北京理工大學：基于CT掃描對SLM三維內凹點陣結構的力學性能表征

供稿人:張亞園、田小永

金屬三維內凹點陣結構作為一種負泊松比材料具有優(yōu)良的應用前景，然而通過增材制造技術制作的三維內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構性能的影響。近日，北京理工大學方岱寧研究團隊利用CT掃描技術對于這種結構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（SLM）制造了具有負泊松比的三維內凹點陣結構，并使用X射線計算機斷層掃描技術(CT)獲得缺陷的形態(tài)，位置及分布，目的是研究它們在準靜態(tài)壓縮試驗下的彈性響應，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，建立用于預測三維內凹點陣結構力學性能的理論模型，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. 內凹點陣的構建方向：（a）CAD模型（b）三個坐標平面的斷層圖像（c）SLM打印的樣品結構（d）x2-x3平面上的斷層圖像。
然后，進行真實狀態(tài)下三維內凹點陣結構的準靜態(tài)壓縮實驗，并在試樣不同加載階段利用CT掃描技術對試樣進行掃描重構，利用圖像處理技術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. 內凹點陣原位壓縮實驗：（a）力與位移的關系曲線；(b) 壓縮實驗示意圖；(c)不同加載階段的三維重構模型正視圖，對應于（a）圖上的8個加載點
最后，對建立的含真實缺陷的重構三維內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，將得到的結構進行對比分析。

圖3. 實驗結果對比：（a）通過CAD模型仿真、CT掃描重構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掃描重構模型的整體數值模擬結果

研究表明，內凹點陣的失效不僅受其拓撲結構的影響，還受SLM工藝引入的幾何缺陷與表面質量的影響。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，進行壓縮試驗相應的數值模擬，從模量，強度還有失效機理方面進行分析，揭示了缺陷對內凹點陣力學性能的影響。

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