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科技环境

“火眼金睛”看透塑料的“五脏六腑”

纤维增强塑料既轻,强度又高,用途很广。而要想达到高强度性能,它的层状构造就必须符合要求,层与层之间就必须粘接牢靠。那么它里面究竟是否如此呢?利用超声波,就可明察秋毫。

Ultraschall Werkstoffprüfung Computerauswertung

弗劳恩霍夫无损检测研究所(IZFP)的实验装置

(德国之声中文网)一支机械臂把浸在水池里的超声波探头,在水池里的碳纤维复合板上来回移动,旁边的屏幕上,就同步出现一个彩色三维图,把碳纤维复合板里的所有细节--杂质、气泡也好,还是裂纹、变形部位,亦或是层状构造和粘接在一起的纤维板的均匀程度等,一一暴露无遗。而研究人员就可以根据这些细节,来判定这块材料的加工质量和耐久性。

BMW erweitert Leipziger Werk für E-Autos

用碳纤维制造的车身。利用超声波断层扫描技术,就可以检验其质量。

"就是材料里缺陷的大小和其精确位置,我们也可以识别出来。"弗劳恩霍夫无损检测研究所(IZFP)的汉斯-格奥尔格•赫尔曼教授(Hans-Georg Herrmann)说道。赫尔曼领导的部门专门研发新的无损检测方法。比如说,在把用碳纤维复合材料做成的机翼安装到飞机上之前,就需要对它再进行一次彻底的检查,检查它的"五脏六腑"是否真的没有问题,而这时,超声波技术就是最佳选择,因为超声波的"火眼金睛"不会放过任何疵瑕,而且超声波技术是典型的无损探伤,不用钻孔,不用取样,不会伤到部件的一丝"毛发"。

广泛应用于医学领域的方法

大部分老百姓是因为看病,譬如说看心脏内科,才知道有个超声波技术的。孕妇也知道,就是人们常说的B超。B超成像技术如今已经非常成熟,以至在孕妇做B超检查时,父母可以在屏幕上看到胎儿清晰的细节。

Ultraschall Untersuchung Schwangerschaft

B超检查在医学领域已习以为常,但其成像却是二维的平面图像。

不过,两种方法之间,还是有差别的:纤维板是放在水里的,水在这里起的是更好地传播超声波的作用;而在人的皮肤和超声波探头之间,却是抹一层凝胶,起同样的作用。还有一个差别就是做B超检查,是医生的手,而不是机械臂在操作探头。

三维图

但两者最大的差别,还是在对超声波信号的处理方面了,因为对这些信号,现在有了全新的计算机图像分析和处理方法,而且其质量还在不断完善。弗劳恩霍夫无损检测研究所的研究人员就成功地开发出一种算法,可以利用机械臂上的超声波探头所探测到的信号,生成高分辨率的三维图像,这实际上就是一种超声波断层扫描成像法。也就是说,研究人员可以"看"清纤维板里的立体情况。这一点对检测不规则部件如汽车车身就非常重要,因为里面的纤维定向,四面八方的都有。

Ultraschall Werkstoffprüfung Prüfkopf

探头提供用于成像的信号

这种"特异功能",其实最终要归功于机械臂终端那个构造极为复杂的超声波探头。这个探头里面挨个排放了很多单个振荡器探头,这样就可以对工件进行一片一片的检测,而不是传统地一个点一个点地进行,从而可以大大提高检测速度。

这套系统的独到之处还在于可以单独控制每一个单个振荡器,这样一来就可以特别聚焦材料中的某一点。"用这种方法拍出的图像,其对材料里各个地方的分辨率要比迄今常用的方法好得多。"赫尔曼教授强调说:"同时我们还能大大提高检测速度。"这种新技术可以做到实时向检测人员提供数据,这一点非常重要,是该技术将来是否可以常规应用到汽车或飞机生产线上的一个关键要素。

作者:Fabian Schmidt 编译:施彦

责编:石涛