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增材制造CT表征，從3D到原位動(dòng)態(tài)4D成像

2022-03-03

增材制造（AM）在過(guò)去十年中的發(fā)展為整個(gè)制造領(lǐng)域創(chuàng)造了顛覆性的技術(shù)革命。然而，在最后的質(zhì)量檢測(cè)方面，如何創(chuàng)建完整樣品的高度詳細(xì)的檢測(cè)，并做好增材制造部件的整個(gè)生命周期內(nèi)質(zhì)量監(jiān)控，包括：工藝開(kāi)發(fā)，工藝監(jiān)控和最終零件質(zhì)量，這些仍具有挑戰(zhàn)。

目前，一般使用延時(shí)成像的顯微CT研究點(diǎn)陣金屬，泡沫金屬，等結(jié)構(gòu)材料，做原位力學(xué)分析。由于整個(gè)原位過(guò)程不連續(xù)，時(shí)間軸就不對(duì)，力學(xué)曲線也會(huì)不精確。為了更好地了解增材制造部件的性能與變化，特別是當(dāng)工件受到特定的外部條件如加熱或負(fù)載時(shí)，如何突破常規(guī)手段，對(duì)整體力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，而不是從初始和最終狀態(tài)來(lái)推斷測(cè)試期間發(fā)生了什么。

此時(shí)，動(dòng)態(tài)顯微CT與時(shí)間分辨率顯得尤為重要。動(dòng)態(tài)CT，是一種利用X射線收集3D數(shù)據(jù)的技術(shù)，在無(wú)損檢測(cè)方面非常實(shí)用。隨著該技術(shù)及其能力的成熟，現(xiàn)在可被用于力學(xué)測(cè)試過(guò)程中三維結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測(cè)。

據(jù)悉，TESCAN推出的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)micro-CT，能夠在原位實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集具有高時(shí)間分辨率，且不間斷的3D數(shù)據(jù)，可以看清增材制造零件中常見(jiàn)的復(fù)雜和錯(cuò)綜復(fù)雜的幾何形狀，觀察在力學(xué)加載、高溫以及氣氛等條件下材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，這將使研究人員更完整并更準(zhǔn)確地理解材料在真實(shí)環(huán)境下的內(nèi)部行為表現(xiàn)，有助于更多具有優(yōu)異性能的新材料開(kāi)發(fā)研究。

△3D打印塑料樣品壓縮的動(dòng)態(tài)成像。每次掃描 6 秒即可采集超過(guò) 200 張 3D 圖像

實(shí)驗(yàn)背景目前，最終零件的質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面仍有一些障礙需要克服。除了在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的常規(guī)問(wèn)題如缺陷和尺寸精度問(wèn)題以外，為了更好地了解增材制造部件的性能與變化，特別是當(dāng)工件受到特定的外部條件如加熱或負(fù)載時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的變化是常規(guī)手段難以獲得的。而對(duì)于復(fù)雜和/或隱藏結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的力學(xué)測(cè)試方法只能提供整體力學(xué)性能的常規(guī)結(jié)果，每個(gè)特征變化只能在測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行破壞性評(píng)估。

原位顯微CT能夠在變化的外部條件(如負(fù)載或溫度)下對(duì)樣品內(nèi)部的變化過(guò)程進(jìn)行三維檢測(cè)，但常規(guī)做法是對(duì)中斷的多個(gè)非連續(xù)過(guò)程進(jìn)行成像，也稱(chēng)為延時(shí)成像。為了獲得更清晰的圖像，TESCAN采用了動(dòng)態(tài)CT方法。這是最先進(jìn)的時(shí)間分辨率3D X射線成像系統(tǒng)，利用高時(shí)間分辨率，樣品在不斷變化的過(guò)程中連續(xù)成像，而這個(gè)過(guò)程是真實(shí)連續(xù)的。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1:（左）安裝在 UniTOM XL 中的 Deben 原位臺(tái)；（右上）未壓縮的3D打印零件樣品；（右下）壓縮后的3D打印零件樣本

對(duì)不同填充結(jié)構(gòu)下打印出來(lái)的三個(gè)塑料件進(jìn)行了原位三維變形研究。這些塑料件內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)是非肉眼可見(jiàn)的。本研究使用的是TESCAN UniTOM XL micro-CT系統(tǒng)。在22分鐘內(nèi)收集了220張斷層圖，樣品旋轉(zhuǎn)的時(shí)間分辨率為5.8秒，體素大小為59μm，保持持續(xù)壓縮每個(gè)樣品，載荷傳感器使用的是Deben CT5000RT。同時(shí)為了保證在連續(xù)旋轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)采集期間進(jìn)行“無(wú)電纜纏繞”操作，本研究使用了TESCAN原位接口套件。上圖圖1顯示了原位裝置、樣品初始和最終狀態(tài)的圖像。填充圖案式樣需要考慮對(duì)后續(xù)層和零件完整性的影響，而且填充圖案式樣的選擇也對(duì)3D打印零件的性能有很大影響。沒(méi)有任何一種填充圖案模式適用于所有應(yīng)用環(huán)境。使用什么圖案以及使用多少圖案，很大程度上取決于最終的形狀和零件的應(yīng)用需求，以及打印技術(shù)、時(shí)間和成本。對(duì)于本研究，我們選擇了三種不同的常見(jiàn)填充式樣: Cross 3D、Cube 和 Triangle。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2:(上)負(fù)載曲線顯示了測(cè)得的力隨時(shí)間的變化;(下)測(cè)試過(guò)程中每個(gè)樣品在不同時(shí)間的示例圖像

圖2顯示了三種不同填充模式(Cross 3D, Cube和Triangle)的負(fù)載曲線與時(shí)間的關(guān)系，以及每個(gè)樣品在不同時(shí)間點(diǎn)的代表性3D渲染和2D切片成像。從負(fù)載曲線和圖像中都可以得到一些有效信息。在負(fù)載曲線中我們可以發(fā)現(xiàn)三者總體上變化相似，但Cross 3D模型能夠在最初承受更大的載荷，然后迅速下降到其他兩個(gè)樣品以下，隨后再次恢復(fù)到平均水平。如果觀察3D成像，會(huì)看到在單層發(fā)生初始坍塌，接著被持續(xù)壓縮，直到它坍縮到下一層。通過(guò)觀察樣品的最終狀態(tài)，我們可以看到大部分的變形發(fā)生在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)并且外層有大量的形變。相比之下，立方試樣幾乎保持整體幾何完整性，始終只有局部發(fā)生屈曲變形。最初，在樣品底部發(fā)現(xiàn)了一個(gè)單層失效缺陷，但當(dāng)我們對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行檢查時(shí)，在樣品高度方向發(fā)現(xiàn)了幾層貫穿的斷裂。相比其他模式，三角形填充模式具有明顯不同的載荷曲線變化，可發(fā)現(xiàn)樣品沿初始“滑動(dòng)”的地方發(fā)生了明顯的剪切變形。

圖3:壓縮過(guò)程中Cross 3D樣品在不同時(shí)間點(diǎn)的層分離細(xì)節(jié)，a)3.5分鐘b) 5.8分鐘c) 6.5分鐘d) 8.3分鐘

除了提供對(duì)整個(gè)樣品的三維觀察外，它還可以聚焦于樣品的特定點(diǎn)，并在固定的時(shí)間框架內(nèi)觀察局部變化。例如，如果我們仔細(xì)觀察Cross 3D樣本中的一些變化，如圖3所示，隨著負(fù)載的增加，可以清晰的看到各個(gè)層之間的分離。在這里，我們可以清楚地看到缺陷在5分鐘內(nèi)的失效過(guò)程。這些特殊的失效過(guò)程可能表明某些層之間缺乏融合，需要對(duì)初始構(gòu)建參數(shù)進(jìn)行更改。

最后，可以對(duì)這類(lèi)樣品采取多尺度掃描，在力學(xué)測(cè)試之前和/或之后進(jìn)行更高空間分辨率的掃描，以更好地了解特定位置的微觀結(jié)構(gòu)。例如，三角形填充樣品，在壓縮前，我們通過(guò)相對(duì)低分辨率的整體掃描獲得樣品信息，然后對(duì)感興趣部位進(jìn)行更高空間分辨率（8.5μm體素）的感興趣區(qū)域掃描(VOIS)。通過(guò)可視化軟件Panthera?，低分辨率掃描發(fā)現(xiàn)了其中一個(gè)結(jié)構(gòu)表面有異常。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，我們?cè)龠x擇這個(gè)異常區(qū)域進(jìn)行半自動(dòng)高分辨率掃描。多尺度掃描成像如下圖4所示。在更高分辨率的成像中，我們可以看到單個(gè)構(gòu)建層，并可清楚地發(fā)現(xiàn)由于不規(guī)則的構(gòu)建模板導(dǎo)致了孔洞。這些孔洞可能是初始失效點(diǎn)，可能導(dǎo)致動(dòng)態(tài)CT結(jié)果中看到的剪切變形現(xiàn)象。

圖4:(左)全樣品預(yù)覽掃描成像;(中間)VOIS感興趣區(qū)域掃描成像(紅色)，顯示位于整個(gè)樣品內(nèi)的位置;(右)打印缺陷的細(xì)節(jié)(體素大小為8.5μm)。

在未來(lái)增材技術(shù)的不斷發(fā)展之下，更多行業(yè)必然會(huì)納入3D打印技術(shù)服務(wù)體系之內(nèi)，當(dāng)然增材制造目前也存在著成本高、原材料價(jià)格昂貴、無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)、對(duì)于大型構(gòu)件打印存在部分問(wèn)題，但是相信在下一個(gè)十年內(nèi)，3D打印行業(yè)及其技術(shù)必然會(huì)有一個(gè)十分長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

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