復材結構的3D CT成像
這里顯示的是用于制造尺寸穩定結構的激光膠帶放置過程（頂部）、為低水分膨脹系數而設計和優化的碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）熱塑性復合材料衛星支柱（左下）以及用于空隙分割的支柱的CT 成像，用于高 保真性能模擬的數字孿生的計量和創建（右下）。
隨著纖維增強復合材料的日益普及，研究和表征3D零件的能力至關重要。這對于高性能應用尤其重要， 因為在高性能應用中，負載條件可能非常極端，并且需要絕對的性能保證。復合材料復雜的內部微觀結構強調了3D分析的必要性，這對于詳細的質量評估和高保真 性能模擬的數字孿生成至關重要。傳統的無損視覺或表面診斷方法無法提供必要的零件深入結構數據分析。相反，計算機斷層掃描(CT- computed tomography)可以為太空、 航空航天、汽車和儲能等新增長行業的應用提供高精度3D結構檢查和性能評估的基礎。
利用掃描硬件、圖像重建算法、高性能計算和圖像分析軟件（包括基于人工智能的技術）的最新進展，可以對復合材料的微觀結構和內部幾何形狀提供前所未有的見解?？梢苑治鯟T掃描以提取特性并創建數字孿 生，其中將包括空隙和其他缺陷、纖維和計量信息在內 的單個特性應用于體積網格。這些數字孿生實現了性能 預測的精確、高保真的有限元模擬。重要的是，表征和 建?？梢詰糜谥圃爝^程的輸入（原材料分析）和輸出 （完成的零件和結構）階段。
然而，復合材料 CT 掃描的分析和建模并不總是簡單明了的。New Frontier Technologies（澳大利亞堪培拉， NFT）在CT掃描和3D成像分析的應用方面擁有數十年的綜合研究和技術專業知識，將材料和零件的深度內部檢查轉化為決策、模擬、建模和認證工具。NFT最近完成了一項空間案例研究，該研究證明了基于CT 的復合材料三維分析的價值。
案例研究：CF/PEEK 衛星支柱
空間等領域具有苛刻的性能要求，只有通過最先進 的零件設計和制造才能實現這些要求。空間儀器需要在空間環境的極端熱循環下具有尺寸穩定的結構。使用碳纖維復合材料的自動鋪絲（AFP），可以通過仔細設計 膠帶/絲束方向來實現零潮濕系數（CME-zero coefficient of moisture）和熱膨脹系數（CTE-Coefficient of thermal expansion）。一個案例研究例子涉及一個500毫米長、內徑為55毫 米的衛星支柱。這種零CME結構是使用碳纖維增強聚醚醚酮（CF/PEEK）帶和激光輔助帶纏繞（LATW-laserassisted tape winding）制造的。然后進行CT檢查。
圖1. CF/PEEK 衛星支柱的多尺度成像。不同分辨率（體素大小為23、6和1.5µm）的分析顯示了膠帶疊層的3D結構和層的精確映射。
對于CT成像，掃描分辨率是由幾何放大率設置的 — 粗略地說，要掃描的部分越大，分辨率就越低。對于 衛星支柱，整個零件的3D圖像盡管分辨率較低，但仍為結構缺陷的計量、識別和量化提供了詳細信息。
然而，對于制造優化和高保真度模擬，需要更高分辨率的掃描。這是通過采用多尺度成像工作流程來實現 的，在該工作流程中完成掃描，然后對3D-3D進行配 準，使每組在幾何上空間對齊。對不同分辨率（體素大小為 23、6 和 1.5µm）的圖像進行分析（圖 1），可以對 膠帶疊層的3D結構進行詳細檢查，并對不同角度放置 的層進行精確映射。
多尺度 CT 成像，模擬
多尺度CT掃描在識別結構缺陷方面非常強大，即使是那些非常小且在表面以下的缺陷。在早期的衛星支柱原型中，對膠帶之間的間隙進行了檢查和數字隔離。這些空隙可以與工藝數據相匹配，以確定它們出現在哪些層上。此外，還可以測量它們的寬度。這些信息被反饋到制造過程中，實現了設計和激光AFP工藝參數的精確調整，從而在隨后的迭代中虛擬消除了大間隙 （<0.1%體積）（圖 2）。
圖2. 修改后的衛星支柱。（a）修正支柱的CT 圖像，（b）顯示早期原型的空隙分布和內容的圖像，（c）制造優化后的修訂原型，以及（d）修訂管的計量。
真實3D幾何形狀的使用通過提供準確的高保真度模型和模擬提供了顯著的價值。制造的零件及其內部微觀結構可能與理想化設計和理論設計有很大不同。這種差異可能會導致性能的顯著差異，如剛度、強度、失效行為和壽命耐久性。
圖3. 高分辨率掃描。高分辨率CT掃描的纖維方向和纖維體積分數（FVF）分析。
多尺度成像還可以通過高分辨率掃描實現對大型 結構的高保真度模擬，用于獲得制造零件的材料特性。使用在衛星支柱上獲得的最高分辨率圖像，繪制單個纖維的方向圖，并準確計算每層的纖維體積分數（FVF-fiber volume fraction），并在管厚度上取平均值（圖 3）。
圖 4. 衛星支柱的多尺度仿真。（a） 體積網格， （b）高分辨率模擬，包括纖維方向的映射和（c） 整個零件的模擬。
有限元分析模擬結果
對幾個具有代表性的高分辨率區域進行了數字提取和體積網格劃分，用于有限元模擬（圖 4）。對于這些 區域，從先前的圖像分析中獲得的信息，如纖維取向和 逐步體積分數，被局部映射到每個元素（圖第4b段）。這些體積用于模擬水分和熱膨脹特性以及機械特性。然 后將模擬的性能應用于整個結構，以模擬其在苛刻的機 械和環境條件下的性能。這種多尺度方法的適應性意味 著幾乎可以為任何復合材料零件創建數字材料孿生。
盡管CT成像越來越多地用于復合材料和結構，但材料特性的準確表征可能會帶來挑戰。NFT可以幫助對復合材料的任何CT掃描進行高級分析，用于零件設計、 診斷或故障調查。隨著高保真數字孿生的廣泛應用，內部結構的3D知識的重要性越來越明顯。同樣，NFT可以提供詳細的幾何和微觀結構分析，以實現復合材料的細化和設計優化，從而滿足嚴格的質量和性能要求。
參見原文，《 Multi-scale 3D CT imaging enables digital twinning, high-fidelity simulation of composite structures 》 2024.2.14
楊超凡 2024.2.15(正月初六)
