3D打印技術(shù)制備的點陣結(jié)構(gòu)尺寸與原設(shè)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(nèi)部區(qū)域時的掃描速度要慢。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)設(shè)置對點陣結(jié)構(gòu)尺寸精度的影響，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的支桿尺寸要大于設(shè)計尺寸，甚至出現(xiàn)相鄰單元細胞支桿黏連在一起的現(xiàn)象。

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(chǎn)生影響。Kruth等人利用SLM技術(shù)制造了工程設(shè)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(jié)果表明，在相同的工藝參數(shù)下，不同形狀零件的測試精度是不同的。

Sarker等人實驗發(fā)現(xiàn)，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(qū)域會發(fā)生局部坍塌。

點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷形成原因

目前對點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)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(shù)本身現(xiàn)在存在的固有局限性，對3D打印樣件質(zhì)量影響的工藝參數(shù)有很多，工藝參數(shù)設(shè)置與實際打印過程中的不匹配性，會對樣件精度產(chǎn)生很大的影響，嚴重時會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)邊緣打印不完整，支桿黏連等現(xiàn)象。另一方面則是樣件設(shè)計的問題。樣件設(shè)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(jié)構(gòu)坍塌，造成原材料的浪費。

點陣結(jié)構(gòu)缺陷檢測的必要性

當利用3D打印技術(shù)制備特定的樣件結(jié)構(gòu)時，尤其是復雜的金屬點陣結(jié)構(gòu)，對成品的缺陷檢測是必不可少的。點陣結(jié)構(gòu)應用最廣的領(lǐng)域是在航空航天發(fā)動機組件、蒙皮等方面，對點陣結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求也比較高。質(zhì)量不合格或存在缺陷的點陣結(jié)構(gòu)的使用不僅會對設(shè)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(shù)用于點陣結(jié)構(gòu)缺陷檢測

針對點陣結(jié)構(gòu)的缺陷檢測一般都是通過無損檢測技術(shù)手段進行。采用無損檢測技術(shù)的目的是為了防止點陣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的安全可靠性。在不損害待檢測的點陣結(jié)構(gòu)的前提下，通過不同的物理現(xiàn)象或者化學反應，對待檢測的點陣結(jié)構(gòu)進行有效的檢驗和測試，然后借助這些現(xiàn)象或者反應對點陣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中是否含有缺陷，對缺陷的形狀、大小、位置、數(shù)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(tǒng)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(shù)都是多種檢測方法相結(jié)合復合檢測方法，比如衍射波時差法超聲檢測技術(shù)(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)。

3D打印點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷與檢測挑戰(zhàn)

利用3D打印技術(shù)制備的點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生與材料自身的特性和制備工藝過程息息相關(guān)。原材料自身特性因素會導致成型的點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象，這種問題是無法避免的。由于制備工藝過程中工藝參數(shù)不匹配產(chǎn)生的缺陷對結(jié)構(gòu)本身的功能特性會產(chǎn)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(jié)構(gòu)本身就是一種具有復雜幾何結(jié)構(gòu)的多孔材料，并且缺陷微小，對傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)手段提出了新的挑戰(zhàn)。

相關(guān)研究成果

美國NASA和GE公司、英國的TWI公司、中航工業(yè)北京航空制造工程研究院等對3D打印技術(shù)制備的產(chǎn)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(shù)由于具有較強的穿透性和較高的分辨率，經(jīng)常被用于觀察復雜晶格結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況。工業(yè)CT檢測技術(shù)成功檢測出了傳統(tǒng)方法難以檢測的復雜金屬結(jié)構(gòu)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(tǒng)計分析，以生成基于統(tǒng)計的數(shù)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(shù)來捕捉幾何缺陷的形態(tài)、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(yī)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(gòu)。M. Dallago等采用CT技術(shù)統(tǒng)計識別并分類由SLM制備的Ti6Al4V點陣結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的AlSi10Mg點陣模型，并采用微型X射線斷層掃描(μ - CT)技術(shù)掃描獲得點陣模型的實際幾何信息，并統(tǒng)計量化支柱直徑的分布規(guī)律，進而評估缺陷和層數(shù)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(nèi)表面的表示。

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

CT檢測技術(shù)存在的問題與研究方向

普通的無損檢測技術(shù)無法測量晶格結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，而CT技術(shù)受復雜幾何設(shè)計的影響較小，并提供了內(nèi)部特征的無損可視化。然而到目前為止，關(guān)于點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測仍然依賴于CT操作者的技能和經(jīng)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(chǎn)品的性能評價和壽命預測，從而導致產(chǎn)品的不當使用和潛在的安全問題。3D打印產(chǎn)品性能評價仍處于非常不完善的狀態(tài)，點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷自動識別算法尚處于起步階段，需要對點陣結(jié)構(gòu)缺陷的自動識別方法進行研究。

上一篇：3D打印點陣結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測研究
下一篇：3D打印技術(shù)石墨烯基能源存儲新路徑