增材制造CT表征：從3D到原位動態(tài)4D成像

導讀：增材制造（AM）在過去十年中的發(fā)展為整個制造領域創(chuàng)造了顛覆性的技術革命。然而，在最后的質量檢測方面，如何創(chuàng)建完整樣品的高度詳細的檢測，并做好增材制造部件的整個生命周期內質量監(jiān)控，包括：工藝開發(fā)，工藝監(jiān)控和最終零件質量，這些仍具有挑戰(zhàn)。

目前，一般使用延時成像的顯微CT研究點陣金屬，泡沫金屬，等結構材料，做原位力學分析。由于整個原位過程不連續(xù)，時間軸就不對，力學曲線也會不精確。為了更好地了解增材制造部件的性能與變化，特別是當工件受到特定的外部條件如加熱或負載時，如何突破常規(guī)手段，對整體力學性能進行實時觀測，而不是從初始和最終狀態(tài)來推斷測試期間發(fā)生了什么。

此時，動態(tài)顯微CT與時間分辨率顯得尤為重要。動態(tài)CT，是一種利用X射線收集3D數據的技術，在無損檢測方面非常實用。隨著該技術及其能力的成熟，現在可被用于力學測試過程中三維結構變化的監(jiān)測。

據悉，TESCAN推出的實時動態(tài)micro-CT，能夠在原位實驗過程中收集具有高時間分辨率，且不間斷的3D數據，可以看清增材制造零件中常見的復雜和錯綜復雜的幾何形狀，觀察在力學加載、高溫以及氣氛等條件下材料內部結構的變化，這將使研究人員更完整并更準確地理解材料在真實環(huán)境下的內部行為表現，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態(tài)成像。每次掃描 6 秒即可采集超過 200 張 3D 圖像

實驗背景

目前，最終零件的質量監(jiān)測方面仍有一些障礙需要克服。除了在生產過程中遇到的常規(guī)問題如缺陷和尺寸精度問題以外，為了更好地了解增材制造部件的性能與變化，特別是當工件受到特定的外部條件如加熱或負載時，其內部結構和性能的變化是常規(guī)手段難以獲得的。而對于復雜和/或隱藏結構，傳統的力學測試方法只能提供整體力學性能的常規(guī)結果，每個特征變化只能在測試結束后進行破壞性評估。

原位顯微CT能夠在變化的外部條件(如負載或溫度)下對樣品內部的變化過程進行三維檢測，但常規(guī)做法是對中斷的多個非連續(xù)過程進行成像，也稱為延時成像。為了獲得更清晰的圖像，TESCAN采用了動態(tài)CT方法。這是最先進的時間分辨率3D X射線成像系統，利用高時間分辨率，樣品在不斷變化的過程中連續(xù)成像，而這個過程是真實連續(xù)的。

實驗設計

圖1:（左）安裝在 UniTOM XL 中的 Deben 原位臺； （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

對不同填充結構下打印出來的三個塑料件進行了原位三維變形研究。這些塑料件內部支撐結構是非肉眼可見的。本研究使用的是TESCAN UniTOM XL micro-CT系統。在22分鐘內收集了220張斷層圖，樣品旋轉的時間分辨率為5.8秒，體素大小為59μm，保持持續(xù)壓縮每個樣品，載荷傳感器使用的是Deben CT5000RT。同時為了保證在連續(xù)旋轉和數據采集期間進行“無電纜纏繞”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3D打印零件的性能有很大影響。沒有任何一種填充圖案模式適用于所有應用環(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用需求，以及打印技術、時間和成本。對于本研究，我們選擇了三種不同的常見填充式樣: Cross 3D、Cube 和 Triangle。

實驗結果

圖2:(上)負載曲線顯示了測得的力隨時間的變化;(下)測試過程中每個樣品在不同時間的示例圖像

圖2顯示了三種不同填充模式(Cross 3D, Cube和Triangle)的負載曲線與時間的關系，以及每個樣品在不同時間點的代表性3D渲染和2D切片成像。從負載曲線和圖像中都可以得到一些有效信息。在負載曲線中我們可以發(fā)現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樣品以下，隨后再次恢復到平均水平。如果觀察3D成像，會看到在單層發(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)生在一個小區(qū)域內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)現了一個單層失效缺陷，但當我們對整個過程進行檢查時，在樣品高度方向發(fā)現了幾層貫穿的斷裂。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)現樣品沿初始“滑動”的地方發(fā)生了明顯的剪切變形。

   

圖3:壓縮過程中Cross 3D樣品在不同時間點的層分離細節(jié):

a)3.5分鐘b) 5.8分鐘c) 6.5分鐘d) 8.3分鐘

除了提供對整個樣品的三維觀察外，它還可以聚焦于樣品的特定點，并在固定的時間框架內觀察局部變化。例如，如果我們仔細觀察Cross 3D樣本中的一些變化，如圖3所示，隨著負載的增加，可以清晰的看到各個層之間的分離。在這里，我們可以清楚地看到缺陷在5分鐘內的失效過程。這些特殊的失效過程可能表明某些層之間缺乏融合，需要對初始構建參數進行更改。
最后，可以對這類樣品采取多尺度掃描，在力學測試之前和/或之后進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構。例如，三角形填充樣品，在壓縮前，我們通過相對低分辨率的整體掃描獲得樣品信息，然后對感興趣部位進行更高空間分辨率（8.5μm體素）的感興趣區(qū)域掃描(VOIS)。通過可視化軟件Panthera™，低分辨率掃描發(fā)現了其中一個結構表面有異常。通過一個簡單的操作，我們再選擇這個異常區(qū)域進行半自動高分辨率掃描。多尺度掃描成像如下圖4所示。在更高分辨率的成像中，我們可以看到單個構建層，并可清楚地發(fā)現由于不規(guī)則的構建模板導致了孔洞。這些孔洞可能是初始失效點，可能導致動態(tài)CT結果中看到的剪切變形現象。

圖4:(左)全樣品預覽掃描成像;(中間)VOIS感興趣區(qū)域掃描成像(紅色)，顯示位于整個樣品內的位置;(右)打印缺陷的細節(jié)(體素大小為8.5μm)。

總結：

隨著增材制造技術的成熟，可以實現的幾何形狀變得越來越復雜。為了進一步了解這些獨特的部件在各種條件下的性能，必須要使用適合的檢測手段和設備。在整個TESCAN顯微CT解決方案產品線中，動態(tài)CT可以在這些過程中收集連續(xù)、不間斷的3D數據。在本研究中，使用TESCAN UniTOM XL設備以及動態(tài)CT技術，觀察3D打印零件在承受壓縮載荷時內部和隱藏結構的變化。這個例子說明了動態(tài)CT可作為一種有價值和潛力的手段，來更好地了解在機械負載過程中，3D打印部件的整體性能發(fā)生了哪些內部(隱藏)變化。

3月14日下午2:00-4:30，南極熊邀請了華中科技大學張海鷗教授、北京工業(yè)大學張冬云教授、TESCAN micro CT中國區(qū)產品經理孟方禮為廣大從事3D打印研究的朋友帶來一場“金屬3D打印技術研究進展及動力學性能檢測在3D打印中的應用”線上研討會。有興趣參加的讀者，請掃描圖中二維碼填寫報名信息。

在本次研討會中，將會涉及到張海鷗教授微鑄鍛金屬3D打印技術的研究進展，張冬云教授在SLM制造的點陣結構性能影響因素研究及進展，以及micro-CT的基礎知識、3D打印樣品的結果，并討論原位動態(tài)CT的案例 。如果您對這個令人興奮的應用感興趣的話，我們誠邀您加入本次研討會，共同探討實時動態(tài)micro CT為增材制造領域可以帶來的無限可能！