文章摘要:以3D打印为代表的新型制造技术正在航空航天领域得到广泛应用。3D打印材料具有典型的各向异性力学行为,常见孔隙类制造缺陷,影响材料性能的制造工艺参数很多。有必要发展适用于3D打印材料的内部变形测试技术与评估方法,以探索其内部变形规律与损伤机理,进而为其成型工艺方法的改进提供依据。在现有X射线计算机断层扫描（CT）技术是检测3D打印零部件内部缺陷的重要无损检测手段。特别是激光选区融化（SLM）工艺产生的复杂形状零部件,工业CT成为质量控制的首选甚至是唯一手段。工业CT能够无损地获得零部件内部的3维密度分布场。以密度数据为标志点,数字体相关（Digital Volume Correlation,DVC）技术通过比较被检测试样变形前后的三维密度场变化,可计算出物体内部任意点处的三维位移场和应变场。CT技术与DVC技术结合,成为研究3D打印材料内部变形与损伤演化规律的一种很有发展前途的测试技术。课题组自行设计并制作了与现有微纳CT设备空间匹配的原位加载装置,建立了可以实现原位加载与观测能力的DVC方法测试平台,拉压加载能力1700N。原位加载时试样最高成像分辨力约10微米。采用SLM工艺制作了3D打印铝合金试样,进行了原位拉伸试验,并获得变形前后的三维图像。用CSI公司的商用DVC软件进行数据处理,获得了全场位移与应变数据,用云图进行了可视化展示。利用同一试样进行了常规拉伸试验,两种方法获得的弹性模量数据进行了对比,数据完全吻合,证实了基于CT的DVC方法在3D打印材料内部变形测量中的有效性。在获取的三维位移场和应变场中出现了意外的不均匀变形情况,通过实验数据分析中发现了拉伸装置的偏心效应,计算得到偏心距约0.23 mm。目前的加载装置只能提供拉压载荷。产生的位移场总体比较简单,应变场理论上是均匀的。为了获得有位移梯度的变形场,采用图像处理技术对静态试样的三维密度场图像沿拉伸轴向进行了逐层的旋转,模拟圆柱式样扭转产生的线性变形。同样用CSI公司的DVC软件对旋转前后的图像进行处理,获得了与预测完全一致的三维变形场合应变场。综上,本文建立了基于CT和DVC的内部变形测量技术平台。对3D打印铝试样进行了拉伸加载和模拟扭转,采用DVC技术对变形前后CT获得的高分辨力密度图像进行处理,获得了试样内部的位移场和应变场,与理论计算及常规实验结果完全吻合。上述工作为研究3D打印材料及类似多空材料的内部变形测量提供了新的技术手段。后续将对试样内部复杂应力应变场开展测量,进一步验证该技术的可靠性和实用性。

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论文DOI:10.26914/c.cnkihy.2019.058005

论文分类号:TP391.73;TP391.41

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