CT 影像處理應用

CT 影像與材料特性分析

工業 CT 影像技術可非破壞性地取得複合材料的三維內部結構，有效觀察纖維排列、孔隙分布與層間缺陷等微觀特徵。透過這些影像資訊，工程師能進一步分析材料的機械性能、製程品質與潛在失效原因。結合影像導向模擬技術（image-based simulation），更能將實際結構轉為有限元素模型，提升模擬準確性，廣泛應用於材料開發、製程優化與品質檢測等工業領域。

CT 影像與材料特性分析

工業電腦斷層掃描（CT）技術在複合材料領域中扮演越來越關鍵的角色。透過非破壞性掃描，CT 影像能夠提供材料內部結構的高解析三維影像，幫助研究人員與工程師更深入理解材料的微觀結構與缺陷分佈。

在複合材料分析方面，CT 影像能準確呈現出纖維排列、孔隙分布、界面連接與分層現象等，這些資訊對於評估製程品質、材料均質性及最終機械性能至關重要。例如，在碳纖維增強塑膠（CFRP）中，透過 CT 可量化氣孔率與分布，進一步與拉伸、壓縮、疲勞等性能做關聯分析。

此外，藉由將 CT 影像轉換為有限元素分析（FEA）用的網格模型，工程師可以進行基於實際幾何的模擬分析，大幅提升模擬的準確度。這類影像導向的模擬（image-based simulation）不僅能用來預測材料在不同載荷下的行為，也能協助開發新型材料與設計更可靠的製程參數。

Simpleware™ 軟體提供了一種快速、易於使用的解決方案，可應用在複合材料中處理 3D 影像資料。使用 Simpleware 軟體來視覺化和量化複雜的多相材料及其微觀結構。快速表徵您的 3D 數據，並匯出用於 FE/CFD 模擬的穩健體積網格。Simpleware 軟體可幫助您快速產生有價值的模型，用於研究和開發材料。

 

 

CT 影像如何用於材料特性分析？

CT 掃描後可產生高精度 3D 模型，進行數值模擬（FEM）：

  • 根據真實幾何進行應力/熱傳導/流場分析
  • 模擬缺陷對機械性質的影響
  • 預測材料疲勞壽命與破壞位置

 

CT 影像應用範例：

  • 多孔結構材料：根據實際孔洞重建進行模擬
  • 電池材料：分析內部結構與熱傳行為
  • 生醫材料（如骨骼替代品）：分析結構支撐能力

 

 

可視化和處理材料複雜細微的影像數據

  • 以 2D 和 3D 的方式視覺化影像數據

  • 將材料分割成感興趣的區域，包括多孔纖維網絡

  • 使用分水嶺工具分割顆粒

  • 生成動畫

 

快速測量材料掃描影像並獲取統計數據

  • 測量距離、角度（斷裂尺寸...）

  • 計算感興趣區域和模型的統計數據，包括體積、表面積、平均灰度、材料特性以及孔隙率等…

  • 使用中心線統計

  • 建立使用者自訂的統計數據

 

產生可用於 FE 和 CFD 模擬的高品質網格

分段影像資料可以使用 FE 和 CFD 網格劃分軟體工具，匯出為可用於模擬的多域網格，並能夠在所有主流求解器中使用。

  • 網格具有一致的介面和共享節點

  • 定義有限元素接觸對、節點集和殼體

  • 定義 CFD 邊界條件

  • 設定材料屬性

  • 將纖維方向和密度映射到網格上進行模擬

  • 根據特定指標最佳化網格品質 

Simpleware FE 中拉脹泡沫的多部分網格

 

 

導電黏合劑中電極之間的通路

各向同性導電膠（ICA）通過樹脂中的金屬填料導電和導熱，已經在宏觀和微觀上進行了研究。 在此示例中，首先使用 FIB-SEM 的基於圖像的網格劃分生成 3D 模型，該模型允許觀察通路的色散和電導率。 此外，還分析了熱傳導和電傳導結果。

通過分析和實驗對比發現，可以計算出電熱界面電阻。 通過本研究量化的熱界面電阻和電界面電阻將使 ICA 具有更高的導熱性和導電性。

導電膠的微觀結構：不同元素的分割

 

微棒對疲勞裂紋擴展的影響

採用布里奇曼法對 Al-Cu 合金進行定向凝固，以研究單晶和雙晶試樣中的疲勞裂紋擴展。 從 X 射線顯微 CT 獲得的圖像被導入到 Simpleware 軟件中。 據觀察，一些銅在製造過程中分離，形成微棒。 進行灰度圖像分割以定義基體 (Al-Cu)、富銅微晶的分離

棒和空氣（缺口和傳播的裂紋）。 分析是在 NASA 高級超級計算設施的 Pleiades 上的 5000 個 cpu 核心上進行的。 結果表明，凹口處固有的加工不規則性和微桿的幾何復雜性強烈影響應力集中區域。

含富銅微棒（白色）的鋁銅合金疲勞裂紋（紫色）的顯微 CT 掃描

 

柴油微粒過濾器的建模

柴油發動機的嚴格排放限制要求在廢氣流中加入柴油微粒過濾器 (DPF)。 Simpleware 軟件用於解決表徵新型柴油顆粒過濾器的孔結構、曲折度和滲透性的挑戰，結果用於優化過濾效率。 在網格劃分和導出到 COMSOL Multiphysics® 之前，使用 Simpleware ScanIP 從 X 射線顯微 CT 數據重建複雜的 3D 孔隙結構。 模擬了氣體和柴油顆粒通過結構的通道，結果用於幫助優化微觀結構以提高過濾效率（同時提高抗熱震性）。

使用模擬建模的體積穩態壓力場

 

微觀結構中的局部應力場分析

基於金屬粉末的增材製造 (PAM) 工藝通常會產生具有紋理的微結構和不同尺寸的柱狀晶粒，這會影響材料的機械性能。 在這項工作中，開發了一種方法來更好地表示微觀結構內的局部顆粒應力場。 來自合成微結構的數字圖像在 Simpleware 軟件中轉換為形狀 保留有限元模型與微觀結構信息本構模型，該模型描述了 PAM 生產的固化材料的機械行為。 這種方法允許在晶界附近更好地捕獲局部應力增強，並有助於預測材料中的缺陷和空隙形成。

合成微結構代表性體積元素 (RVE) 的網格

 

Simpleware 軟體於複雜材料建模的應用案例

 

如果您對此軟體有興趣，想進一步評估，歡迎與我們聯繫 !

艾索科技股份有限公司 AISOL Technology

  • 電話：02-2500-6210

  • 郵件：info@aisol.com.tw