如何根據 CT 掃描影像對成品零件進行有限元模擬？

金屬積層製造在無需昂貴工具的情況下，就能製造出符合機械特性規範的複雜金屬零件，另外還可以小批量甚至「單件」的製造零件，而工程師可以透過電腦斷層攝影(CT)掃描，來確定透過金屬積層製造技術生產的零件中，是否存在孔洞或雜物等缺陷，但是在過去並無法確定此類缺陷會如何影響性能，但現在業界已研發出一套能將 CT 影像轉換成有限元素模型的新流程，可用來預測成品零件的機械特性。

 

驗證太空船支架性能的全新方法

在生產航空航太和國防應用專用的關鍵組件時，首先必須對相關材料和工藝進行正式認證，才能證明這些組件是否可以發揮預期的功能。­而金屬積層製造技術的日益廣泛應用，為驗證帶來難題，因為在這種一層一層逐步製造零件的增量過程中，有可能產生不一致性的風險，而傳統的製造方法則不會存在這種問題，微小的缺陷通常可以採用 CT 掃描檢測，這就帶來了下一個問題，這些缺陷對零件效能會產生哪些影響？基於 CT 掃描資料來模擬成品零件效能的這個新方法，正被用來驗證 TARANIS 太空船的太陽組件感測器(SAS)支架。

在距離地面 20 到 100 公里高度的大氣層中，存在著 2,000 多處活躍的雷暴，這些瞬態發光事件最近才被發現，其中每個雷暴都能在一秒內產生 50 到 100 次閃電，因此現有知識僅限於從地面觀察發光情況，而為了更深入了解雷暴區域對地球大氣層、電離層和磁層的影響，負責制定和實施法國太空政策的法國國家太空研究中心(CNES)將發射一顆 TARANIS 微衛星，從 700 公里的高度觀測這些雷暴區域。

TARANIS 微衛星的高度與軌道控制系統(AOCS)將精確地確定並控制衛星的定位，AOCS 使用 SAS 來探測太陽的方位，SAS 支架可為感測器提供 180 度的清晰視圖，它安裝在用來旋轉感測器的裝置上，從而在任何衛星的方位上都能夠觀察到太陽。感測器在裝置中的位置加上支架的槓桿作用，使得感測器對火箭在發射過程中產生的動態環境非常敏感。因此支架需要滿足一項最重要的結構要求，剛度必須足以維持超過 350Hz 的主模態頻率，若低於該值的模態頻率則有可能影響發射器和航空器主模式，並損壞感測器。

 

積層製造技術大幅减少部件重量

積層製造之所以有望成為生產 SAS 支架的製造方法，原因在於它能消除傳統減材製造流程的可製造性設計約束。工程師使用拓樸最佳化功能，可以全面發揮積層製造所帶來的設計自由度，先從空白空間開始，然後迭代最佳化後的設計，並同時修改零件的基本形狀與尺寸。透過將支架內部的組件從 11 個減少到 1 個，工程師最終獲得能夠降低製造與組裝成本的設計方案。同時，支架重量減輕了 30%，因而能以同等程度提高航空器的有效載荷。

我們不能假設積層製造技術生產的零件都沒有內部缺陷。業界剛開始針對航太應用評估 3D 列印零件，由於在太空無法進行維修，因此需要充分驗證零件的可靠性，目前 CT 掃描是評估積層製造零件合規性最常用的方法，因為它能在不破壞零件的情況下偵測內部缺陷。不久之前，工程師還只能利用 CT 掃描檢測缺陷，他們無法量化這些缺陷對成品零件特性的影響。

 

Simpleware 軟體生成精細的有限元素模型

在這個專案中一共生成了 1300 張關於 SAS 支架的 CT 掃描影像，工程師透過數學演算法合成這些影像，最終重建了零件體積。在 3D 掃描資料中，空隙顯示為深灰區域，而雜質顯示為淺灰區域，另外零件中的鈦螺絲則顯示為淺色人工製品。在處理掃描資料的過程中，Simpleware 和 ELEMCA 工程師使用 Simpleware 的 ScanIP 影像處理平台匯入掃描資料，然後透過設定閾值來區分零件和周圍環境，並將後者排除在外，接著工程師使用 ScanIP 檢測立體像素（在 3D 空間中與 2D 空間像素類似的網格的值），並分割相關結構，他們還使用手動分割方法進一步改善掃描數據，例如確定螺絲孔並去除螺絲。

工程師透過 Simpleware 的 FE 模組來劃分幾何結構的網格，來自動產生粗糙網格，同時增強梯度較高的細節，然後導出包含約 45 萬個元素的最終模型，作為有限元素分析的 Ansys 模型。

 

Ansys 軟體精準模擬成品部件性能

在 Ansys Workbench 中設定的邊界條件，與用來建立原始設計的結構模擬相同，他們加入了位於基座上的固定支架、支架的質點品質以及位於接頭處代表 SAS 的質點品質。 Ansys Mechanical 的模擬結果顯示，積層製造產生的設計符合主要的飛行要求，且模態頻率遠低於臨界值，成品部件的 Von Mises 應力值稍微低於在 CAD 模型的結構模擬中所獲得的值，ELEMCA 工程師認為應力降低是因為根據CT掃描資料產生的模型中，移除了螺絲以及其他幾個次要組件，關鍵是部件的雜質和空隙非常小，對性能的影響微不足道。

模擬在驗證部件的過程中發揮了重要作用，該部件目前正在進行物理測試，並有望用於太空任務。本案例可以證明如何將 CT 掃描與有限元素(FE)分析結合在一起，以對成品部件進行結構模擬，從而更準確地預測部件性能，在針對關鍵的航空航太與國防應用驗證積層製造零件時，這種技術進步有助於應對未來艱鉅的挑戰。

透過 Simpleware 軟體研發成品模型以及 Ansys Mechanical 軟體進行模擬測試，ELEMCA 充分發揮了積層製造技術的潛力，不僅可以製造出更輕量化、具有卓越機械特性的複雜機械部件，還能夠避免產生昂貴的加工費用。

 

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