CT掃描復材中的應用
第一部分
圖 1：對玻璃纖維增強片材模塑化合物(SMC- sheet molding compound)進行的定向分析。每個方向都用某種顏色編碼。該取向數據可用于獲得纖維在厚度上的取向分布，以驗證流動模擬并為結構模擬提供可靠的數據
隨著復合材料制造的進步迅速拓寬了零件幾何形狀、材料和結構策的可能性范圍，還必須實施新的計量和微觀結構研究方法，以確保產品的持續改進和可靠性。航空航天和其他使用復合材料的行業長期以來一直依賴于視覺、聲學、超聲波，最近還依賴于基于射線照相的法，以及用于表面尺寸檢查的坐標測量機（CMM-coordinate measuring machine）。根據時間、成本、產品復雜性和所需的安全程度，每種無損檢測（NDT- non-destructive tests）都扮演著不同的角色。
由于許多復合材料產品—無論是消費品、運動品、汽車還是航空航天產品—都突破了重量輕和性能的極限，因此對最終使用安全、風險規避和業務可持續性來說，深入的內部零件檢查變得更加重要。
計算機斷層掃描的作用
計算機斷層掃描（CT）掃描及相關數據分析和可視化是當今復雜產品的理想選擇。近年來，在X射線斷層掃描、高性能計算、軟件算法和用戶界面方面取得了長足的進步，這些技術可以交流復雜的數據，CT掃描和數據分析從中受益。CT技術的獨特之處在于，它可以在360度視圖中穿透大多數金屬和復合材料的復雜層。然后通過最先進的軟件處理該原始數據，以創建包括數百萬體素（單個3D 元素，類似于 2D 像素）的維度精確的3D體積圖像。
圖 2：編織物的局部取向直方圖顯示為黃色。使用這些直方圖的主要方向，工程師可以測量覆蓋過程后材料的局部剪切角。
這種軟件創建的數字輸出和彩色編碼的3D圖像都提供了復合材料微觀結構的驚人細節，允許進行設計和制造時的比較。一系列專業的數字工具可用于分析材料密度、加固結構的方向、源自設計和制造缺陷或過載的內部缺陷，以及使用數字體積相關性對樣品不同狀態進行多次掃描計算得出的應變模式。
當今商業和實驗類型的復合材料結構的CT掃描數據分析的綜合能力是廣泛的。任何結構都可以根據其設計意圖進行捕捉和表征?？梢詣摻０鍋碜詣涌焖僦貜偷胤治隽慵卣骱蛦栴}。這包括孔隙率分析（例如，孔隙體積和距表面的距離）；局部纖維、織物和粗紗方向的纖維和樹脂分析；以及導出的統計數據，如取向直方圖或取向張量（圖 2）、纖維體積分數、樹脂內的孔隙率等。所有數據都可以導出到有限元分析工具中，用于改進材料建模和結構模擬，從而能夠建立用于研發和部件設計的比較模型。在適當的情況下，這些分析甚至適用于在線檢測（ILI- inline inspection）。
經典復合材料與分析
最常見的商業復合材料屬于聚合物基復合材料（PMC）類別，包括先進的碳纖維和玻璃纖維增強復合材料（CFRP 和 GFRP）。由長多股陶瓷纖維制成的陶瓷基復合材料（CMC ）在高溫應用中也得到了認可，在抗裂性、熱行為和斷裂韌性方面顯示出比“技術陶瓷”顯著的優勢。
圖 3：孔隙度（左上和上）和纖維取向（右上）可以使用單個 CT 掃描進行可視化和量化。這兩個結果都可以映射到有限元網格（底部中心）上，以局部用作結構分析的材料建模輸入，或驗證過程模擬。
這些復合分組，甚至CMC，都可以受益于相同的CT 掃描分析技術，用于確定缺陷、性能和質量規范狀態。這只是擁有合適尺寸的掃描機并選擇合適的掃描策略和分析設置的問題。根據手頭的材料，每種纖維結構（短、長和連續）、疊層圖案（單向或每層具有指定角度）和粘合材料（樹脂、織物、硅等）都有檢測解決方案。此外，分析本身可以被捕獲和自動化（圖1）。
圖 4：帶有鋁面板和開口泡沫鋁芯的夾層結構。每個單獨的隔室可以自動分離，以生成隔室大小分布或評估細長隔室的方向。
泡沫是復合材料中使用的另一種材料，可以使用CT 數據分析和可視化軟件（圖 4）進行掃描和檢查，以更好地了解其行為。盡管已經廣泛使用，但許多發泡工藝還沒有得到很好的理解。當然，泡沫比固體泡沫更輕，可以在沒有高應力的地方使用。很好的例子是在注射成型過程中的物理或化學發泡塑料。但是泡沫也被用作復合材料夾層結構中的核心材料。與由相同致密材料或比芯部硬得多的另一種材料制成的面板相結合，可以在低重量下產生具有高彎曲剛度的復合材料夾層結構。因此，孔徑、材料體積分數和孔的伸長率對于理解材料的機械和熱行為至關重要。這些材料的典型應用是使用泡沫對冷藏卡車的外殼進行隔熱。
第二部分
圖 1. 使用新型 SMC 材料進行現場試驗的應變場。出現的裂紋清晰可見，并可與微觀結構表征相關，微觀結構表征可使用相同的數據進行。所有結果都可以映射到有限元網格上，以方便驗證有限元模擬的應變場。
在這里，我將探索新型和混合復合材料的成像解決方案，并提供一個在生產過程中應用 CT 分析的例子。
新型復合材料及其雜化材料的發展趨勢
混合復合材料是大學和工業研發環境中的研究課題。雖然它們的定義在最終疊層結構方面可以是傳統的，但它們可以由無機納米/微米材料和顆粒以及有機物質如亞麻、大麻和棉纖維組成。隨著新材料組合呈現出新的力學行為，研究其損傷行為以供研發應用是有意義的。
一種常用的技術是原位 CT 測試，即在 CT 掃描儀內的加載階段對材料樣品或整個部件進行應變。在這里，材料可以同時加載和掃描，所得數據用于評估局部位移和應變張量，以及任何出現的裂紋——所有這些都是 3D 的（圖 1）。但裂紋不一定必須從材料樣本的原位數據集中發現——也可以比較不同狀態下部件的 CT 掃描，例如現場測試前后。
圖 2. 對鋁基體中金屬玻璃制成的復合材料進行薄片分析。該零件采用氣壓滲透法生產。結構的顏色指示每個點的方向，并可用于生成有關方向分布的統計信息。
研究機構中總是出現新的復合材料實驗，無論是在制造過程結果還是現場性能中，都不太了解內部微觀結構的行為。例如， 金屬玻璃與鋁的氣體壓力滲透（圖 2）。通過這一過程生產這種材料仍然是新的，需要科學家獲得更多關于纖維分布和方向的信息。
先進的 CT 掃描分析可以通過在原型和測試后階段提供數據，深入了解這些挑戰。今天有許多軟件解決方案，使用戶能夠真正地在材料內部進行窺視 纖維/樹脂結構的所有生命周期階段。以下是此評估可能產生的典型分析能力：
計算局部纖維方向并生成統計數據，如方向張量，或每個網格單元的局部或全局直方圖，以及材料厚度上的線性直方圖。
- 以彩色代碼或三維矢量或張量形式顯示局部光纖方向。
- 檢測材料內部的孔隙率，無論是基體還是增強體。
- 確定各種復合材料的增強相的局部體積分數。
- 測量每個單元的泡沫的單元尺寸和伸長率，或使用相同的分析來量化高度填充的顆粒增強復合材料或粉末。
- 通過比較現場測試期間進行的多次 CT 掃描，使用數字體積相關性計算位移和應變場。
- 比較多個載荷狀態下的現場數據集，實現穩健的裂紋檢測。
- 從任何有限元軟件導入有限元網格，以直接在網格上繪制通過原位測試測量的微觀結構信息或應變。
工業應用
復合材料的制造成本正在逐漸下降，而生產效率正在提高。CT 提供了一種在廣泛的行業中類似地提高質量保證的方法。
沒有哪個行業比航空航天更安全，航空航天通常采用纖維復合材料分析(FCMA- fiber composite material analysis)來確保質量和認證。當荷載方向確定時，其許多應用都使用單向（UD）增強材料。直升機旋翼就是一個很好的例子。檢測這些葉片中所需和實際纖維方向之間的偏差至關重要，因為纖維只能支撐一個方向上的負載。
圖 3. CT 掃描分析軟件揭示了由輕質纖維增強塑料復合材料（FRP）制成的直升機旋翼槳葉內的纖維取向。VGSTUDIO MAX 的纖維復合材料分析模塊能夠處理纖維材料的小體積和大體積數據集。在小尺寸材料樣品中，該軟件可以顯示單個纖維。在大規模的體積數據集中，可以分析和可視化較大的結構，如織物或粗紗。
直升機葉片生產的主要特點是由訓練有素的個人進行手工作業。根據規范檢查此類安全關鍵產品的每個組件是否存在缺陷，如纖維沉積中的孔隙、分層或波紋。如前所述，葉片應力最好沿纖維的縱向方向傳遞。這就是高級軟件提供的詳細方位分析發揮作用的地方?；?CT 的分析可以揭示纖維方向的偏差，這些偏差可能因葉片而異，從而使工程師能夠輕松審查結果。在工業CT出現之前，檢查轉子葉片的唯一方法就是銷毀它們。這種做法消耗了大量樣本，這是一種代價高昂的做法。
自行車示例
當涉及復合材料時，即使是自行車的開發也可以承擔航空航天任務關鍵工作的艱巨任務。CanyonBicycles 最初是一家在德國科布倫茨一家車庫里工作的小公司，但現在是世界領先的賽車、山地自行車、電動自行車、鐵人三項、健身、城市自行車和兒童自行車制造商之一。作為一家直接面向客戶的公司，Canyon 以技術創新、質量、服務和設計而廣受認可。
Canyon Bicycles 配方的一部分是其嚴格的系列測試范圍。所有“安全相關”組件都在生產現場使用 X 射線和掃描數據分析進行了 100%的預測試。安全相關部件包括公路或山地自行車的把手，以及由連續碳纖維增強聚合物制成的駕駛座和剛性叉。碳纖維復合材料框架本身通過隨機抽樣與可能出現的制造偏差的統計已知目錄進行檢查。之前的研發、現場行為檢查和生產測試已經量化了這些零件的性能和可靠性，并簡化了生產后檢查。
該公司的第二個檢查步驟是在其主要生產基地進行測試。在這里，生產的某些階段將再次進行 X 光檢查和軟件測試。只有到那時，自行車才組裝好。
圖 4. 插入顯示了自行車車把桿的原型。在撥叉軸和車把桿之間的界面處，粘合劑內的分層或孔隙清晰可見。此類缺陷在設計的早期階段就可以檢測到，并且可以在零件進行批量生產之前解決。
這些測試例程的業務指標令人印象深刻。Canyon自行車在近 10 年前開始生產復合材料，報廢率約為20%。通過引入 X 射線和 CT 掃描以及數據分析檢查，該公司已將其報廢率降至 1%以下。此外，CT 的質量保證測試大大有利于開發。對原型和CAD模型進行了目標性能比較。例如，在將實際性能與數字設計進行比較時，可以虛擬地“切割”原型，從而在不必破壞零件的情況下提供組件視圖。產品質量高到足以為客戶提供車架、Canyon工程部件以及道路、鐵人三項和通勤叉的六年保修。
在線檢查——何時實施？
復合材料產品的大部分 CT 掃描和數據分析仍局限于研發階段，在研發階段對實驗室工作進行研究，然后根據制造結果進行測試。這里獲得了大量知識，通過最終的現場協作測試，可以對許多類型的零件的行為進行安全的假設。
但這種簡化的做法沒有考慮到更嚴格的檢查方法可能節省的總成本。以 Canyon Bicycles 為例，CT 掃描、分析和可視化的使用極大地提高了生產效率，相應地減少了整個產品開發的勞動力，提高了客戶滿意度，改善了風險管理，并增強了基于績效的品牌標識。其他制造工藝也可以受益于這種先進的檢測技術，包括顯微鏡和坐標測量技術。
CT 分析在生產過程中的應用正在上升，從金屬等主流材料到最多面的復合材料。所有關鍵任務復合材料零件都必須盡可能接近在線系列檢查。當然，每個用例都是不同的，就像直升機葉片一樣。軟件分析和生產檢查的自動化使先進的 CT 掃描和數據審查對于具有競爭力的高性能復合材料零件制造商來說越來越可行。
參見原文:
1.《 Applying CT scan data analysis and visualization to composites 》2020.10.14
2. 《 Part 2: Applying CT scan data analysis and visualization to composites 》2020.11.25
楊超凡 2024.2.19
