碳纖維葉片制造的“隱形克星”：如何用光學檢測實現零缺陷交付?

     在航空航天領域，民用航空發動機輕量化減重的發展趨勢，致使風扇葉片從鈦合金材料發展為碳釬維材料。碳纖維具有重量輕、剛性好的特點，其工藝涉及碳纖維鋪層、樹脂注射及固化、榫根加工、碳釬維前緣包邊等流程。

     蔡司三維光學測量系統應用于碳纖維風扇葉片的工藝流程中，從碳纖維鋪層、榫根加工到最后成品均有覆蓋，以確保可靠的質量及檢測效率。

客戶挑戰（一）風扇葉片表面缺陷檢測

     碳纖維復合材料在航空發動機風扇葉片中應用率高達70%，其比強度（抗拉強度/密度）顯著優于金屬材料。但各向異性結構導致其對局部缺陷極為敏感，尤其是膠帶末端等幾何突變區域。

膠帶末端是碳纖維鋪層粘接的終止點，易因工藝應力或熱應力產生以下缺陷：

分層與脫粘：膠層與纖維界面因固化收縮或振動載荷發生分離

微裂紋與纖維斷裂：應力集中導致樹脂基體開裂或纖維束斷裂

孔隙與氣泡：層壓過程中氣體殘留形成空洞，降低局部強度

蔡司解決方案

     針對風扇葉片的檢測，蔡司光學條紋投影系統ATOS的技術優勢得到充分發揮，例如前后緣的高分辨率網格獲取、快速的檢測節拍，表面缺陷檢測，全域輪廓分析及翼型參數評價等。

     由于風扇葉片扭曲度大、葉身較長，蔡司可根據客戶的需求進行定制化夾具設計。這類夾具用于風扇葉片的光學檢測時，具有無需貼點、裝夾快速、定位精度高的特點。同時，同一框架可滿足同一系列產品的批量測量需求。

     在碳纖維鋪層階段，膠帶末端是很重要的質量控制要素。ZEISS ATOS 5 for Airfoil 測頭單幅照片分辨率高達1200萬像素，通過ZEISS INSPECT 軟件中的表面缺陷圖，可輕松發現碳纖維膠帶末端的質量缺陷。

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客戶挑戰（二）風扇葉片翼型輪廓評價

     碳纖維風扇葉片的幾何復雜性（三維彎掠、漸變厚度、異形榫根）和材料敏感性（分層風險、涂層完整性）決定了傳統檢測手段的局限性。條紋投影光學掃描通過非接觸式全場測量，實現了從設計驗證到維修再生的全流程閉環管控：

針對全域輪廓色差分析

針對特殊翼型構型的參數評價

蔡司解決方案

     在翼型加工至成品階段，ZEISS ATOS 5 測頭可以對翼型進行全域輪廓分析，指導下一步加工；同時，可根據風扇葉片的工藝要求，對翼型參數進行評價，例如前尾緣、葉盆葉背輪廓度、弦長、厚度等尺寸。

     ZEISS ScanBox 5110/ScanBox 5120 配置ZEISS ATOS 5 for Airfoil 測頭，是針對風扇葉片的絕佳測量方案。結合MV400 和 Plus 29M MV 1000 鏡頭，可滿足不同風扇葉片的測量需求—— 無論是表面缺陷檢測，還是翼型參數分析，尤其是針對特殊前尾緣構型的翼型檢測，均能勝任。

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客戶挑戰（三）風扇葉片振動測試

     近年來，噴氣式發動機的尺寸越來越大，最大發動機的風扇直徑可達 340cm。 在運行過程中，重載會對葉片產生影響（如風壓、振動、向心力），這是導致葉片在整個使用壽命期間性能發生變化的原因。 一項關鍵任務是，維護運營部門需采用高效且經濟的方式（在維護過程中）檢測出設備的裂縫和損壞情況。 第二個任務是降低運行過程中的噪音——這種噪音同樣是由振動引起的，而有關振動行為的信息對研發部門來說非常重要。

蔡司解決方案

     通過ZEISS ARAMIS高速三維測試系統，可對成品風扇葉片進行錘擊測試，從而獲取葉片的三維振幅、固有頻率及錘擊變形趨勢分析（ODS ： Operational Deflection Shape）。

通過ARAMIS高速三維測試系統可以達成以下應用：

通過錘擊測試進行振幅分析                        

進行運行撓度形狀分析并識別固有頻率

     對風扇葉片進行錘擊時，ARAMIS系統通過振動測試檢測風機葉片內部的裂紋或損壞。若存在裂紋，與完好部件的結果相比，固有頻率會發生變化。

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