清華大學(xué)增材頂刊：基于DIC的電弧增材制造構(gòu)件全場(chǎng)變形原位測(cè)量技術(shù)

來源：材料科學(xué)與工程

電弧定向能量沉積（Arc-based Directed Energy Deposition）技術(shù)，又稱電弧增材制造（Wire + arc additive manufacturing, WAAM），具有沉積效率高、制造成本低、制造周期短及材料利用率高等諸多優(yōu)勢(shì)，特別適合大尺寸構(gòu)件快速成型以及修復(fù)再制造，在航空航天、軌道交通、核電等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

變形測(cè)量和控制是金屬增材制造中最重要的問題之一。金屬增材制造在高溫梯度和大約束條件下發(fā)生沉積和凝固，并伴隨著復(fù)雜的冶金現(xiàn)象和應(yīng)力演化。應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度可能導(dǎo)致構(gòu)件變形，超過強(qiáng)度極限導(dǎo)致裂紋缺陷甚至斷裂。而由于WAAM熱輸入大，變形和開裂問題更為突出。因此，有必要對(duì)WAAM過程中的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

增材制造變形的研究主要通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法。數(shù)值模擬主要通過宏觀尺度（＞10-3 m）下的順序耦合熱彈塑性有限元計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，然而數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量之間的一致性存在一定誤差。實(shí)驗(yàn)測(cè)量，包括坐標(biāo)測(cè)量和位移傳感器。坐標(biāo)測(cè)量（如激光3D掃描）主要用于測(cè)量沉積后的零件變形，不能實(shí)時(shí)測(cè)量。而位移傳感器（激光位移傳感器或DVRT傳感器）僅能記錄某一點(diǎn)或幾個(gè)點(diǎn)的變形信息，在全場(chǎng)變形測(cè)量方面存在一定局限性。數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）是一種基于光學(xué)的測(cè)量技術(shù)，其基本原理是跟蹤變形前后圖像中相同子區(qū)特征點(diǎn)的位移，從而得到全場(chǎng)變形。

近日，清華大學(xué)機(jī)械系趙玥副研究員團(tuán)隊(duì)采用DIC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電弧增材制造構(gòu)件全場(chǎng)變形的原位測(cè)量。團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并搭建了WAAM和三維DIC測(cè)量系統(tǒng)，研究了DIC系統(tǒng)測(cè)量精度、弧光干擾及屏蔽技術(shù)、散斑質(zhì)量對(duì)測(cè)量精度的影響，并通過DIC測(cè)量與數(shù)值模擬方法研究了單臂墻及圓筒型WAAM構(gòu)件的變形演變規(guī)律。相關(guān)研究成果以“In situ measurement of full-field deformation for arc-based directed energy deposition via digital image correlation technology”為題，發(fā)表于國(guó)際增材制造領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Additive Manufacturing》。論文第一作者為清華大學(xué)博士后王強(qiáng)（現(xiàn)為上海交通大學(xué)助理研究員），通訊作者為清華大學(xué)趙玥副研究員。本研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金支持，未來團(tuán)隊(duì)將持續(xù)開展DIC應(yīng)力變形測(cè)量技術(shù)研究，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)電弧增材制造過程構(gòu)件變形的實(shí)時(shí)全場(chǎng)測(cè)量及在線調(diào)控。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103635

DIC測(cè)量系統(tǒng)具有較高的精度，測(cè)量誤差可控制在微米級(jí)，2D-DIC系統(tǒng)靜態(tài)誤差為±4μm，3D-DIC系統(tǒng)靜態(tài)誤差為±6μm。在10mm變形范圍內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量誤差為0.012mm，0.12%。同時(shí)采用2D-DIC與3D-DIC測(cè)量相同構(gòu)件增材過程變形，測(cè)量結(jié)果保持一致。

圖1 DIC系統(tǒng)測(cè)量誤差評(píng)估：（a）測(cè)試平臺(tái)；（b）圖像質(zhì)量；（c）位移測(cè)量分量。

圖2 2D-DIC與3D-DIC測(cè)量結(jié)果對(duì)比：（a）試驗(yàn)平臺(tái)；（b）特征點(diǎn)；（c）縱向位移對(duì)比；（d）垂向位移對(duì)比。

WAAM過程中強(qiáng)烈的弧光會(huì)嚴(yán)重影響DIC圖像質(zhì)量，電弧覆蓋區(qū)域圖像曝光嚴(yán)重，無法拍攝到散斑，必須采取弧光屏蔽措施。為此設(shè)計(jì)了平面型弧光擋板及L型弧光擋板。由于擋板不能緊密貼合增材構(gòu)件，擋板底部仍會(huì)泄漏弧光。改為L(zhǎng)型擋板并添加石棉布，使擋板與增材構(gòu)件軟接觸，能夠有效屏蔽弧光，得到高質(zhì)量DIC圖像。

圖3 弧光影響及屏蔽措施：（a）無弧光；（b）有弧光無屏蔽；（c）有弧光，平板屏蔽；（d）有弧光，L型擋板屏蔽；（e）平板屏蔽裝置；（f）L型擋板屏蔽裝置。

DIC散斑作為記錄變形信息的載體，通常有自然散斑和人工散斑兩種形式，在2D-DIC應(yīng)用中，上述兩種散斑形式均可得到高質(zhì)量圖像用于DIC變形計(jì)算。但在3D-DIC應(yīng)用中，僅可采用人工散斑。原因是采用構(gòu)件表面自然紋理作為散斑，當(dāng)不同角度拍攝照片時(shí)，相同位置的反光角度不同，造成圖像灰度差異，從而導(dǎo)致相關(guān)關(guān)系計(jì)算失效。

圖4 自然散斑與人工散斑對(duì)比：（a）無電弧，自然散斑；（b）有點(diǎn)糊，自然散斑；（c）無電弧，人工散斑；（d）有電弧，人工散斑。

圖5 基于2D-DIC系統(tǒng)同時(shí)測(cè)量自然散斑與人工散斑試樣變形：（a）實(shí)驗(yàn)裝置；（b）特征點(diǎn)位置；（c）縱向位移對(duì)比；（d）垂向位移對(duì)比。

分別通過DIC、激光3D掃描、數(shù)值模擬方式獲取WAAM圓筒構(gòu)件外表面輪廓，外輪廓直徑沿高度方向的變化趨勢(shì)保持一直。DIC測(cè)量構(gòu)件上特征點(diǎn)的位移變化與數(shù)值模擬變形演變規(guī)律相近。DIC技術(shù)是WAAM構(gòu)件全場(chǎng)變形原位測(cè)量的有效途徑，實(shí)現(xiàn)DIC在線實(shí)時(shí)變形測(cè)量與控制對(duì)金屬增材制造成形控制具有重要意義。

圖6 WAAM圓筒構(gòu)件變形結(jié)果及變形演變結(jié)果：（a）DIC全場(chǎng)變形；（b）激光3D掃描；（c）數(shù)值模擬；（d）外輪廓直徑沿高度變化規(guī)律；（e）DIC測(cè)量特征點(diǎn)位移演變；（f）數(shù)值模擬變形演變。

研究結(jié)果表明：DIC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電弧增材制造構(gòu)件全場(chǎng)變形原位測(cè)量，且具有較高的測(cè)量精度。對(duì)于2D-DIC系統(tǒng)，自然散斑和人工散斑均可用于高精度測(cè)量；但是對(duì)于3D-DIC，必須采用人工散斑。WAAM過程中強(qiáng)烈的弧光會(huì)影響DIC圖像質(zhì)量，必須采取有效的屏蔽措施。使用DIC技術(shù)測(cè)量的WAAM構(gòu)件變形與數(shù)值模擬、三維激光掃描測(cè)量結(jié)果具有高度一致性。通過DIC技術(shù)，有望實(shí)現(xiàn)電弧增材制造過程全場(chǎng)變形的實(shí)時(shí)測(cè)量及調(diào)控。