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?

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。