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增材制造CT表征，從3D到原位動態4D成像

2022-03-03

增材制造（AM）在過去十年中的發展為整個制造領域創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控，包括：工藝開發，工藝監控和最終零件質量，這些仍具有挑戰。

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，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來推斷測試期間發生了什么。

此時，動態顯微CT與時間分辨率顯得尤為重要。動態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測。

據悉，TESCAN推出的實時動態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境下的內部行為表現，有助于更多具有優異性能的新材料開發研究。

△3D打印塑料樣品壓縮的動態成像。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，但常規做法是對中斷的多個非連續過程進行成像，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成像，而這個過程是真實連續的。

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的圖像。填充圖案式樣需要考慮對后續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，會看到在單層發生初始坍塌，接著被持續壓縮，直到它坍縮到下一層。通過觀察樣品的最終狀態，我們可以看到大部分的變形發生在一個小區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，始終只有局部發生屈曲變形。最初，在樣品底部發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，可發現樣品沿初始“滑動”的地方發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，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）的感興趣區域掃描(VOIS)。通過可視化軟件Panthera?，低分辨率掃描發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，并可清楚地發現由于不規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CT結果中看到的剪切變形現象。