AM设备、系统和过程来形成AM产品(例如，部件)。这些过程的非详尽列表包括但不限于直接能量沉积、直接金属激光烧结、直接金属印刷、电子束增材制造、电子束熔化、电子束粉末床制造、熔融沉积成型、熔丝制造、间接粉末床制造、激光熔覆、激光沉积制造、激光沉积焊接、激光沉积焊接/一体化铣削、激光工程网整形、激光自由曲面制造、激光金属粉末沉积、激光金属线沉积、激光粉末床制造、激光熔池沉积、激光修复制造、粉末定向能量沉积、立体光固化、选择性激光熔化、选择性激光烧结、小熔池沉积或其组合。
因此，可以应用大量的增材过程。列出的过程之间的主要差异在于层沉积以创建部件的方式以及所使用的材料。一些方法熔化或软化材料以产生层。例如，在熔丝制造(FFF)(也称为熔融沉积成型(FDM))中，通过挤出小珠子或材料流来生产部件，小珠子或材料流立即硬化以形成层。通常，将热塑性材料的丝或呈金属线形式的金属或其他材料馈送到挤出喷嘴头(例如，3D打印机挤出机，或下文中同样也称为“打印机头”的打印机挤出机头)中，挤出喷嘴头加热材料并产生沉积材料流。另一种技术熔融部分层，然后在工作区域中“向上”移动，添加连续的材料层，并重复该过程，直到“建造”构件或形成“构型”。该过程使用未熔融的介质来支撑正在生产的部件中的悬垂部和薄壁，从而减少了对该构件的临时辅助支撑的需要。
在FFF过程中，在计算机控制下移动打印头以定义所需3D尺寸的所需构型。通常，打印机头在二维移动的同时沉积层以在打印机头被定向到稍微“向上”(例如，从先前沉积的层向上)的位置之前一次沉积一个水平层，然后将后续层沉积到所述构型上。可以将通过打印头的沉积速度和打印头的移动控制成中断和重新开始材料沉积，以在沉积层内形成限定的中断区域。
激光烧结技术包括但不限于用金属和聚合物两者选择性激光烧结，以及直接金属激光烧结。选择性激光熔化不使用烧结来熔融粉末粒体，而是使用高能激光完全熔化粉末，以分层沉积方法产生全致密的材料，该材料具有与常规制造金属类似的机械性能。电子束熔化(EBM)是用于金属部件(例如钛，钛合金)的类似类型的增材制造技术。EBM通过在高真空中用电子束逐层熔化金属粉末来制造部件。另一种方法包括喷墨3D打印系统，其通过使用类似喷墨的过程铺展一层粉末(灰泥或树脂)并在部件的截面中打印粘合剂来一次一层地创建部件。利用层压对象制造，将薄层切割成形并连结在一起。
其他方法使用不同的诸如立体光刻法之类的复杂技术固化液体材料。光聚合主要用于立体光刻中以由液体产生固体部件。诸如Objet PolyJet系统之类的喷墨打印机系统将光聚合物材料以超薄层(例如，在16μm和30μm之间)喷涂到构建托盘上直到部件完成。每个光聚合物层在喷射后用UV光固化，产生完全固化的模型，可以在不进行后固化的情况下处理和使用这些完全固化的模型。此外，利用多光子光聚合中使用的3D微制造技术可以制作超小特征。由于光激发的非线性特征，凝胶仅在激光聚焦的地方固化成固体，同时除去剩余的凝胶。能够生产小于约100nm的特征尺寸，以及能包括移动和互锁部件的复杂结构。
另一种方法使用合成树脂，该合成树脂使用LED固化。在基于掩模图像投影的立体光刻中，3D数字模型被一组水平平面切片。每个切片转换为二维掩模图像。然后掩模图像投影到可光固化的液体树脂表面上，并且光投射到树脂上以使其固化成层的形状。连续液体界面生产始于液体光聚合物树脂的储存器。储存器的一部分是透紫外线的，从而使树脂固化。
在粉末馈送定向能量沉积中，使用高功率激光来熔化供应到激光束焦点的金属粉末。粉末馈送定向能量过程类似于选择性激光烧结，但是金属粉末仅在此时正向部件添加材料的地方施加。
尽管构想任何上述沉积技术和过程，但本公开的一些方面构想使用FFF和FDM过程。在预期的AM过程中用于制造所需构型的示例性FFF和FDM设备包括能够在高达约428°F的温度(取决于构型的所需机械性能)下沉积材料的系统。根据进一步构想的方面，控制沉积层的沉积速率以实现约4英寸/秒至约6英寸/秒的沉积速率。
根据目前的方面，能够从FFF和FDM设备的打印机头挤出各种各样的材料，包括但不限于热塑性塑料(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乙酸、高抗冲聚苯乙烯、热塑性聚氨酯、脂族聚酰胺、聚醚醚酮(PEEK))以及包括陶瓷的复合材料。
根据本公开的一些方面，对复合材料和其他材料的沉积层进行增材制造和基本上同时THz检查包括但不限于经由增材制造过程沉积的层，该层包括碳纤维树脂材料。供应给增材制造装置和系统的这种碳纤维树脂材料包括作为原料(例如呈纯树脂的形式)供应的材料，还包括纤维颗粒材料。此外，根据本公开内容的方面，用于结合碳纤维使用的代表性树脂材料和结合玻璃纤维的材料系统包括但不限于例如ULTEM9085、聚醚酮酮(PEKK)、聚碳酸酯-ABS、聚碳酸酯、Vero、digital-ABS Plus、FDM尼龙6、FDM尼龙12CF、DFM尼龙12、ULTEM1010(Stratasys有限责任公司)、PPSF模型(Stratasys有限责任公司)等。
根据本公开的一些方面，从定制的THz检查装置发射THz辐射，THz检查装置在本文中同样也称为“THz探头”或“THz检查头”。THz探头与增材制造系统结合使用，以通过原位检查单个沉积层或多个沉积层基本上实时地无损评估AM部件。因此，本公开的设备、系统和方法在制造部件时(例如，在每个或多个所选层的材料沉积期间，并且因此在完成整个部件之前)识别AM部件中的异常。即，THz检查装置构造成在材料沉积期间基本上实时地检查沉积材料的至少一个单独的层。出于本公开的目的，术语“基本上实时地”表示接近将层从AM装置打印头沉积到构型所需的时间的持续时间。沉积这种层所需的精确的可量化的时间量取决于正在构建的部件的尺寸以及许多其他沉积和制造参数。然而，本公开的一些方面构想借助THz辐射检查各个层(或AM构型的期望数量的层)与构型的单个层或多个层的沉积基本同时发生。
在另一方面，本文中公开的设备和系统包括热屏蔽罩，该热屏蔽罩构造成容纳并基本上封装THz探头。THz探头在增材制造室或壳体内邻近增材制造材料沉积装置以及头取向。随着连续材料层的沉积，增材制造室在升高的温度下操作。
在另一方面，在通过沉积若干材料层来增材制造部件的过程中，材料层在约300℉至约450℉(更具体地说，从大约300℉到大约428℉范围)的温度下沉积。基本上与沉积所述若干材料层的步骤同时，基本上原位并且基本上实时地进行至少一个材料层的无损THz检查。
灵敏的检查仪器(包括THz探头的使用)可能会受到显著升高的温度环境的不利影响。这限制了可用于无损检查部件的技术，需要延迟检查直到部件制造完成。根据本公开的一些方面，至少一个THz探头形式的无损检查装置在增强制造装置的沉积头附近原位定向，同时装置在升高的温度环境中(例如，从大约300°F到大约450°F范围)操作，THz探头被包封或基本上封装在防护热屏蔽罩中。
根据本公开的一些方面，使用位于材料沉积头附近的THz检查装置对增材制造的部件的增加的沉积层的实时检查有助于在构建期间检查增材制造的部件。本公开的设备、系统和方法使得能够在构建期间基本上实时地检测AM层中的异常。通过这种方式，能在制造过程中更快地解决这种异常。
及早检测此类异常减少材料浪费，避免部件更换和相应的成本，并潜在提高安全性。此外，这种及早检测能赋予AM部件所需的部件检查和质量，这可以使得能够认证在许多行业(包括飞行器和航空航天工业)中使用的AM结构部件。
图1A、图1B和图1C是根据本公开的一些方面的AM过程的阶段的示意性表示，该AM过程用于形成部件16。如图1A中所示，增材制造材料沉积过程的第一阶段10a包括材料沉积头11靠近THz探头12取向，所示的材料沉积头11沉积构型13。构型13包括连续沉积的单个材料层13a。如图1A中所示，(第四)部分沉积的材料层14a正在被沉积并结合到构型13中。图1B示出了该过程的第二阶段10b，其中(第四)部分沉积的材料层14a现已完全沉积，从而成为包括在构型13中的完成的沉积材料层14b。图1C示出了该过程的第三阶段10c，其中后续材料层15正在被沉积到材料层14b上，并且正在向构型13添加层。在操作中，材料层持续地添加到构型13，直到完成部件16。如图1A、图1B和图1C中所示，材料沉积头11靠近THz探头取向并且与THz探头相距预定距离。根据本公开的一个方面，沉积头在与THz探头隔开约0.5”到约2.0”内的距离处取向。
图2是单站THz探头22的截面图，示出了基本上被封装或包封在热屏蔽罩26内的THz探头22。单站THz探头22被示出与光纤28通信，但是目前构想到了用于THz探头的任何合适连接。单站THz探头22还包括与光纤28通信的THz发射器/接收器24。在操作期间，THz辐射从THz发射器/接收器24沿透镜27的方向行进，并从单站THz探头22行进到基板的目标区域，单站THz探头22指向该基板。在发射模式中，发射器/接收器24和透镜27被构设或以其他方式选择成设置焦点并将辐射折射到距发射器/接收器24的预定距离。在接收模式中，数据由发射器/接收器24捕获为来自目标(图2中未示出)的THz反射的原始波形。被检查的目标可以是构型层表面或构型层子表面。根据本方面，各个构型层可以以约0.005”至约0.020”厚的平均厚度沉积。
如图2中所示，单站THz探头22的外表面热屏蔽罩26包封或基本被热屏蔽罩26封装。在单站检查模式中，单站THz探头22在单个单元中完成发送和接收功能。热屏蔽罩26不会干扰单站THz探头从探头发射THz辐射的能力。术语“包封”、“基本上包封”和“基本上封装”是指热屏蔽罩26将单站THz探头22的主要部分包封或包围到探头能够在大约300℉到大约450℉的升高温度环境下操作的程度的状态，因此可能不会完全包封单站THz探头22。
图3是双站THz探头32的截面图，示出了基本上被封装或包封在热屏蔽罩36内的双站THz探头32。在双站布置中，THz探头32包括THz发射器34a和THz接收器34b，THz发射器34a和THz接收器34b分别与光纤38a和38b通信，但是目前构想了用于双站THz探头的任何合适的连接。
在操作期间，THz辐射被THz发射器34a发射并从THz发射器34a朝光学元件35行进并通过光学元件35行进到构型层的表面或子表面。如所示的光学元件35可以是单向镜，使得反射回到探头32的波长由光学元件35引导到接收器34b。如所示，双站THz探头32的外表面被热屏蔽罩36包封或基本上被热屏蔽罩36封装。在双站检查模式中，THz探头发射器34a发射THz辐射，该THz辐射通过光学元件35被引到待检查的目标(未示出)。然后THz辐射从目标(未示出)返回到THz探头，其中THz辐射从光学元件35反射到THz接收器34b。已经认识到，热屏蔽罩36不会干扰双站THz探头从THz探头发射器34a发射THz辐射并且由THz接收器34b接收来自目标的THz辐射的能力。术语“包封”、“基本上包封”和“基本上封装”是指热屏蔽罩36将双站THz探头32的主要部分包封或包围到探头能够在大约300℉到大约450℉的升高的温度环境下操作的程度的状态，因此可能不会完全包封双站THz探头32。
如图3中所示的双站布置中，THz发射器34a和透镜37被构设或以其他方式选择成设置焦点并将辐射折射到距发射器/接收器34a预定距离。接收器34b采集数据作为来自目标(图3中未示出)的THz反射的原始波形。
关于单站和双站构造，检查目标可以是构型层表面或构型层亚表面。根据本方面，各个构型层可以以约0.005”至约0.020”厚的平均厚度沉积。从检查目标接收原始波形并通过滤波器以及数据采集和解释软件处理，以表现在目标表面区上预期结果和变化结果之间的差异(例如，异常)。根据本公开的一些方面，软件相对于将这些单独的层沉积到构型上基本上实时地将波形转换为对应于各个构型层的目标的例如呈C扫描、B扫描等形式的输出(查看或以其他方式解释在输出上“直播”)。
分别包封或基本上封装THz探头22、32的热屏蔽罩26、36(如图2、图3、图4A、图4B、图5A和图5B中所示)可以由任何合适材料制成，这些材料将保护THz探头免受热损害，并且能够忍受增材制造过程的热环境并保护THz探头免受增材制造过程的热环境的影响，其中材料沉积和/或固化发生在约300℉至约450℉或更高的温度下。合适的热屏蔽材料包括但不限于陶瓷、硅酸盐(例如硅酸钠、硅酸钾、硅酸钙等)、碳化物(例如碳化钽、碳化铪等)、双马来酰亚胺、聚酰亚胺树脂体系等。根据本公开的一些方面，热屏蔽罩由包括陶瓷材料的材料制成。
热屏蔽罩26、36可以以任何实际厚度存在，使得基本上被包封的THz探头能够在所需环境中起作用，该环境具有与周围环境或室温环境相比显著升高的温度。为了THz探头在AM打印头附近原位操作并且暴露于约300℉至约450℉的温度的目的，本公开的方一些面构想了约0.0625”至约0.1875”内的热屏蔽罩厚度。热屏蔽罩沉积到THz探头的外表面上或以其他方式附着至THz探头的外表面。
目前构想了用于将热屏蔽罩沉积到THz探头的外表面上的任何材料沉积方法。此外，热探头本身的套或壳体可以由热屏蔽材料制成。在这方面，热屏蔽材料既用作THz探头的结构部分，又用作热屏蔽罩，只要热屏蔽材料坚固到足以在结构上支撑并容纳THz探头中包含的组件即可。
图4A是结合具有如图2中所示的单站THz探头22的单站THz检查装置的AM系统40的示意图。图4B是图4A中所示系统的一部分的放大视图。如图4A中所示，AM系统40包括材料沉积室壳体41(下文中称为“壳体41”)。构型在平台49上被制造，该平台布置在由壳体41限定的材料沉积室41a内。如图4A中所示，平台49可以借助多个可伸展的支腿46在壳体41内被抬高。如图4A和图4B中所示，正在制造的部件在距离材料沉积头11预定距离内维持在“间隙”距离(d”)处。根据本公开的一些方面，“间隙”距离(d”)为约0.01”至约0.1”。壳体41是温度控制的，使得AM系统40构造成在包括复合部件的部件的增材制造所需的升高温度下操作，这样的操作温度从大约300℉到大约450℉或更高。具有材料沉积头11的增材制造装置43位于构型平台49附近。
单站THz探头22位于AM装置43附近。如图4A和图4B中所示，单站THz探头22借助间隔器44与AM装置43隔开“偏移”距离(d')。根据本公开的一些方面，“偏移”距离(d')为约0.5”到约2.0”。另选地，间隔器44不需要存在于系统40中。如图4A和图4B中所示，单站THz探头22包括本文中所述并在图2中示出的特征，这些特征包括热屏蔽罩26，该热屏蔽罩包封或以其他方式基本上封装单站THz探头22以及与光纤28和透镜27通信的THz发射器/接收器24。
如图4A中所示，光纤28与控制器47通信。电力电缆48示出为与控制器47通信。电力电缆48接合电源(未示出)。控制器47能控制和以其他方式提供THz波源并容纳本文中所述的数据采集、信号处理、信号调节系统等。如果期望，虽然未在图4A中示出，但控制器47还可以将信号引导到或接收或发送来自另一控制器或其他装置(例如，用于供应信号、接收信号和/或解释读数等的装置)的信号。
图5A是结合包括如图3中所示的双站THz探头32的双站THz检查装置的AM系统50的示意图。如图5A中所示，AM系统50包括材料沉积室壳体51(下文中称为“壳体51”)。构型在平台59上被制造，该平台布置在由壳体51限定的材料室51a内。如图5A中所示，平台59可以借助多个可伸展的支腿46在壳体51内被抬高，使得正在制造的部件在距离材料沉积头11预定距离内维持在“间隙”距离(d”)处。根据本公开的一些方面，“间隙”距离(d”)为约0.01”至约0.1”。壳体51是温度控制的，使得AM系统50构造成在包括复合部件的部件的增材制造所需的升高温度下操作。除了双站THz探头32取代图4A和图4B中所示的单站THz探头22之外，在图4A和图4B中呈现的单站AM系统40中呈现的其余特征呈现在图5A和图5B中所示的双站AM系统中。如图5A和图5B中所示，双站THz探头32(也在图3中示出)在AM装置43附近原位定位。如图5A和图5B中进一步所示，THz探头32借助间隔器44与AM装置43隔开“偏移”距离(d')。根据本公开的一些方面，“偏移”距离(d')为约0.5”到大约2.0”。另选地，间隔器44不需要存在于AM系统50中。图5A和图5B中所示的双站THz探头32包括图3中所示的特征，这些特征包括热屏蔽罩36，该热屏蔽罩包封或以其他方式基本上封装THz探头32。THz发射器34a和THz接收器34b分别与光纤38a和38b通信。
如图5A中所示，光纤38a和38b与控制器57通信。电力电缆58被示出为与控制器57通信。控制器57能控制和以其他方式提供THz波源并容纳数据采集、信号处理、信号调节等。如果期望，虽然未在图5A中示出，但控制器57还可以将信号引导到另一个控制器或其他装置(例如，用于供应信号、接收信号和/或解释读数等的装置)或从其接收信号。
本公开的一些方面可用于各种潜在应用，其中复合部件被集成到大型对象的整体制造中，大型对象包括但不限于交通工具，尤其是航空航天、船舶、汽车领域以及期望轻质且结构坚固的部件的其他应用中的交通工具。这些对象和交通工具包括，例如但不限于，有人和无人飞行器、有人和无人航天器、有人和无人旋翼飞行器、有人和无人地面飞行器、有人和无人水面载人飞行器、有人和无人地下水载交通工具、卫星等。
图6是飞行器60的代表图示，该飞行器包括组件，所述组件包括根据本文中公开的增材制造和检查过程制作的结构组件。飞行器60包括机身部分62和机翼部分64。
包括飞行器在内的交通工具以及其他结构包括：许多类型的结构组件，这些结构组件能使用本公开的增材制造和THz检查设备、系统和过程来制造；以及大型对象，这些大型对象能结合所示的这种增材制造的并同时检查的THz检查的结构组件(例如，在AM期间借助THz辐射基本上实时地检查的AM结构组件)。所示的这些示例性组件以及未示出的其他组件可由增材制造的材料(包括但不限于复合材料)制成。
图7和图8是概述根据本公开的一些方面的方法的流程图。图7示出了用于增材制造增材制造的部件的方法90，该方法包括通过从增材制造装置的打印头沉积若干材料层以形成部件而增材制造92部件。借助一种方法对至少一个材料层进行无损检查94，该方法包括将来自太赫兹检查装置的太赫兹能量引导96到至少一个材料层上或至少一个材料层内的位置，并从至少一个材料层组件接收97太赫兹能量。然后检测98至少一个材料层的特征。
图8示出了用于增材制造增材制造的部件的方法100，该方法包括通过从增材制造装置的打印头沉积若干材料层来形成部件从而增材制造92部件。在升高的温度下沉积102材料层，该升高的温度取决于所沉积的材料的要求，例如，在约300℉至约450℉的温度内。与沉积若干材料层基本上同时，通过与沉积104至少一个材料层基本上同时地使用THz辐射实时无损检查所述至少一个材料层，相对于材料层沉积实时地无损检查至少一个材料层。
图9和图10是概述本公开的一些方面的流程图。图9中概述了当沉积单个或多个AM层时基本上实时地使用THz辐射检查单个或多个沉积的AM层的无损检查协议120。如图9中所示，在用于二级结构的AM制造的AM过程期间，做出关于检查AM沉积构型122的决定。术语“二级结构”指的是包括例如由这样的部件制成的飞行器结构的结构，这些部件包括但不限于由用于构建例如飞机内部结构的纯树脂制成并包括这样的纯树脂的部件。这种二级结构部件还包括例如目前由金属制成或以其他方式包括金属的配件、支架、壳体等。如果完成了构型并且部件基本上实时地通过THz检查，则该部件被接受123。在确定部件的接受之前，基本上实时地进行124构型的原位THz检查并且收集原位数据。在检测到THz检查的构型层或多个THz检查的构型层中的潜在异常(例如，“缺陷(indication)”)126时，关于该缺陷及其对构型层128的影响做出决定并关于构型层128的拒绝做出决定。如果不必拒绝这样的构型层，则允许继续此构型，在AM构型124期间实时收集进一步的数据。如果确定该缺陷是可拒绝128的，关于相对于修复130的缺陷的性质做出决定。如果不能修复包括该缺陷的这种构型层，则拒绝132部件。如果能进行修复，则修复134包括该缺陷的层，继续122该构型。
图10中概述了当关于一级结构的AM制造沉积单个或多个AM层时基本上实时地使用THz辐射检查单个或多个沉积的AM层的无损检查协议150。术语“一级结构”是指包括例如由这样的部件制成的飞行器结构的结构，这些部件包括由纯树脂制成并包含纯树脂的部件。然后使用这些部件来构建大型组件，这些大型组件包括例如肋、桁条、翼梁、纵梁等。如果确定130发现的缺陷是不可修复的，则在完成构型之后，进一步检查136引起关注的后处理区域(例如，作为质量控制或其他后处理检查的一部分)。此外，一旦完成构型122，对任何可拒绝的引起关注的缺陷执行后处理检查。执行评估140确定并确认缺陷是否是可拒绝的。如果该缺陷被确认为是可拒绝的，则拒绝142部件。如果缺陷未被确认为是可拒绝的，则可以进行144部件的其他区域。如果鉴定没有要检查的其他引起关注的区域，则接受146该部件。如果鉴定出有要检查的其他引起关注的区域，则按照期望根据框138至144重新评估部件。
所公开方面的飞行器应用可以包括例如但不限于：增材制造的结构组件，例如翼梁、肋、桁条、隔板、纵梁等；并且基本上与增材制造同时通过在制造过程中将THz能量施加到组件层单独地实时无损检查AM结构组件层或检查多个层。
现在参照图11和图12，可在飞行器制造和保养方法200和飞行器300的背景下使用本公开的一些方面，包括至少在部件和子组件制造206、系统集成208、维护和保养214中使用，在飞行器机身302的组装和维护中以及飞机内饰304中使用。
在前期生产过程中，如图11和图12中所示，示例性方法200包括飞行器300的规格和设计202及材料采购204。在生产过程中，进行飞行器300的部件和子组件制造206以及系统集成208。此后，飞行器300可经过检定和交付210以便投入服役212。在由客户投入服役期间，飞行器300被安排进行例行维护保养214(这也可包括改造、重构、翻新等)。
可由系统集成商、第三方及/或操作员(例如客户)执行或实施方法200的各个过程。为了本描述之目的，系统集成商可包括但不限于任一数量的飞行器制造商与主系统分包商。另外，第三方可包括但不限于任一数量的供应商、转包商以及供货商；并且操作员可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图12中所示，由示例性方法200生产的飞行器300可包括具有多个系统303和内饰304的机身302。高级系统303的实施例包括但不限于推进系统306、电气系统308、液压系统310和环境系统312中的一者或多者。可以包括任何数量的其他系统。尽管示出了航空航天实施例，但是本公开的一些方面可以应用于诸如海运、汽车工业和/或其他交通工具工业之类的其他工业。
在本文中阐述的系统与方法可在生成和保养方法200的任一个或多个阶段中采用。例如，能以类似飞行器300在服务中生产组件或子组件的方式装配或制造对应于组件和子组件制造206的组件或子组件。而且，可在生产阶段206和208期间利用一个或者多个设备、方法或者其组合，例如大幅地加快飞行器300的组装或减少飞行器300的成本。类似地，可在飞行器300保养时(例如但不限于在飞行器300的维护和保养214时)利用一个或多个设备、方法或者其组合。
所公开的用于增材制造并同时实时检查增材制造的组件(包括来自各种材料(例如复合材料等)的结构组件)的设备、系统和方法特别适用于这样的交通工具，这些交通工具包括有人驾驶和无人驾驶飞行器、有人和无人驾驶航天器和无人旋翼飞行器、有人和无人地面交通工具、有人和无人水面载人交通工具、有人和无人地下水载交通工具，卫星等。
此外，本公开包括根据以下条款的实施方式：
条款1：一种设备，该设备包括：
增材制造装置，该增材制造装置包括：材料沉积头；以及
位于材料沉积头附近的太赫兹检查装置；
所述太赫兹检查装置包括太赫兹探头，所述太赫兹探头包括基本上封装太赫兹探头的热屏蔽罩。
根据条款1的设备，其中，增材制造装置构造成形成增材制造的构型，所述构型包括多个单独沉积的材料层。
根据条款1的设备，其中，太赫兹检查装置构造成无损检查各个沉积的材料层。
根据条款1的设备，其中，太赫兹检查装置构造成在材料层沉积期间基本上实时地检查各个沉积的材料层。
根据条款1的设备，该设备还包括材料沉积室，所述材料沉积室由壳体限定，并且所述材料沉积室构造成容纳所述材料沉积装置和所述太赫兹检查装置。
根据条款1的设备，其中，材料沉积头在距太赫兹检查装置第一距离内取向，所述第一距离约0.5”至约2.0”。
根据条款1的设备，其中，太赫兹检查装置包括单站太赫兹探头。
根据条款1的设备，其中，太赫兹检查装置包括双站太赫兹探头。
根据条款1的设备，其中，太赫兹检查装置包括透镜，所述透镜被选择成将太赫兹辐射聚焦在距太赫兹检查装置预定距离处。
根据条款1的设备，其中，热屏蔽罩由包括以下材料中的至少一种的材料制成：陶瓷；硅酸钠；硅酸钾；硅酸钙；碳化钽；碳化铪；含高温双马来酰亚胺树脂的材料；含高温聚酰亚胺的材料；或含玻璃纤维的材料。
根据条款1的设备，其中，热屏蔽罩由包括陶瓷材料的材料制成。
条款12：一种系统，该系统包括：
壳体；
增材制造装置，该增材制造装置包括材料沉积头，所述材料沉积头位于壳体内，所述材料沉积头构造成沉积多个材料层以形成部件；以及
太赫兹检查装置，该太赫兹检查装置位于壳体内并且还位于增材制造装置附近，所述太赫兹检查装置包括热屏蔽罩，该热屏蔽罩基本上封装太赫兹检查装置。
根据条款12的系统，其中，太赫兹检查装置构造成在至少一个沉积材料层的沉积期间或之后立即基本上实时地无损检查所述至少一个沉积材料层。
根据条款12的系统，其中，所述多个材料层包括复合材料。
根据条款12的系统，其中，增材制造装置与原料供应源连通。
根据条款15的系统，其中，原料包括ULTEM 9085、FDM尼龙6、FDM尼龙12CF、DFM尼龙12、ULTEM 1010、聚醚酮酮或聚苯砜中的至少一种。
条款17：一种用于增材制造增材制造的部件的方法，该方法包括：
从增材制造装置的材料沉积头单独沉积多个材料层以形成部件，并且
使用太赫兹能量无损检查至少一个材料层，
并且该方法还包括：
将来自太赫兹检测装置的太赫兹能量引导到位于所述至少一个材料层上或所述至少一个材料层内的位置；
接收来自所述至少一个材料层的太赫兹能量；并且
检测所述至少一个材料层的特征。
根据条款17的方法，该方法还包括：
使太赫兹检查装置在材料沉积头附近取向；
在从约300°F至约450°F的温度下沉积至少一个材料层；
基本上与所述多个材料层的沉积同时，实时地无损检查至少一个材料层；并且
其中，所述太赫兹检查装置基本上被封装在热屏蔽罩中。
根据条款17的方法，该方法还包括：
在至少一个材料层沉积到构型上期间或之后立即实时地检测所述至少一个沉积材料层的特征。
一种根据条款17的方法制造和检查的增材制造部件。
当然，在不脱离本文中公开的方面的基本特征的情况下，能以除了本文中具体阐述的方式之外的其他方式来实施本公开的一些方面。当前公开的方面在所有方面中都被认为是说明性的而非限制性的，并且落入所附权利要求的含义和等同范围内的所有改变都理应包含在其中。

Claims (10)

1.一种增材制造系统(40、50)，该增材制造系统包括：
增材制造装置(43)，该增材制造装置包括材料沉积头(11)；以及
太赫兹检查装置(12)，该太赫兹检查装置位于所述材料沉积头(11)附近；
所述太赫兹检查装置(12)包括太赫兹探头(22、32)，所述太赫兹探头(22、32)包括热屏蔽罩(26、36)，所述热屏蔽罩基本上封装所述太赫兹探头(22、32)。
2.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，其中，所述增材制造装置(43)构造成形成增材制造的构型(13)，所述构型(13)包括多个单独沉积的材料层(13a、14、15)。
3.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，其中，所述太赫兹检查装置(12)构造成无损检查各个沉积的材料层(13a、14、15)。
4.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，其中，所述太赫兹检查装置(12)构造成在材料层的沉积期间基本上实时地检查各个沉积的材料层。
5.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，该增材制造系统还包括材料沉积室(41a、51a)，所述材料沉积室(41a、51a)由壳体(41、51)限定，并且所述材料沉积室(41a、51a)构造成容纳所述材料沉积头(11)和所述太赫兹检查装置(12)。
6.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，其中，所述材料沉积头(11)在距所述太赫兹检查装置(12)第一距离内取向，所述第一距离为约0.5”至约2.0”。
7.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，其中，所述太赫兹检查装置(12)包括单站太赫兹探头(22、32)或双站太赫兹探头(22、32)。
8.根据权利要求1所述的增材制造系统(40、50)，其中，所述太赫兹检查装置(12)包括透镜(27、37)，所述透镜(27、37)被选择成将太赫兹辐射聚焦到距所述太赫兹检查装置(12)预定距离。
9.一种用于增材制造增材制造的部件的方法(90、100)，该方法包括：
从增材制造装置(43)的材料沉积头(11)单独沉积(92)多个材料层以形成所述部件，并且
使用太赫兹能量无损检查(94)至少一个材料层，
并且该方法还包括：
将来自太赫兹检测装置(12)的太赫兹能量引导到位于所述至少一个材料层上或所述至少一个材料层内的位置(96)；
接收来自所述至少一个材料层的太赫兹能量(97)；并且
检测所述至少一个材料层的特征(98)。
10.根据权利要求9所述的方法，该方法还包括：
使所述太赫兹检查装置(12)在所述材料沉积头(11)附近取向；
在从约300°F至约450°F的温度下沉积(102)至少一个材料层；
基本上与所述多个材料层的沉积同时，实时地无损检查至少一个材料层；并且
其中，所述太赫兹检查装置(12)基本上被封装在热屏蔽罩中。
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