CT扫描复材中的应用

        通过计算机断层扫描（CT）进行成像  和分析具有可认证的安全性和业务可持 续性的潜力，可能是复合材料零件内部

检查的关键。

-第一部分

                        图 1：对玻璃纤维增强片材模塑化合物（SMC- sheet molding compound）

                       进行的定向分析。每个方向都用某种颜色编码。 该取向数据可用于获得纤维在

                       厚度上的取向分布，以验证流动模拟并为结构模拟提供可靠的数据。

         随着复合材料制造的进步迅速拓宽了零件几何形 状、材料和结构策略的可能性范围，还必须实施新的 计量和微观结构研究方法，以确保产品的持续改进和 可靠性。航空航天和其他使用复合材料的行业长期以 来一直依赖于视觉、声学、超声波，最近还依赖于基 于射线照相的检测方法，以及用于表面尺寸检查的坐 标测量机（CMM-coordinate measuring machine）。根据时间、  成本、产品复杂性和所需的安全程度，每种无损检测（NDT- non-destructive tests  ）都扮演着不同的角色。

        由于许多复合材料产品— 无论是消费品、运动品、汽车还是航空航天产品—都突破了重量轻和性能 的极限，  因此对最终使用安全、风险规避和业务可持续性来说， 深入的内部零件检查变得更加重要。

        计算机断层扫描的作用

        计算机断层扫描（CT） 扫描及相关数据分析和可 视化是当今复杂产品的理想选择。近年来，  在 X 射线 断层扫描、高性能计算、软件算法和用户界面方面取得了长足的进步，这些技术可以交流复杂的数据， CT扫描和数据分析从中受益。 CT 技术的独特之处在于， 它可以在 360 度视图中穿透大多数金属和复合材料的  复杂层。然后通过最先进的软件处理该原始数据，以  创建包括数百万体素（单个 3D 元素，类似于 2D 像素）的维度精确的 3D 体积图像。

                    图 2：编织物的局部取向直方图显示为黄色。使用 这些直方图的主要方向， 工程

                   师可以测量覆盖过程后材料的局部剪切角。

        这种软件创建的数字输出和彩色编码的 3D 图像都 提供了复合材料微观结构的惊人细节，允许进行设计    和制造时的比较。  一系列专业的数字工具可用于分析    材料密度、加固结构的方向、源自设计和制造缺陷或    过载的内部缺陷，以及使用数字体积相关性对样品不同状态进行多次扫描计算得出的应变模式。

        当今商业和实验类型的复合材料结构的 CT 扫描数 据分析的综合能力是广泛的。任何结构都可以根据其    设计意图进行捕捉和表征。可以创建模板来自动快速    重复地分析零件特征和问题。这包括孔隙率分析（例    如，孔隙体积和距表面的距离）；局部纤维、织物和粗  纱方向的纤维和树脂分析；以及导出的统计数据，如    取向直方图或取向张量（图 2）、纤维体积分数、树脂   内的孔隙率等。所有数据都可以导出到有限元分析工    具中，用于改进材料建模和结构模拟，从而能够建立用于研发和部件设计的比较模型。在适当的情况下，这些分析甚至适用于在线检测（ILI- inline inspection）。

        经典复合材料与分析

        最常见的商业复合材料属于聚合物基复合材料（PMC）类别，包括先进的碳纤维和玻璃纤维增强复 合材料（CFRP 和 GFRP）。由长多股陶瓷纤维制成的 陶瓷基复合材料（CMC   ）在高温应用中也得到了认  可，在抗裂性、热行为和断裂韧性方面显示出比“ 技术陶瓷 ”显著的优势。

                             图 3：孔隙度（左上和上）和纤维取向（右上）可以使用单个 CT 扫描进行可视

                             化和量化。这两个结果都可以映射到有限元网格（底部中心）上， 以局部用作

                             结构分析的材料建模输入，或验证过程模拟。

        这些复合分组，甚至 CMC，都可以受益于相同的 CT 扫描分析技术，用于确定缺陷、性能和质量规范状 态。这只是拥有合适尺寸的扫描机并选择合适的扫描   策略和分析设置的问题。根据手头的材料，   每种纤维   结构（短、长和连续）、叠层图案（单向或每层具有指 定角度）  和粘合材料（树脂、织物、硅等）   都有检测   解决方案。此外，分析本身可以被捕获和自动化（图1）。

                        图 4：带有铝面板和开口泡沫铝芯的夹层结构。 每个单独的隔室可以自动分离， 

                       以生成隔室大小分布或评估细长隔室的方向。

        泡沫是复合材料中使用的另一种材料，可以使用 CT 数据分析和可视化软件（图 4） 进行扫描和检查， 以更好地了解其行为。尽管已经广泛使用，  但许多发 泡工艺还没有得到很好的理解。当然，泡沫比固体泡 沫更轻，  可以在没有高应力的地方使用。很好的例子 是在注射成型过程中的物理或化学发泡塑料。但是泡 沫也被用作复合材料夹层结构中的核心材料。与由相 同致密材料或比芯部硬得多的另一种材料制成的面板 相结合，  可以在低重量下产生具有高弯曲刚度的复合 材料夹层结构。因此， 孔径、材料体积分数和孔的伸 长率对于理解材料的机械和热行为至关重要。这些材料的典型应用是使用泡沫对冷藏卡车的外壳进行隔热。

            图 1.      使用新型 SMC 材料进行现场试验的应变场。出 现的裂纹清晰可见，并可与微观结构表征相关，                微观结 构表征可使用相同的数据进行。所有结果都可以映射到有限元网格上， 以方便验证有限元模拟的

           应变场。

        在这里，  我将探索新型和混合复合材料的成像解 决方案，  并提供一个在生产过程中应用 CT 分析的例

子。

        新型复合材料及其杂化材料的发展趋势

        混合复合材料是大学和工业研发环境中的研究课  题。虽然它们的定义在最终叠层结构方面可以是传统  的，但它们可以由无机纳米/微米材料和颗粒以及有机 物质如亚麻、大 麻和棉纤维组成。随着新材料组合呈  现出新的力学行为，  研究其损伤行为以供研发应用是有意义的。

        一种常用的技术是原位 CT 测试，  即在 CT 扫描仪 内的加载阶段对材料样品或整个部件进行应变。在这   里，材料可以同时加载和扫描，   所得数据用于评估局   部位移和应变张量，   以及任何出现的裂纹—— 所有这   些都是 3D 的（图 1）。但裂纹不一定必须从材料样本   的原位数据集中发现—— 也可以比较不同状态下部件

的 CT 扫描，例如现场测试前后。

                      图 2.      对铝基体中金属玻璃制成的复合材料进  行薄片分析。该零件采用气压渗透

                      法生产。结构 的颜色指示每个点的方向，并可用于生成有关方向分布的统计信息。

        研究机构中总是出现新的复合材料实验，无论是   在制造过程结果还是现场性能中， 都不太了解内部微   观结构的行为。例如，  金属玻璃与铝的气体压力渗透 （图 2）。通过这一过程生产这种材料仍然是新的，需要科学家获得更多关于纤维分布和方向的信息。

        先进的 CT 扫描分析可以通过在原型和测试后阶段 提供数据， 深入了解这些挑战。今天有许多软件解决    方案，使用户能够真正地在材料内部进行窥视  纤维/树 脂结构的所有生命周期阶段。以下是此评估可能产生

的典型分析能力：

       w 计算局部纤维方向并生成统计数据，如方向张 量，或每个网格单元的局部或全局直方图，   以 及材料厚度               上的线性直方图。

       w 以彩色代码或三维矢量或张量形式显示局部光 纤方向。

       w 检测材料内部的孔隙率，无论是基体还是增强 体。

       w 确定各种复合材料的增强相的局部体积分数。

       w 测量每个单元的泡沫的单元尺寸和伸长率，   或 使用相同的分析来量化高度填充的颗粒增强复 合材料或粉               末。

       w 通过比较现场测试期间进行的多次 CT 扫描，  使 用数字体积相关性计算位移和应变场。

       w 比较多个载荷状态下的现场数据集，实现稳健 的裂纹检测。

       w 从任何有限元软件导入有限元网格，以直接在 网格上绘制通过原位测试测量的微观结构信息 或应变。

        工业应用

        复合材料的制造成本正在逐渐下降，而生产效率   正在提高。 CT 提供了一种在广泛的行业中类似地提高质量保证的方法。

        没有哪个行业比航空航天更安全， 航空航天通常采用纤维复合材料分析（FCMA- fiber composite material

analysis  ）来确保质量和认证。当荷载方向确定时，其许 多应用都使用单向（UD）增强材料。直升机旋翼就是 一个很好的例子。检测这些叶片中所需和实际纤维方  向之间的偏差至关重要，因为纤维只能支撑一个方向上的负载。

                               图 3.      CT 扫描分析软件揭示了由轻质纤维增强塑料复合材料（FRP）制成

                               的直升机旋翼桨叶内的 纤维取向。VGSTUDIO MAX 的纤维复合材料分析模

                               块能够处理纤维材料的小体积和大体积数据集。 在小尺寸材料样品中，该软

                              件可以显示单个纤维。 在大规模的体积数据集中，可以分析和可视化较大的

                              结构， 如织物或粗纱。

        直升机叶片生产的主要特点是由训练有素的个人   进行手工作业。根据规范检查此类安全关键产品的每    个组件是否存在缺陷， 如纤维沉积中的孔隙、分层或    波纹。如前所述，叶片应力最好沿纤维的纵向方向传    递。这就是高级软件提供的详细方位分析发挥作用的    地方。基于 CT 的分析可以揭示纤维方向的偏差，这些 偏差可能因叶片而异， 从而使工程师能够轻松审查结果。在工业 CT  出现之前，检查转子叶片的唯一方法就是销毁它们。这种做法消耗了大量样本，这是一种代价高昂的做法。

        自行车示例

        当涉及复合材料时，   即使是自行车的开发也可以承担航空航天任务关键工作的艰巨任务。  Canyon

Bicycles 最初是一家在德国科布伦茨一家车 库里工作的 小公司，  但现在是世界领先的赛车、山地自行车、电动自行车、铁人三项、健身、城市自行车和儿童自行车制造商之一。作为一家直接面向客户的公司，Canyon 以技术创新、质量、服务和设计而广受认可。

        Canyon Bicycles 配方的一部分是其严格的系列测   试范围。所有“安全相关” 组件都在生产现场使用 X 射  线和扫描数据分析进行了 100%的预测试。安全相关部 件包括公路或山地自行车的把手， 以及由连续碳纤维   增强聚合物制成的驾驶座和刚性叉。碳纤维复合材料   框架本身通过随机抽样与可能出现的制造偏差的统计   已知目录进行检查。之前的研发、现场行为检查和生   产测试已经量化了这些零件的性能和可靠性， 并简化了生产后检查。

        该公司的第二个检查步骤是在其主要生产基地进  行测试。在这里，生产的某些阶段将再次进行 X 光检查和软件测试。只有到那时，自行车才组装好。

                    图 4.   插入显示了自行车车把杆的原型。在拨叉轴   和车把杆之间的界面处，  粘合剂

                    内的分层或孔隙清   晰可见。此类缺陷在设计的早期阶段就可以检测到，并且可以在

                    零件进行批量生产之前解决。

        这些测试例程的业务指标令人印象深刻。  Canyon自行车在近 10 年前开始生产复合材料，报废率约为20%。通过引入 X 射线和 CT 扫描以及数据分析检查，该公司已将其报废率降至 1%以下。此外， CT 的   质量保证测试大大有利于开发。对原型和 CAD 模型进 行了目标性能比较。例如，在将实际性能与数字设计   进行比较时，可以虚拟地“ 切割”原型，从而在不必破坏零件的情况下提供组件视图。产品质量高到足以为客户提供车架、 Canyon 工程部件以及道路、铁人三项和通勤叉的六年保修。

        在线检查—— 何时实施？

       复合材料产品的大部分 CT 扫描和数据分析仍局限 于研发阶段，在研发阶段对实验室工作进行研究，然 后根据制造结果进行测试。这里获得了大量知识，通    过最终的现场协作测试，可以对许多类型的零件的行为进行安全的假设。

       但这种简化的做法没有考虑到更严格的检查方法 可能节省的总成本。以 Canyon Bicycles 为例， CT 扫 描、分析和可视化的使用极大地提高了生产效率，相 应地减少了整个产品开发的劳动力，提高了客户满意度，改善了风险管理， 并增强了基于绩效的品牌标识。其他制造工艺也可以受益于这种先进的检测技术，包括显微镜和坐标测量技术。

        CT 分析在生产过程中的应用正在上升，从金属等 主流材料到最多面的复合材料。所有关键任务复合材   料零件都必须尽可能接近在线系列检查。当然，每个   用例都是不同的，就像直升机叶片一样。软件分析和生产检查的自动化使先进的 CT 扫描和数据审查对于具有竞争力的高性能复合材料零件制造商来说越来越可行。

------  完  -----

                     参见原文， 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  》

                                              202 0.11.25

杨超凡    2024.2.19