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3D打印技術制備的點陣結構尺寸偏差與缺陷檢測研究

來源:杰呈3D打印 發布時間:2025-10-23 11:05:38 瀏覽次數:0
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3D打印技術制備的點陣結構尺寸與原設計尺寸存在偏差的問題研究,一般都僅限于3D打印過程中固有的局限性引起的幾何尺寸偏差。

3D打印過程固有因素導致的尺寸偏差

Mancisidor等人指出,在SLM打印樣件邊緣時,激光的掃描速度通常比打印內部區域時的掃描速度要慢。這種現象的出現是由于激光從所需制備的樣件邊界開始直線掃描路徑,在此路徑中激光表現出一個初始加速度階段。因此,靠近邊界的速度越慢,沉積的能量密度就越高,從而產生超過預期邊緣的熔池。

2018年,Sing等人研究了不同的SLM工藝參數設置對點陣結構尺寸精度的影響,發現支桿尺寸對激光功率最敏感。當熔池的寬度大于激光束光斑尺寸時,點陣結構的支桿尺寸要大于設計尺寸,甚至出現相鄰單元細胞支桿黏連在一起的現象。

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樣件幾何形狀對偏差的影響

3D打印過程的固有因素之外,樣件本身的幾何形狀也會對樣件的偏差產生影響。Kruth等人利用SLM技術制造了工程設計中常用的各種形狀,如薄壁、孔洞、圓柱等。通過對不同形狀的樣件精度測試結果表明,在相同的工藝參數下,不同形狀零件的測試精度是不同的。

Sarker等人實驗發現,Ti - 6Al - 4V傾斜件的傾角對樣件的表面形貌、形貌和粗糙度有很大影響。Mazur等人觀察到在3D打印過程中懸臂支撐的支桿不受支撐區域會發生局部坍塌。

點陣結構內部缺陷形成原因

目前對點陣結構內部缺陷形成的原因主要可以分為兩個方面的因素。一方面,3D打印技術本身現在存在的固有局限性,對3D打印樣件質量影響的工藝參數有很多,工藝參數設置與實際打印過程中的不匹配性,會對樣件精度產生很大的影響,嚴重時會出現結構邊緣打印不完整,支桿黏連等現象。另一方面則是樣件設計的問題。樣件設計的過于復雜或者缺少必要的支撐桿,會引起打印錯誤或結構坍塌,造成原材料的浪費。

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點陣結構缺陷檢測的必要性

當利用3D打印技術制備特定的樣件結構時,尤其是復雜的金屬點陣結構,對成品的缺陷檢測是必不可少的。點陣結構應用最廣的領域是在航空航天發動機組件、蒙皮等方面,對點陣結構的質量要求也比較高。質量不合格或存在缺陷的點陣結構的使用不僅會對設備造成損害,更是為飛行員生命安全的造成了嚴重威脅。

無損檢測技術用于點陣結構缺陷檢測

針對點陣結構的缺陷檢測一般都是通過無損檢測技術手段進行。采用無損檢測技術的目的是為了防止點陣結構在檢測過程中的形狀、性能等被破壞,可以保證待檢測點陣結構的安全可靠性。在不損害待檢測的點陣結構的前提下,通過不同的物理現象或者化學反應,對待檢測的點陣結構進行有效的檢驗和測試,然后借助這些現象或者反應對點陣結構的完整性、安全性、可靠性以及一些物理特性進行評價。其中,包括待檢測的點陣結構中是否含有缺陷,對缺陷的形狀、大小、位置、數目等等情況進行判斷。

目前無損檢測方法有很多,按照檢測方式可以大致分為聲學檢測、電學檢測、磁學檢測、射線檢測、光學檢測、熱學檢測、微波與介電檢測等等。傳統意義上的無損檢測方法包含目視檢測(Visual Testing,VT)、超聲檢測(Ultrasonic Testing,UT)、射線檢測(Radiographic Testing,RT)、磁粉檢測(Magnetic particle,MT)、滲透檢測(Penetrant Testing,PT)、渦流檢測(Eddy current Testing,ET)。目前常用的其他的無損檢測方法多數都是多種檢測方法相結合復合檢測方法,比如衍射波時差法超聲檢測技術(Time of Flight Diffraction,TOFD),超聲相控陣檢測(Phased Array UltrasonicTesting,PAUT),計算機斷層掃描檢測(Computed Tomography,CT)。

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3D打印點陣結構內部缺陷與檢測挑戰

利用3D打印技術制備的點陣結構內部缺陷的產生與材料自身的特性和制備工藝過程息息相關。原材料自身特性因素會導致成型的點陣結構內部出現氣泡現象,這種問題是無法避免的。由于制備工藝過程中工藝參數不匹配產生的缺陷對結構本身的功能特性會產生很大的影響,甚至影響其的安全使用問題。但是,由于點陣結構本身就是一種具有復雜幾何結構的多孔材料,并且缺陷微小,對傳統的無損檢測技術手段提出了新的挑戰。

相關研究成果

美國NASA和GE公司、英國的TWI公司、中航工業北京航空制造工程研究院等對3D打印技術制備的產品方面的無損檢測方法研究方面取得了大量成果。

在眾多方法中,CT檢測技術由于具有較強的穿透性和較高的分辨率,經常被用于觀察復雜晶格結構的內部情況。工業CT檢測技術成功檢測出了傳統方法難以檢測的復雜金屬結構中的微孔。

D. Melancon等針對一種多孔材料進行計算機斷層掃描和幾何缺陷的統計分析,以生成基于統計的數值模型。Liu等對含幾何缺陷的三維金屬點陣的彈性和失效響應進行研究,采用CT技術來捕捉幾何缺陷的形態、位置和分布,并且通過機器學習方法建立模型。Gorgularslan等對用于計算機輔助生物醫學應用的3D點陣支架的不確定度定量進行了研究,使用深度學習方法對CT掃描圖像進行處理和重構。M. Dallago等采用CT技術統計識別并分類由SLM制備的Ti6Al4V點陣結構的幾何失真,仿真計算了嚴重缺口引起的應力集中。Lei等使用SLM制備了兩種(BCC和BCC - Z)拓撲結構的AlSi10Mg點陣模型,并采用微型X射線斷層掃描(μ - CT)技術掃描獲得點陣模型的實際幾何信息,并統計量化支柱直徑的分布規律,進而評估缺陷和層數對整體機械性能和能量吸收的影響。這些研究特別適用于自由形內表面的表示。

R. M. Gorguluarslan等為準確預測支架設計的點陣結構的力學響應,首先采用選擇性激光熔凝法制備的點陣結構微CT掃描圖像,重構出各支板的高分辨率有限元模型,通過對重構支架模型的統計數據,利用貝葉斯信息準則對參數分布的不確定性進行量化。

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CT檢測技術存在的問題與研究方向

普通的無損檢測技術無法測量晶格結構的內部,而CT技術受復雜幾何設計的影響較小,并提供了內部特征的無損可視化。然而到目前為止,關于點陣結構內部缺陷的檢測仍然依賴于CT操作者的技能和經驗。當有大量的CT圖像等待被核查時,CT操作者可能會由于工作疲勞而給出缺陷誤報或者漏報的問題。缺陷的誤報會嚴重影響產品的性能評價和壽命預測,從而導致產品的不當使用和潛在的安全問題。3D打印產品性能評價仍處于非常不完善的狀態,點陣結構內部缺陷自動識別算法尚處于起步階段,需要對點陣結構缺陷的自動識別方法進行研究。


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