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

該研究主要分為三個過程：首先，建立用于預(yù)測三維內(nèi)凹點陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的理論模型，主要涉及剛度、泊松比和強度等，并利用SLM工藝沿圖1所示方向進行試樣的打印，所使用的材料為Al-Si10-Mg粉末，粒度范圍為18-58μm。

圖1. 內(nèi)凹點陣的構(gòu)建方向：（a）CAD模型（b）三個坐標(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，進行真實狀態(tài)下三維內(nèi)凹點陣結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗，并在試樣不同加載階段利用CT掃描技術(shù)對試樣進行掃描重構(gòu)，利用圖像處理技術(shù)進行三維可視化處理，以捕獲SLM工藝所帶來的各種缺陷的形貌、分布等信息，建立含真實缺陷的三維CT重建模型。

圖2. 內(nèi)凹點陣原位壓縮實驗：（a）力與位移的關(guān)系曲線；(b) 壓縮實驗示意圖；(c)不同加載階段的三維重構(gòu)模型正視圖，對應(yīng)于（a）圖上的8個加載點
最后，對建立的含真實缺陷的重構(gòu)三維內(nèi)凹點陣模型以及理論模型進行有限元仿真分析，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)進行對比分析。

圖3. 實驗結(jié)果對比：（a）通過CAD模型仿真、CT掃描重構(gòu)模型有限元仿真以及壓縮測試得到的載荷—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)凹點陣的失效不僅受其拓撲結(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，進行壓縮試驗相應(yīng)的數(shù)值模擬，從模量，強度還有失效機理方面進行分析，揭示了缺陷對內(nèi)凹點陣力學(xué)性能的影響。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室