增材制造CT表征：從3D到原位動(dòng)態(tài)4D成像

導(dǎo)讀：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),。

總結(jié)：

隨著增材制造技術(shù)的成熟，可以實(shí)現(xiàn)的幾何形狀變得越來(lái)越復(fù)雜,。為了進(jìn)一步了解這些獨(dú)特的部件在各種條件下的性能,，必須要使用適合的檢測(cè)手段和設(shè)備。在整個(gè)TESCAN顯微CT解決方案產(chǎn)品線中,，動(dòng)態(tài)CT可以在這些過(guò)程中收集連續(xù),、不間斷的3D數(shù)據(jù)。在本研究中,，使用TESCAN UniTOM XL設(shè)備以及動(dòng)態(tài)CT技術(shù),，觀察3D打印零件在承受壓縮載荷時(shí)內(nèi)部和隱藏結(jié)構(gòu)的變化。這個(gè)例子說(shuō)明了動(dòng)態(tài)CT可作為一種有價(jià)值和潛力的手段,，來(lái)更好地了解在機(jī)械負(fù)載過(guò)程中,，3D打印部件的整體性能發(fā)生了哪些內(nèi)部(隱藏)變化。

3月14日下午2:00-4:30,，南極熊邀請(qǐng)了華中科技大學(xué)張海鷗教授,、北京工業(yè)大學(xué)張冬云教授、TESCAN micro CT中國(guó)區(qū)產(chǎn)品經(jīng)理孟方禮為廣大從事3D打印研究的朋友帶來(lái)一場(chǎng)“金屬3D打印技術(shù)研究進(jìn)展及動(dòng)力學(xué)性能檢測(cè)在3D打印中的應(yīng)用”線上研討會(huì),。有興趣參加的讀者,，請(qǐng)掃描圖中二維碼填寫報(bào)名信息。

在本次研討會(huì)中,，將會(huì)涉及到張海鷗教授微鑄鍛金屬3D打印技術(shù)的研究進(jìn)展,，張冬云教授在SLM制造的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)性能影響因素研究及進(jìn)展，以及micro-CT的基礎(chǔ)知識(shí),、3D打印樣品的結(jié)果,，并討論原位動(dòng)態(tài)CT的案例 。如果您對(duì)這個(gè)令人興奮的應(yīng)用感興趣的話,，我們誠(chéng)邀您加入本次研討會(huì),，共同探討實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)micro CT為增材制造領(lǐng)域可以帶來(lái)的無(wú)限可能,！