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碳纤维叶片制造的“隐形克星”:如何用光学检测实现零缺陷交付?

海阔天空的专栏 来源:厂商供稿 作者:厂商供稿 2026-03-11 10:02 次阅读
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在航空航天领域,民用航空发动机轻量化减重的发展趋势,致使风扇叶片从钛合金材料发展为碳钎维材料。碳纤维具有重量轻、刚性好的特点,其工艺涉及碳纤维铺层、树脂注射及固化、榫根加工、碳钎维前缘包边等流程。

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蔡司三维光学测量系统应用于碳纤维风扇叶片的工艺流程中,从碳纤维铺层、榫根加工到最后成品均有覆盖,以确保可靠的质量及检测效率。

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客户挑战(一)风扇叶片表面缺陷检测

碳纤维复合材料在航空发动机风扇叶片中应用率高达70%,其比强度(抗拉强度/密度)显著优于金属材料。但各向异性结构导致其对局部缺陷极为敏感,尤其是胶带末端等几何突变区域。

胶带末端是碳纤维铺层粘接的终止点,易因工艺应力或热应力产生以下缺陷:

l 分层与脱粘:胶层与纤维界面因固化收缩或振动载荷发生分离

l 微裂纹与纤维断裂:应力集中导致树脂基体开裂或纤维束断裂

l 孔隙与气泡:层压过程中气体残留形成空洞,降低局部强度

蔡司解决方案

针对风扇叶片的检测,蔡司光学条纹投影系统ATOS的技术优势得到充分发挥,例如前后缘的高分辨率网格获取、快速的检测节拍,表面缺陷检测,全域轮廓分析及翼型参数评价等。

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由于风扇叶片扭曲度大、叶身较长,蔡司可根据客户的需求进行定制化夹具设计。这类夹具用于风扇叶片的光学检测时,具有无需贴点、装夹快速、定位精度高的特点。同时,同一框架可满足同一系列产品的批量测量需求。

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在碳纤维铺层阶段,胶带末端是很重要的质量控制要素。ZEISS ATOS 5 for Airfoil 测头单幅照片分辨率高达1200万像素,通过ZEISS INSPECT 软件中的表面缺陷图,可轻松发现碳纤维胶带末端的质量缺陷。

客户挑战(二)风扇叶片翼型轮廓评价

碳纤维风扇叶片的几何复杂性(三维弯掠、渐变厚度、异形榫根)和材料敏感性(分层风险、涂层完整性)决定了传统检测手段的局限性。条纹投影光学扫描通过非接触式全场测量,实现了从设计验证到维修再生的全流程闭环管控:

l 针对全域轮廓色差分析

l 针对特殊翼型构型的参数评价

蔡司解决方案

在翼型加工至成品阶段,ZEISS ATOS 5 测头可以对翼型进行全域轮廓分析,指导下一步加工;同时,可根据风扇叶片的工艺要求,对翼型参数进行评价,例如前尾缘、叶盆叶背轮廓度、弦长、厚度等尺寸。

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ZEISS ScanBox 5110/ScanBox 5120 配置ZEISS ATOS 5 for Airfoil 测头,是针对风扇叶片的绝佳测量方案。结合MV400 和 Plus 29M MV 1000 镜头,可满足不同风扇叶片的测量需求—— 无论是表面缺陷检测,还是翼型参数分析,尤其是针对特殊前尾缘构型的翼型检测,均能胜任。

客户挑战(三)风扇叶片振动测试

近年来,喷气式发动机的尺寸越来越大,最大发动机的风扇直径可达340cm。 在运行过程中,重载会对叶片产生影响(如风压、振动、向心力),这是导致叶片在整个使用寿命期间性能发生变化的原因。 一项关键任务是,维护运营部门需采用高效且经济的方式(在维护过程中)检测出设备的裂缝和损坏情况。 第二个任务是降低运行过程中的噪音——这种噪音同样是由振动引起的,而有关振动行为的信息对研发部门来说非常重要。

蔡司解决方案

通过ZEISS ARAMIS高速三维测试系统,可对成品风扇叶片进行锤击测试,从而获取叶片的三维振幅、固有频率及锤击变形趋势分析(ODS : Operational Deflection Shape)。

通过ARAMIS高速三维测试系统可以达成以下应用:

l 通过锤击测试进行振幅分析

l 进行运行挠度形状分析并识别固有频率

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对风扇叶片进行锤击时,ARAMIS系统通过振动测试检测风机叶片内部的裂纹或损坏。若存在裂纹,与完好部件的结果相比,固有频率会发生变化。

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