CT在塑料开发与现代生产技术中的应用

2021年2月22日 | Gina Naujokat

斯图加特塑料技术研究所(IKT)通过多个实例,展示了计算机断层扫描技术如何助力新材料和增材制造工艺的开发。

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过去十年间,塑料行业的新材料研发以及增材制造等新型生产技术的发展步伐不断加快。伴随着这一技术演进,无损检测 提供的X射线技术不仅在质量保证方面发挥着重要作用,更通过高分辨率计算机断层扫描(CT)技术为研发工作提供了有力支持。借助CT扫描数据集和被测对象的三维可视化效果,可以对材料样品进行详细检测。 除了检测缺陷、气孔或材料夹杂物外,还可以精确分析壁厚偏差、纤维取向或泡沫的均匀性。这使得人们能够对相应的制造方法得出结论,并据此进行修正和优化。

现代纤维增强塑料具有大幅减轻部件重量的优势,广泛应用于航空航天和汽车领域。其目的是节省燃料,或在电动化进程中从传统推进方式转向新型推进方式。除了常见的注塑成型工艺外,在处理非常复杂的几何形状以及更高效地生产小批量产品和原型时,增材制造也常被采用。

为了确保部件的稳定性和功能性,在开发和生产过程中采用了计算机断层扫描技术。该技术能够提供有关内部结构的可靠信息,此外,所得数据集还可用于相应的功能仿真。

斯图加特大学塑料技术研究所(Institut für Kunststofftechnik - IKT)一直使用配备190kV纳米聚焦透射式 电子管的Comet Yxlon FF20 CT检测系统。该研究所致力于塑料技术领域的众多应用研究,包括材料与加工技术以及新产品开发。针对具体应用场景,对制造工艺和各种材料进行深入研究。

[可视化与分析:Amira-Avizo 软件]

熔融沉积 建模(FDM):FDM技术是一种增材制造工艺,适用于复杂几何形状的零部件制造及原型制作。由于这些零部件在机械性能方面仍逊于注塑件,因此需要通过计算机断层扫描(CT)检查单根线材的沉积 ,以获取用于优化制造工艺的信息。

Fused-沉积-建模

层压复合材料:这张层压复合材料的细节图展示了以0°/90°/0°取向逐层铺设的连续玻璃纤维结构。这种制造工艺广泛应用于飞机、船舶和汽车制造中的零部件,因为这些材料虽具备金属合金般的强度,但重量却轻得多。 在CT图像中,可以清晰地观察到纤维取向,并能可靠地分析材料是否存在分层、气孔或因外部影响(例如冲击)导致的变形。

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短纤维增强聚酰胺:该试样由短纤维增强聚酰胺经超声波焊接而成。纤维取向是决定部件强度的关键因素。借助计算机断层扫描技术,可在三维空间内全面确定纤维取向。此前,这只能通过非常复杂的显微照片来实现,而这些显微照片无法提供完整的三维视图。 该方法还适用于注塑成型部件的优化(确定纤维取向和长度)以及工艺模拟的验证。

纤维增强聚

泡沫:泡沫主要用于热绝缘,但也应用于轻质结构中。通过在制造过程中调控气孔的大小和分布,可以针对不同用途对其进行优化。这是一块玉米粒大小的泡沫样本。图1显示了完整的CT体积图像,图2对其进行了数字裁剪,从而显露出气孔。图3采用了负像。 通过遮罩处理材料,并将空气区域以彩色显示,从而观察孔隙结构。可以清楚地看到,孔隙的尺寸从内向外逐渐减小。CT软件可用于(除其他功能外)根据孔隙的位置计算每个孔隙的体积和形状。利用这些数据,可以根据具体要求优化制造工艺,并改善材料的力学性能或隔热性能。

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