基于計算機斷層掃描表征3D打印砂模

供稿人:李成偉、張航

在傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)中，模具的設計和制造會花費大量的時間，增加研發(fā)周期和生產成本。而使用增材制造技術可以通過計算機輔助設計模型直接成形復雜形狀的砂型，對鑄造業(yè)產生了巨大的影響。但在測量3D打印砂模的滲透率、密度、強度等參數(shù)時，常常需要制作不同位置砂模的試樣，同時由于3D打印砂模在打印速度、XYZ三個方向的分辨率、工件盒中的位置等參數(shù)下表現(xiàn)出各向異性的特性，制作出來的試樣不能代表砂模各個方位的參數(shù)，存在一定的誤差，從而制約著鑄件成品率的提高。

英國南安普頓大學工程與環(huán)境學院的Tharmalingam Sivarupan等人提出了一種使用微焦點X射線計算機斷層掃描表征3D打印砂模的技術。該技術工作原理為：使用XT H225 L微焦點X-CT系統(tǒng)（英國尼康計量公司）在樣本360°旋轉過程獲取3142個X-CT圖像，再利用計算機重構出被測樣品的3D結構模型，根據(jù)X-CT圖像和算法劃分網格求解每個成像樣品的X、Y和Z方向的參數(shù)。

圖1 基于計算機斷層掃描表征3D打印砂模的過程(A)CT掃描圖 (B) 計算機重構出被測樣品的3D結構模型

為了驗證計算結果的正確性,設計如圖所示的工具箱，每個工位箱體中有16個3方向圓柱試樣測試其滲透性，選取Z4，Z6和Z9三個位置的試樣，使用微焦點XCT系統(tǒng)掃描在兩個速度下獲得的3D打印樣品，計算出他們在三個方向上的滲透率并與測試結果相比較。

圖2 工作箱配置的頂視圖

圖3模擬結果圖(A)試樣尺寸大于700時模擬結果圖 (B) 不同試樣尺寸的模擬結果圖

研究人員對比了不同尺寸下樣本的模擬值與測量值，如圖3（A）所示;模擬結果為試樣尺寸大于700側長時的平均滲透率值。印刷試樣的位置編號見圖2。模擬結果與實驗結果基本吻合。增加樣本量后，滲透率在邊長為700的樣本量之外保持穩(wěn)定，如圖3（B）所示。結果表明在樣本尺寸大于700時，使用計算機斷層掃描計算出來的滲透率比較準確。

因此可以利用三維X射線斷層圖像在不損壞砂模的前提下獲得最具代表性的滲透率值。這節(jié)省了為傳統(tǒng)測試單獨制作樣本的時間和精力，方便對砂模參數(shù)進行調整，從而提高鑄件成品率。

參考文獻：
Sivarupan T , El Mansori M , Daly K , et al. Characterisation of 3D printed sand moulds using micro-focus X-ray computed tomography[J]. Rapid Prototyping Journal, 2018.

供稿人:李成偉、張航 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室