使用 CT 數據對 3D 列印零件進行無損檢測
概述
金屬增材製造（AM）工藝在生產拓撲結構複雜的設計方面，有許多優點是傳統方法無法達成的。 然而，由於無法直接接觸的結構特性，對相同組件進行無損檢查和測試通常具有挑戰性，導致遺漏缺陷且須增加效能測試。 因此，零件可能會被報廢，浪費時間、資源和成本，這意味著積層製造零件的實際性能可能與其原始 CAD 設計不同。 在這個案例中，使用基於電腦斷層掃描 (CT) 資料的無損測試流程來分析「熱箱」熱交換器，是複雜積層製造零件的一個很好的例子。
亮點
- 基於影像的方法可對積層製造零件進行無損檢測
- 有限元模擬有助於深入了解「設計」零件與「竣工」零件
- 工作流程承諾成本與資源優勢
掃描 3D 列印零件幫助將缺陷可視化
本研究中使用的「熱箱」是一種測試治具，用來在創建客製化熱交換器之前確定特定結構的性能。 該零件具有可供空氣通過的晶格結構，以及用於液體冷卻劑的交叉波紋通道，對於傳統製造方法來說是比較複雜的設計，且無法在不切開零件的情況下對「熱箱」的內部進行物理檢查。
圖：「熱箱」熱交換器（圖片由 HiETA Technologies Ltd. 提供）
為了解決這個問題， HiETA Technologies 採用 AlSi10Mg 增材製造技術製造「熱箱」，然後在製造技術中心 (MTC) 進行 CT 掃描。 運用影像重建來視覺化和量化零件內的缺陷，並基於影像進行工作流程的下一階段。
進行 3D 影像處理與網格劃分
將零件的 3D 影像資料匯入 Simpleware ScanIP 中進行影像處理和網格劃分。 軟體中的自動分割工具可確定表面，同時利用局部表面校正濾波器來對抗光束硬化效應。 為了解零件的「竣工」版本和「設計」版本之間的差異，使用 Simpleware 曲面偏差工具來比較 CAD 曲面和 AM 曲面。
圖：用於初始檢查的體積渲染（灰色）顯示「熱箱」底部的粉末堆積，以及 Simpleware ScanIP 中使用的自動分割工具來產生基於影像的初始模型（黃色）
該方法識別出三個偏差區域，包括捕獲的粉末和與設計的晶格結構的差異。 處理影像資料後，使用 Simpleware 軟體匯出完整的體積網格以進行 CFD 分析。 產生的網格包括三個部分：金屬、流體和空氣，指定的邊界也添加到流體流動區域的模型入口和出口。
將竣工與設計模型的熱模擬結果進行比較
將網格導入有限元模擬軟體中進行熱模擬和比較，包括耦合傳熱和層流。冷卻劑流過通道的溫度分佈如圖所示，「竣工」模型的偏差在熱交換器底部最明顯。此外從入口到出口區域的整體冷卻在「竣工」模型中更大，且在垂直軸上不太均勻。根據研究結果，使用積層製造的「竣工」零件的性能比原始「設計」差。
圖：熱模擬顯示基於「設計」CAD 的模擬與「竣工」基於影像的模擬之間的差異
結論
這個工業用例對於展示使用 X 光 CT 和基於影像的建模來增強對 CAD 設計和實際製造零件之間發生的情況的理解的重要性非常有價值。 使用此工作流程，製造商可以從本次模擬數據中洞察意外缺陷和不一致性如何影響實際性能，從而實現設計閉環，並可能會節省昂貴的重新測試成本。
圖：3D列印的「熱箱」熱交換器
參考資料
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