智慧化複材視覺檢測技術開發

摘要：複合材料的使用隨著時代進步、使用者需求的增加與能源的短缺，例如運動器材的輕量化、風力葉片發電效能的提升、交通運輸工具的節能需求、與工業生產設備大型化需求…等，均使複合材料結構件朝向大型化與輕量化的趨勢。早期碳纖維複合材料製造品質檢測的部分往往是以人工肉眼的方式，不僅花費的時間多，也會出現人為的疏失，因此利用非破壞式檢測技術的輔助能夠大大的提高產能，本文將針對光學式檢測技術進行介紹。
Abstract：To keep up with progress of the times, to meet increase of user needs and to solve the issue of energy shortage, examples such as light weight requirement for sports equipment, improvement of wind power generation efficiency of wind blades, energy-saving requirement for transportation vehicles, etc., have caused the use of composite material structural parts toward large-scale and light-weight trends. In the early days, the quality inspection of carbon fiber composite materials was often performed manually by naked eye vision, which not only took a lot of time, but also caused human errors. Therefore, the use of non-destructive inspection technology can greatly improve the production capacity. This article will be focused on the introduction of optical inspection technology for composite materials.

關鍵詞：複合材料、碳纖維、光學檢測
Keywords：Composite material, Carbon fiber, Optical inspection

前言
複合材料是由基體與增強體所組成，結合了不同材料之特性，並且提供了工程所需，最常見的複合材料就是“鋼筋混凝土”。混凝土(基體)的價格低廉，即使在壓縮力很大的情況下也不會壓縮變形或是破裂，然而混凝土若在拉伸的情況下很容易就會破裂，為了使其具備抗拉伸的能力，會在其中加入能夠抵抗高拉伸力的鋼筋(增強體)，以形成保持兩種材料優勢的鋼筋混凝土。
碳纖維複合材料就是由混合塑料樹脂(基體)加上碳纖維(增強體)所組成。碳纖維是由上千條碳原子構成的碳纖維集束所形成的增強材料，沿著纖維的縱軸方向擁有非常高的強度，使用縱橫交錯紋路堆疊組成的碳纖維布可以抵抗來自各方向的拉力，如圖1所示。
傳統製造業當中鋼鐵是最為廣泛應用的材料，其堅固的特性，所涉及到的產業有航空業、汽車業等的製造，而隨著碳纖維複合材料的出現，與相同重量的鋼鐵材料相比碳纖維複合材料的強度是鋼的強度約40倍，也因為其質地輕的物理特性，逐漸的取代了鋼、鋁等傳統的材料。複合材料具有質輕、高剛性、高強度、高設計自由度及耐腐蝕等眾多優點[1]，被廣泛應用於各種結構物，如飛機、船舶、汽車、運動器材、工業生產設備和土木建築工程等。而複合材料的使用隨著時代進步、使用者需求的增加與能源的短缺…等，如運動器材的輕量化、風力葉片發電效能的提升、交通運輸工具的節能需求、與工業生產設備大型化需求…等，均使複合材料結構件朝向大型化與輕量化的趨勢。早期碳纖維複合材料製造品質檢測的部分往往是以人工肉眼的方式，不僅花費的時間多，也會出現人為的疏失，因此利用非破壞式檢測技術的輔助能夠大大的提高產能，本文將針對光學式檢測技術進行介紹。

圖1 碳纖維產品

複合材料應用與國際上相關視覺檢測
2020年全球複合材料市場的規模為378.8億美元，預計從目前到2028年間全球複合材料產業的年成長率將為5.3%，高於全球的經濟平均成長率。同時，2020年由於受到COVID-19疫情的影響，產業獲利下滑，全球複合材料產業的附加價值為31.78億美元，約為全球複合材料整體市場規模的8%。運輸、航空與國防、海運、管線與油罐、電力與能源、電氣與電子、房屋與建材市場為複合材料的主要應用領域；2020年「運輸用途」成為全球複合材料市場的最大應用，預計在2028年前仍將是最大的應用市場。2019年JEC Group發表的全球複合材料市場資料顯示，亞洲地區複合材料市場占全球用量的46%，已超過美洲以及歐洲用量[2]。
2016年亞洲地區碳纖複合材料超過1/4應用於運動及休閒用品中，風電相關應用則占亞洲碳纖複材用量約20%。在全球汽車輕量化以及亞洲鼓勵燃料電池車發展趨勢下，碳纖複合材料在汽車領域的應用預計將以年複合成長率超過20%的速度增加，預計將成為2030年亞洲最主要的碳纖複材應用、占比超過1/3，而碳纖複材應用於管線與氣瓶預估也將以年複合成長率30%以上的速度成長，應用占比從2016年的1%增加到2030年的12%。
碳纖產品目前在製程中的檢驗大多仍仰賴人工目視檢測，因此近幾年許多國際大廠逐漸開發相關製程中的光學檢測方式，以下將介紹幾種產品技術：
  1.HEXAGON：Apodius Vision System 2D [3]以及 HP-C-V3D複合材料測量系統[4]分別能夠掃描複合材料成2D以及3D的影像，用以辨識碳纖加工常見的問題(纖維定向、間隔、波動、摺疊、線鬆、異物、切邊…)。
  2.自動鋪疊即時檢測技術[5]：在製造航空零件時，快速、高效的纖維自動疊層技術(Automated Fiber Placement, AFP)和自動鋪帶(Automated Tape Laying, ATL)實際上並不快速有效，因為其檢驗及返工(rework)就佔了大部分的時間，而David Maass所提出的自動鋪疊即時檢測技術解決了人工檢驗的問題。將輪廓儀安裝在疊層的頭座上，接近即時的顯示在軟體內，大大降低了尋找缺陷的時間，現在，如果有必要的話，操作人員可以直接去修復這個缺陷，而不是花費大部分的時間來尋找缺陷。
智慧化複材視覺檢測技術
在本文中，將介紹2種自行開發之複材視覺檢測技術，首先是藉由2D視覺進行碳纖編織紋理之角度分析，其中針對複材貼合紋路將採用複合光源，光源相對於複合結構定位並照亮複合結構。由光源產生的光與複合結構中的缺陷不同地反射，而不是從結構的無缺陷部分反射。藉由光源系統之亮暗場成像，進而增強其複合材料貼合紋路之對比。此部分演算法導入Canny邊緣偵測技術，Canny演算法是一個複合性的邊緣偵測演算法，結合了Gaussian Filter、梯度偵測、非最大值抑制、判斷邊界四個演算法去實踐邊緣偵測。圖2為雙向纖維布料使用Canny邊緣偵測得出的結果圖，可看出經過此演算法已可將纖維與纖維交錯之邊緣萃取出來。得出邊緣後，接著使用霍夫變換進行特徵萃取，可以識別影像中的幾何形狀。它將影像空間中的特徵點對映到引數空間進行投票，通過檢測累計結果的區域性極值點得到一個符合某特定形狀的點的集合。經典霍夫變換用來檢測影像中的直線，後來霍夫變換擴充套件到任意形狀物體的識別，多為圓和橢圓。它的抗噪聲、抗形變能力較強。另一種直線提取的方法是對影像邊緣點進行鏈碼追蹤，在得到鏈碼串中提取直線。