北京理工大學(xué)：基于CT掃描對(duì)SLM三維內(nèi)凹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能表征

供稿人:張亞園、田小永

金屬三維內(nèi)凹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)作為一種負(fù)泊松比材料具有優(yōu)良的應(yīng)用前景，然而通過(guò)增材制造技術(shù)制作的三維內(nèi)凹點(diǎn)陣往往會(huì)引入許多微觀和宏觀尺度的缺陷，因此需要評(píng)估它們對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。近日，北京理工大學(xué)方岱寧研究團(tuán)隊(duì)利用CT掃描技術(shù)對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行了損傷分析與失效演化等方面的工作。通過(guò)選擇性激光熔融技術(shù)（SLM）制造了具有負(fù)泊松比的三維內(nèi)凹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，并使用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)獲得缺陷的形態(tài)，位置及分布，目的是研究它們?cè)跍?zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)下的彈性響應(yīng)，損傷的形成和失效演化中的作用。

該研究主要分為三個(gè)過(guò)程：首先，建立用于預(yù)測(cè)三維內(nèi)凹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的理論模型，主要涉及剛度、泊松比和強(qiáng)度等，并利用SLM工藝沿圖1所示方向進(jìn)行試樣的打印，所使用的材料為Al-Si10-Mg粉末，粒度范圍為18-58μm。

圖1. 內(nèi)凹點(diǎn)陣的構(gòu)建方向：（a）CAD模型（b）三個(gè)坐標(biāo)平面的斷層圖像（c）SLM打印的樣品結(jié)構(gòu)（d）x2-x3平面上的斷層圖像。
然后，進(jìn)行真實(shí)狀態(tài)下三維內(nèi)凹點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，并在試樣不同加載階段利用CT掃描技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行掃描重構(gòu)，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行三維可視化處理，以捕獲SLM工藝所帶來(lái)的各種缺陷的形貌、分布等信息，建立含真實(shí)缺陷的三維CT重建模型。

圖2. 內(nèi)凹點(diǎn)陣原位壓縮實(shí)驗(yàn)：（a）力與位移的關(guān)系曲線；(b) 壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖；(c)不同加載階段的三維重構(gòu)模型正視圖，對(duì)應(yīng)于（a）圖上的8個(gè)加載點(diǎn)
最后，對(duì)建立的含真實(shí)缺陷的重構(gòu)三維內(nèi)凹點(diǎn)陣模型以及理論模型進(jìn)行有限元仿真分析，施加單軸一定的壓縮載荷以及周期性邊界條件，將得到的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：（a）通過(guò)CAD模型仿真、CT掃描重構(gòu)模型有限元仿真以及壓縮測(cè)試得到的載荷—位移曲線；(b) CAD模型與CT掃描重構(gòu)模型的整體數(shù)值模擬結(jié)果

研究表明，內(nèi)凹點(diǎn)陣的失效不僅受其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響，還受SLM工藝引入的幾何缺陷與表面質(zhì)量的影響。從斷層掃描圖像中提取的幾何缺陷引入到有限元模型中，得到含缺陷的有限元模型，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)相應(yīng)的數(shù)值模擬，從模量，強(qiáng)度還有失效機(jī)理方面進(jìn)行分析，揭示了缺陷對(duì)內(nèi)凹點(diǎn)陣力學(xué)性能的影響。

參考文獻(xiàn)：
Luchao Geng, Wenwang Wu, Lijuan Sun, Daining Fang. Damage characterizations and simulation of selective laser melting fabricated 3D re-entrant lattices based on in-situ CT testing and geometric reconstruction. International Journal of Mechanical Sciences 157–158 (2019) 231–242.

供稿人:張亞園、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室