一种生成复合材料的3D断层合成图像的方法与流程

一种生成复合材料的3d断层合成图像的方法
1.本发明总体上涉及一种生成复合材料的至少一部分的3d断层合成图像的方法，并且发现其在对复合材料进行无损评估和测试以识别结构性故障和/或假冒材料方面特别有用，但这并不是唯一的用途。
2.复合材料通常被定义为由两种或两种以上材料组成，两种或两种以上的材料的组合方式为使得可以使复合材料的特性不同于单个材料的特性。常见的例子包括纤维增强塑料和碳纤维，但也可以包括塑料-金属层压板和其他层压板或基体材料。
3.对组件，特别是含有复合材料的组件进行无损评估和测试是一项具有挑战性的工作。例如，分层是一种材料断裂成层的失效模式。包括层压复合材料在内的多种材料可能因分层而失效。
4.结构健康监测(shm)可定义为“技术数据的获取、验证和分析，以促进生命周期管理决策”。更一般地说，shm表示一个可靠的系统，能够检测和解释由于损坏或正常操作导致的结构出现不利“变化”。
5.shm对某些行业，例如航空航天工业，更有利，因为损坏会导致灾难性(且代价高昂)的故障，并且所涉及的车辆需要定期进行昂贵的检查。飞机越来越多地使用复合材料，以利用其优异的比强度和刚度特性，以及它们减少雷达横截面和“零件计数”的能力。然而，缺点是复合材料对金属部件的设计、维护和维修提出了挑战，因为它们往往会因分布和相互作用的损坏模式而失效。此外，由于材料的各向异性、纤维的导电性、基体的绝缘特性以及大部分损伤经常发生在层压板的顶面下方，例如几乎看不到冲击损伤，因此检测复合材料的损伤往往很难。
6.目前成功的用于小型实验室样品的复合无损检测技术，例如射线检测(渗透增强x射线)和水力超声(c扫描)，对于大型部件和集成车辆而言是不现实的。
7.此外，当前可视化技术的主要限制是对所谓的闭合分层进行成像的可能性非常有限，其中分层的层实际上没有物理间隙地接触。
8.已经研究了几种技术来检测复合材料中的损伤，其侧重于模态响应。这些方法是最早和最常见的方法之一，主要是因为它们很容易在任何大小的结构上实现。结构可以被环境能量、外部振动器或嵌入式执行器激发，嵌入式应变计、压力计或加速度计可用于监测结构动态响应。正常振动模式的变化可能与结构刚度的损失有关，通常使用分析模型或实验确定的响应历史表来预测相应的损坏位置。然而，困难在于对此类系统收集的数据的解释。所选择的各个传感器的分辨率和范围以及它们在结构上分布的密度也使检测受到了限制。
9.另一个令人感兴趣的领域是3d打印或增材制造，其中通常逐层应用单个材料来构建一个物体。虽然传统的3d打印可能不被视为传统意义上的复合材料，但分层结构与层压板具有相似的挑战，因为它们具有低x射线对比度，可能会出现隐藏的空隙和缺陷。
10.此类产品的一个问题是由各种原因引起的“层起皱”，原因包括热历史、真空袋移动、树脂不均匀等。这些褶皱可能会导致零件不适合。但是可能到制造过程后期才会发现这种起皱(大大增加了废弃零件的成本)或者完全不会检测到这种起皱(导致现场部署不合适
的零件)。因此，在制造过程中检测此类褶皱和相关缺陷具有重要意义。
11.超声波提供的关于许多类型零件的结构完整性的信息有限，并且很容易在复杂的装配中失效。二维x射线无法揭示具有复杂上层和下层结构的缺陷。现有的3dx射线成像(即ct)可能速度慢、成本高、重且搬至现场使用非常复杂，因为它需要三相电源和辐射屏蔽室。此外，ct通常使用可能会损坏某些敏感组件的高剂量辐射。传统的机械测试(应变仪、磁通量等)通常不适用于增材制造，并且在发生故障之前可能无法发现隐藏的缺陷。
12.同时，假冒组件是一个很严重的问题。假冒产品现在很常见，这可能引发安全问题。显然需要识别假冒产品。
13.因此，需要能够以非破坏性方式检查结构完整性和/或其特性的复合材料，以及一种检查所述结构完整性和/或特性的方法。
14.第一方面，本发明提供一种生成复合材料的至少一部分的3d断层合成图像的方法，所述复合材料包括与树脂材料混合的纤维和多个基准标记，该基准标记包括使x射线衰减程度大于纤维和树脂材料的元素，使得它们在复合材料部分内的位置可通过x射线成像确定，该方法包括提供复合材料，提供x射线发射器阵列和数字x射线探测器的步骤，其中所述x射线发射器阵列和所述数字x射线探测器彼此保持固定关系并与复合材料保持固定关系，对复合材料的至少一部分进行x射线成像以提供第一组3d断层合成图像以确定至少一些基准标记相对于彼此的相对位置，提供数据库并存储数据库中至少一些基准标记相对于彼此的相对位置。
15.通过这种方式，可以创建3d断层合成模型，该3d断层合成模型可以电子方式存储在数据库中，并且可以在未来被询问/处理以提供至少一些基准标记的位置。标记的位置可以相对于其他标记或基准，例如复合材料内或其表面上的特定识别点。该信息可被视为地图。
16.所述方法还可以包括将至少一些基准标记的相对位置与预定的一组位置进行比较以评估复合材料的质量的步骤。预定的一组位置可以存储在所述数据库中。
17.例如，如果复合材料以特定的预定方式构造并且基准标记被添加至预定位置处的树脂材料，则标记的相对位置应该与标准的、保存的一组数据相匹配。但是，如果比较表明位置不同，或者至少差异超过了预定阈值，则可能是由于制造过程中的错误所导致的。这可能有助于识别不符合质量控制标准的产品。
18.所述方法还可以包括在初始成像之后的某个时间点对复合材料的部分进行x射线成像以提供第二组3d断层合成图像以确定至少一些基准标记相对于彼此的相对位置；并且可以比较第一组和第二组3d断层合成图像中基准标记的相对位置，以评估复合材料部分的结构完整性发生变化的情况。
19.第二组图像可以包括第一组图像中的所有标记或仅包括其中一些标记。比较步骤可以包括询问数据库的步骤。
20.通过这种方式可以一直监测复合材料的结构健康。例如，如果在比较相对位置时发现相对位置不同或超过阈值，则可能表明材料通过分层等方式失效。这可能有助于在需要更换或维修的产品出现故障并导致后续问题之前识别出这类产品。
21.所述方法还可以包括对另一种复合材料的至少一部分进行x射线成像以提供另一组3d断层合成图像以确定至少一些基准标记相对于彼此的相对位置的步骤；并且可以比较
第一组和其他组3d断层合成图像中基准标记的相对位置，以评估其他复合材料的特性。
22.通过这种方式，可以将一种材料中的标记的相对位置与第一组中的标记的相对位置进行比较。第一组可以被认为是与其他产品进行比较的标准。如果相对位置匹配，或者至少在预定公差内，则可以确定已经按照第一复合材料的方式制造了第二、其他复合材料。这可以允许识别制造方法和/或制造地点，使得评估其他复合材料的特性的步骤包括确定其他复合材料是否是假冒产品的步骤。
23.评估其他复合材料的特性的步骤可以包括询问数据库的步骤。数据库的订阅者可以使用它来验证组件产品不是假冒的。
24.所述方法可还可以包括提供2d x射线成像设备和对复合材料的至少一部分进行x射线成像以提供2d x射线图像以确定至少一些基准标记相对于彼此的相对位置的步骤；并且可以将2d图像中基准标记的相对位置与第一组图像进行比较，以评估其他复合材料的特性。
25.在这方面，甚至显示基准标记位置的2d图像也有可能提供足够信息来确定或验证材料的特性。通过这种方式，例如与2d图像进行比较的标准材料的完整3d图像可以例如从订户到数据库都保持保密。这可以允许评估其他复合材料的特性的步骤包括确定其他复合材料是否是假冒产品的步骤。
26.所述评估其他复合材料的特性的步骤可以包括询问数据库的步骤。
27.所述方法还可以包括提供处理器和使用该处理器来确定至少一些基准标记相对于彼此的相对位置的步骤。在这方面，应当理解，处理器可以用于处理从探测器接收的原始信息以创建必要的数据。处理器也可用于产生断层合成图像。处理器还可用于比较几组图像之间标记的相对位置，以评估不同的材料，并将它们与存储在数据库中的其他材料和数据集进行比较，从而评估材料的结构完整性和/或其特性。
28.所述方法还可以包括将x射线发射器阵列和数字x射线探测器中的一个或两个重复移动到复合材料的不同部分以对其进行x射线成像以便对复合材料的多个部分进行x射线成像，其中x射线发射器阵列和数字x射线探测器在x射线成像时彼此保持固定关系并且与复合材料保持固定关系。
29.通过这种方式，通过每次将阵列和探测器移动到不同的位置，可以随着时间在相对较小区域的部分中对包括复合材料的大型物体(例如飞机机翼)进行成像，从而使整个物体成像。
30.所述方法还可以包括处理为复合材料的每个部分获得的各种x射线图像集以创建复合材料的单组连续图像的步骤。
31.可以通过模式分析对图像进行任何比较，使得它是被比较的各个图像(例如，第一和第二组图像)内的标记的模式的至少一部分。
32.术语“复合材料”可以包括复合材料、层压材料、基体材料和包含更多具有不同物理特性的元素的其他类似材料中的任何一种或多种。它可以定义为由两种或两种以上材料组成，两种或两种以上的材料组合成使得复合材料的特性不同于单个材料的特性。常见的例子包括纤维增强塑料，但也可以包括塑料-金属层压板和其他层压板或基体材料。复合材料可以包括3d打印/增材制造产品。
33.术语“纤维”可以包括碳纤维、纤维、纤维增强材料、织造纤维、非织造纤维中的任
何一种或多种。术语纤维可包括凯夫拉尔(rtm)、粘胶、天丝(rtm)、人造丝(rtm)和其他聚合物。
34.术语“树脂材料”可以包括填料、树脂、环氧树脂、粘合剂和聚合物增强材料中的任何一种或多种。
35.复合材料内的基准标记的位置可以相对于基准，例如材料表面上或材料内的点或平面。替代地或附加地，标记的位置可以是相对于彼此的。
36.包含多个基准标记，这些基准标记包括将x射线衰减到比纤维和树脂材料更大的程度的元素，可称为“盐化”，并且是指包含不足以冲击结构的主要物理特性(强度、重量等)的有限量的材料。
37.术语“基准标记”可以包括放置在成像系统的视野中的对象，该对象出现在所产生的图像中，用作参考点或测量值。在这种情况下，它可以永久放置在成像对象中，目的是：增强在“z”维度上的辨别能力；特别是为了提高对分层的敏感性，因为编织通常垂直于光线路径；提供永久地图，允许在不同时间对同一设备进行比较，并通过对子组件进行成像并将图像“拼接”在一起来对设备进行成像；并且，唯一且永久地识别该设备。
38.可以使用x射线对复合材料进行成像，以提供独特的签名“密钥”。这些密钥可用于定位复合材料中的缺陷，尤其是在深度轴上的缺陷，这可能很难在x射线上测量；并且，可以用作用于组件验证的物理不可克隆功能(puf)。对于大型结构，例如飞机机翼，可能不需要跨越整个结构的单个密钥或甚至从结构的大面积生成的密钥。相反，可以从各种感兴趣的区域生成一组密钥。这种布置还具有能够识别即使已经损坏和拆开的零件的额外的好处。这样，puf-per-unit-area的概念可能很有用，签名密钥是从扫描区域的拼凑中生成的。它也可用于确认覆盖的完整性。
39.关于能够检查复合材料的分层，需要注意的是，使用基于x射线的探测的问题是复合材料难以成像，因为它们衰减不好，并且衰减中没有出现材料变化，从而产生低对比度的图像。
40.基准标记可以包括铜、铁、钼、钨和金中的一种或多种。可以使用其他元素或化合物，因为它们在使用x射线成像时提供与树脂材料和纤维的对比。
41.基准标记可以包括具有金属芯的碳纳米管。当复合材料在不会对设备的功能特性(强度和重量)产生负面影响的程度上形成时，可以将其他金属分子(或其他衰减标记)引入树脂材料中。碳纳米管也有可能被衰减标记“标记”。这可能是由于未完成标准碳纳米管制造过程从而在碳纳米管内部留下亚铁分子而实现的。也可以在碳纳米管上具有一种或多种金属护套或金属颗粒“装饰”。这些可能来自额外的加工步骤，例如涂层的应用等。
42.基准标记可以包括尺寸大约为1到40μm的颗粒。其他尺寸，例如在50-5000nm范围内的尺寸也是可以考虑的。
43.树脂材料可包含按重量计大约小于0.1％的基准标记。
44.从材料外部肉眼可能看不到基准标记。
45.基准标记与树脂材料的体积比可能因材料而异，以提供其位置的指示。例如，该比率可以通过材料从一侧到另一侧增加或减少。例如，该比率可以随着材料的每一层而增加或减少(如果材料已经以增材制造方式形成)。(通过x射线成像)确定材料中任何给定点的比率可以提供材料内位置的指示。
46.树脂材料内的基准标记的数量可以通过材料以受控方式变化。术语“受控方式”包括随位置有规律地增加/减少数量，但是也可以包括其他数量的变化，例如对数增加/减少，以及由已知算法控制的增加/减少。(通过x射线成像)确定材料中任何给定点的数量可以提供材料内位置的指示。
47.同样，树脂材料内的基准标记的尺寸和/或成分可以通过材料以受控方式变化。(通过x射线成像)确定材料中任何给定点的尺寸和/或成分可以提供材料内位置的指示。
48.基准标记可以规则地布置在整个树脂材料中，或者以限定的间隔布置在复合材料内的纤维上。例如，可以在每一层中生成规则的2d图案以创建整体3d图案。这可以更容易地帮助确定分层材料的分层或层褶皱。
49.制造复合材料的方法可以包括将树脂材料和多个基准标记施加到纤维的步骤，所述基准标记包括将x射线衰减到比纤维和树脂材料更大的程度的元素，使得它们在复合材料中的位置可通过x射线成像确定。
50.所采用的x射线系统允许进行数字断层合成，也称为有限角度断层扫描，它以不同“切片”的形式提供穿过物体的深度信息。x射线系统可以使用二维“扫描”来增强超分辨率的使用。“扫描”意味着x射线发射器的分布式源布置在2d平面中，而不是1d线。
51.数据库订阅者可通过数据库访问的数据量可能取决于以下因素：用户的身份、他们对数据的需求的性质，例如是否用于检查产品的结构完整性或检查其特性。可以出售或许可访问数据库。可以使用云注册平台(即远离x射线成像系统的平台)来生成密钥。
52.可以在制造时对复合材料进行成像，并且可以记录基准标记的唯一相对位置。可以在测试点比较基准标记的绝对位置，从而最终识别结构的变化。基准标记的相对位置可能是唯一的，允许“图像拼接”方法来检查大型物体，例如整个飞机上层建筑，使用具有比被成像设备小的探测器的系统，但同时给出确信所有结构都已成像。
53.密钥的存在可以增强执行纵向分析(随时间推移进行分析)的能力，因为(例如)两个单独标记的分离增加，特别是在“z”维度上的分离的增加可能表明损坏，例如分层。
54.每个物品可能有一个唯一的密钥，允许各方识别假冒产品。一个相对较大的物品可能包括几个密钥，允许识别较大结构的特定元素，例如在飞机坠毁后回收碎片的情况下识别较大结构的特定元素。
55.如果在销售时已记录密钥，则结构、物品或产品中的密钥可用于识别其所有者。
56.对物品的探测可以通过x射线成像确定其密钥。密钥的生成可以将x射线图像转换为汉明空间中的字符串，并且“模糊离散器”的使用可以允许生成“噪声鲁棒向量”。这些向量，一组三维坐标可以转换为唯一的“密钥”。密钥的确定可能需要多次扫描，并且在安全数据库中验证或匹配这些密钥可能需要在嘈杂环境中运行的统计方法。实际上，将x射线扫描转换为向量代码可能涉及预处理，包括过滤(例如gabor过滤器)、阈值化和对输出进行采样，然后可以使用几种算法之一对其进行编码。
57.如果对物品进行2d x射线成像，则可以在一个平面中确定基准标记相对于彼此的位置。如果物品经受3d成像，则基准标记相对于彼此的位置可以在多于一个平面中确定。可以利用2d成像的这种限制来提供一种简单的方法来检查物品是否为伪造品，而无需透露3d密钥甚至允许访问3d密钥数据库。通过这种方式，可以在不损害制造商使用3d扫描验证零件的能力的安全性的情况下对零件的真实性进行现场检查。检查结构完整性可能需要进行
3d扫描。
58.基准标记可以在x射线图像上表示为一种颜色的斑点，这种斑点的颜色与树脂颜色不同。
59.根据以下结合附图给出的具体实施方式，本发明的上述和其他特征、特点和优点将变得更加显而易见，其中所述附图通过示例示出了本发明的原理。该描述仅为了示例给出，而不限制本发明的范围。以下引用的附图标记指附图。
60.图1是示出生产复合材料以及生成和检查密钥的一系列步骤的流程图；
61.图2是复合材料的x射线图像；
62.图3是x射线成像系统的示意图；和
63.图4是另一种复合材料的x射线图像。
64.本发明将参照某些附图进行描述，但本发明不限于此，而仅受权利要求的限制。所描述的附图只是示意性的并且是非限制性的。每张附图可能不包括本发明的所有特征，因此不应被认为是本发明的一个实施例。在附图中，出于说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸与本发明实践的实际缩减并不对应。
65.此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，并不一定用于描述时间、空间、排序或任何其他方式的顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够以不同于本文描述或图示的其他顺序进行操作。同样，以特定顺序描述或要求保护的方法步骤可以理解为以不同顺序操作。
66.此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述目的，并不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够在不同于本文描述或图示的其他方向上进行操作。
67.需要注意的是，在权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为仅限于其后列出的装置；它不排除其他元素或步骤。因此，它被解释为指定所提及的所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤或组件或其组。因此，表述“包括装置a和b的设备”的范围不应限于仅由组件a和b组成的设备。这意味着就本发明而言，设备的唯一相关组件是a和b。
68.类似地，应当注意，描述中使用的术语“连接”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表述“连接到设备b的设备a”的范围不应限于其中设备a的输出直接连接到设备b的输入的设备或系统。这意味着a的输出和b的输入之间的路径可以是包括其他设备或装置的路径。“连接”可能意味着两个或多个元件直接物理或电接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触但仍相互协作或相互作用。例如，考虑无线连接。
69.在整个说明书中对“一个实施例”或“一个方面”的引用意味着结合该实施例或方面描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，在本说明书各处出现的短语“在一个实施例中”，或“在一个方面”不一定都指代相同的实施例或方面，而是可以指代不同的实施例或方面。此外，本发明的任何一个实施例或方面的特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式与本发明的另一实施例或方面的任何其他特定特征、结构或特性组合，这对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。
70.类似地，应当理解，在描述中，本发明的各种特征有时在单个实施例、图或对其的描述中组合在一起，目的是简化

技术实现要素：
并帮助理解各种发明方面中的一个或多个。然而，
这种公开方法不应被解释为表明要求保护的发明需要的特征要比每条权要中明确说明的特征多。此外，任何单独的附图或方面的描述不应被认为是本发明的实施例。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例的所有特征。因此，具体实施方式之后的权利要求特此明确并入该具体实施方式中，每个权利要求独立作为本发明的单独实施例。
71.此外，如本领域技术人员将理解的，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中包含的一些特征，但是不同实施例的特征的组合意在在本发明的范围内，并且形成另外的实施例。例如，在以下权利要求中，可以以任何组合使用任何要求保护的实施例。
72.在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，为了不混淆对本描述的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。
73.在本发明的讨论中，除非有相反的说明，否则参数的允许范围的上限或下限的替代值的公开，加上所述值之一比另一个更优选的指示，应被解释为隐含地表明，位于所述备选方案中更优选和次优选之间的所述参数的每个中间值本身优先于所述次优选值以及位于所述次优选值和所述中间值之间的每个值。
74.在某些情况下，“至少一个”一词的使用可能仅表示一个。在某些情况下，“任何”一词的使用可能意味着“所有”和/或“每个”。
75.现在将通过与示例性特征相关的至少一幅附图的详细描述来描述本发明的原理。很明显，在不脱离基本概念或技术教导的情况下，根据本领域技术人员的知识可以配置其他布置，本发明仅由所附权利要求的条款限制。
76.图1描绘了典型制造过程中的基本方法步骤100，包括检查复合材料的特性和/或结构完整性。
77.第一步骤10，树脂材料与基准标记混合。第二步骤20，将混合的树脂材料和基准标记施加到纤维上。可以使用模具来形成特定的形状。然后第三步骤30，固化所得复合材料。真空成型和加热应用可用于成型和固化步骤。
78.然后第四步骤40，对所得复合材料进行x射线成像。然后第五步骤50，处理x射线图像以基于基准标记相对于彼此的位置生成唯一密钥。
79.然后第六步骤60，将该密钥记录在数据库65中。
80.此时，可以将密钥与可能存储在数据库中的“标准”密钥进行比较，以检查材料的完整性。换句话说，检查其结构是否符合预先确定的质量控制要求。
81.稍后，复合材料还可以在第七步骤70中进行x射线成像。然后可以在第八步80中处理x射线图像以基于基准标记相对于彼此的位置来生成密钥。
82.然后可以在第九步骤90中将该密钥与来自第六步骤60的数据库65中存储的各种密钥进行比较。比较可以确认复合材料的特性或者可以揭示它是伪造的，因为不存在这样的密钥。替代地或附加地，对于相同的复合材料，后一个密钥与前一个密钥的比较可用于评估其结构完整性，因为标记在同一位置或已移动，指示材料内的故障。
83.应当理解，在第七步骤70中成像的材料可能与在第四步骤40中成像的材料不同。这可以允许确定新材料的特性和/或确定它是否是伪造的。
84.密钥可以是图像中识别的所有或一些基准标记的位置坐标的集合。
85.图2示出了复合材料200的x射线图像的示例。在图像内可以看到各种斑点。一些斑点210可能与基准标记有关。其他斑点220可能与对电离辐射敏感的材料有关。另外的斑点230可以涉及具有金属芯的碳纳米管。可以确定标记相对于彼此的位置。替代地和/或另外地，至少一些标记的位置可以相对于诸如材料200的基底240的基准来确定。
86.图3中示出了示例x射线成像系统300。它包括可以是一个或多个平板阵列的x射线发射器305，和探测器310。复合材料200布置在两者之间并经受x射线320。在处理器330中对所得图像进行处理以生成密钥。处理器可以连接到用于存储图像和/或由此生成的密钥的数据库65。应当理解，处理器330和/或数据库65可以位于远离x射线发射器305和探测器310的位置。
87.提供监视器340，用于控制系统300。
88.图4是示例复合材料400的描绘，其中基准标记410以规则图案排列。这种图案也可能是标记以规定的间隔排列在材料内的纤维上的结果。此视图是材料的2d切片。应当理解，规则图案可以布置在一个以上穿过材料的平面中。