北京理工大学：基于CT扫描对SLM三维内凹点阵结构的力学性能表征

供稿人:张亚园、田小永

金属三维内凹点阵结构作为一种负泊松比材料具有优良的应用前景，然而通过增材制造技术制作的三维内凹点阵往往会引入许多微观和宏观尺度的缺陷，因此需要评估它们对结构性能的影响。近日，北京理工大学方岱宁研究团队利用CT扫描技术对于这种结构的缺陷进行了损伤分析与失效演化等方面的工作。通过选择性激光熔融技术（SLM）制造了具有负泊松比的三维内凹点阵结构，并使用X射线计算机断层扫描技术(CT)获得缺陷的形态，位置及分布，目的是研究它们在准静态压缩试验下的弹性响应，损伤的形成和失效演化中的作用。

该研究主要分为三个过程：首先，建立用于预测三维内凹点阵结构力学性能的理论模型，主要涉及刚度、泊松比和强度等，并利用SLM工艺沿图1所示方向进行试样的打印，所使用的材料为Al-Si10-Mg粉末，粒度范围为18-58μm。

图1. 内凹点阵的构建方向：（a）CAD模型（b）三个坐标平面的断层图像（c）SLM打印的样品结构（d）x2-x3平面上的断层图像。
然后，进行真实状态下三维内凹点阵结构的准静态压缩实验，并在试样不同加载阶段利用CT扫描技术对试样进行扫描重构，利用图像处理技术进行三维可视化处理，以捕获SLM工艺所带来的各种缺陷的形貌、分布等信息，建立含真实缺陷的三维CT重建模型。

图2. 内凹点阵原位压缩实验：（a）力与位移的关系曲线；(b) 压缩实验示意图；(c)不同加载阶段的三维重构模型正视图，对应于（a）图上的8个加载点
最后，对建立的含真实缺陷的重构三维内凹点阵模型以及理论模型进行有限元仿真分析，施加单轴一定的压缩载荷以及周期性边界条件，将得到的结构进行对比分析。

图3. 实验结果对比：（a）通过CAD模型仿真、CT扫描重构模型有限元仿真以及压缩测试得到的载荷—位移曲线；(b) CAD模型与CT扫描重构模型的整体数值模拟结果

研究表明，内凹点阵的失效不仅受其拓扑结构的影响，还受SLM工艺引入的几何缺陷与表面质量的影响。从断层扫描图像中提取的几何缺陷引入到有限元模型中，得到含缺陷的有限元模型，进行压缩试验相应的数值模拟，从模量，强度还有失效机理方面进行分析，揭示了缺陷对内凹点阵力学性能的影响。

参考文献：
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:张亚园、田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室