在阅读此文前，麻烦您点击一下“关注”，方便您进行讨论和分享，给您带来不一样的参与感，感谢您的支持

文 | 小苏的世界观

编辑 |小苏的世界观

前言

增材制造 AM 的出现为工程应用零件的快速设计和制造提供了强大的工具。熔融长丝制造 FFF 已成为工业领域的热门选择，因为该工艺具有广泛的兼容热塑性聚合物。

此外，该工艺非常适合实施到当前大规模生产的制造操作中。传统的FFF零件由于其较低的机械性能和不稳定的质量而受到阻碍。

传统FFF零件的材料强度差，导致它们通常只适合原型制作。因此，为了提高材料强度和改善AM生产的零件，研究人员已经开始生产由多种材料组成的AM组件。

为此，研究人员研究了在基础聚合物中添加各种增强材料，

例如碳纳米管，石墨烯或金属颗粒 的效果。

这些3D打印复合材料有助于解决传统AM和FFF生产部件强度不足的问题，但使已经复杂的材料分析进一步复杂化。

在讨论复合材料FFF部件所涉及的挑战之前，首先讨论分析单相FFF部件的问题至关重要。FFF零件由于其复杂的微观结构而表现出各向异性的机械性能。

高局部孔隙率和不完美的层粘合区域有助于FFF零件复杂的微观结构和各向异性材料性能。

通过添加强化阶段，颗粒载荷、尺寸和附着力等因素会影响零件的机械性能，这变得更加复杂。

传统的材料特性测试方法，如应变片或引伸计，对于通过FFF生产的材料是不可靠的。应变片和引伸计本质上是隐蔽的表面物位测量系统。

因此，无法捕获各向异性材料属性和异质变形场。此外，FFF零件的构建参数通过改变材料的微观结构来固有地影响机械性能。

宏观测量，如应变片，无法研究部件内部微观结构内的应变。

因此，研究人员提出了一种分析具有各向异性材料特性和异质变形场的样品的替代方法，称为数字图像相关 DIC 。

DIC在材料测试期间从2D或3D立体相机捕获图像，该相机设置为可视化材料的变形。然后将这些图像用作软件算法的输入，以计算变形和应变。

传统测试方法相比，DIC具有优势，因为可以确定变形和应变的全场轮廓。

尽管DIC具有许多优点，但其在FFF生产零件的材料分析中的应用受到限制。Zaldivir等人是最早使用DIC研究构建取向对FFF制造的ULTEM 9085拉伸试验的影响的小组之一。

研究表明，变形以高度各向异性的方式发展。此外，构建方向对材料强度和样品内应变不规则性的形成有显著影响。

Goodarzi Hosseinabadi等人在DIC的帮助下对丙烯腈丁二烯苯乙烯 ABS FFF蜂窝部件和光固化聚喷气机蜂窝部件进行了比较研究。

DIC的使用允许在压缩载荷下解析样品的应变场。本研究的扩展已经完成，以了解压缩载荷对工件的剪切效应。

研究表明，剪切分3个阶段发生，与有限元分析 FEA 模型吻合。虽然DIC允许对FFF部件进行全现场测试，但用于捕获图像的相机仅限于表面水平结果。

因此，很难在整个3D微观结构中捕获和关联应变结果。

FFF组件中的内部应变测量对于通过DIC技术受到微观结构高度影响的材料至关重要。

微型计算机断层扫描 μ-CT 的出现提供了一种非破坏性方法，可以在亚毫米级上捕获材料的内部特征。μ-CT的工作原理是将X射线穿过旋转样品以获得一组体积图像。

当X射线穿过材料时，它们会根据它们通过并由X射线受体收集的材料的密度而衰减。该数据用于形成图像的阴影投影，这些阴影投影被重建为体积的二维横截面。

μ-CT最近已成为分析AM生产零件的宝贵工具。研究人员已经开始利用μ-CT对各种AM部件的微观结构，质量和打印参数进行成像。

打印参数 如温度、光栅方向和挤出宽度对材料微观结构的影响特别令人感兴趣。

借助μ-CT图像，可以对关键结构参数如孔隙率和光栅几何形状 进行精确测量。本文提出利用μ-CT测量FFF复合材料微观结构对外部载荷的变化。

通过μ-CT提供的3D数据集，可以通过数字体积相关 DVC 捕获体积全场应变数据。

作为DIC的3D扩展，DVC首先在Bay等人的开创性论文中概述。18DVC通过将参考和置换数据集离散化为一系列子集来运行。

为了获得准确的相关性，这些子集必须包含灰度值随机变化的特征。

灰度变化可以从天然微观结构中自然形成，也可以由于外部种子到材料中的元素而形成。使用目标函数追踪每个子集中的特征，以确定从参考位置到变形位置的位移。

然后可以直接将这些数据转换为应变，从而提供内部变形的体积模型。

DVC是一种新兴的位移和应变测量方法;因此，目前这些领域的文献有限。DVC首先用于生物科学，特别是用于获得小梁骨样本中现有的应变场。

目前的DVC研究已经开始扩展到工程材料科学。DVC已被证明是分析木材、金属合金和复合材料层压板等异质材料的强大工具。 然而，DVC技术很少用于研究增材制造中的机械性能。

为解决目前关于FFF生产的复合材料中μ-CT和DVC的分析和应用的空白。这项工作解决了在FFF材料微观结构中捕获全体积应变测量的重大挑战。

目前的表面测量方法，如应变片或DIC无法研究FFF材料的微观结构和机械性能之间的相互作用。

μ-CT和DVC提供了一种捕获FFF零件微观结构及其加载过程中变形的方法，可以直接转换为应变结果。

这项工作主要证明了利用μ-CT和DVC获得结构和机械数据的可行性和优势。为此，FFF部件根据与使用的μ-CT集成材料测试台 MTS 兼容的改进的ASTM-D648 14 Type V构建。

然后在部分逐步加载的每个阶段对样品进行成像，以捕获样品微观结构上的变形进程。分析μ-CT图像以证明材料的微观结构，孔隙率和气隙方向的体积响应。

然后利用这些信息来引导关于内部位移和应变场的DVC结果的讨论。

所得的μ-CT断层扫描被用作DVC的输入，以捕获内部位移和应变场。为此，采用了称为快速迭代数字体积相关 FIDVC 的开源DVC软件来计算3D应变和位移。

30FIDVC基于迭代算法运行，其中相关窗口大小在每次通过时变小，以提高样品位移的分辨率。

在本研究中，首先将100 N载荷作为参考点施加到测试样品上，随后在150 N和200 N载荷状态下施加载荷。

由于试样的变形体验和减少的计算负担，有必要将数据集降低到其原始分辨率的四分之一。

然后利用150 N载荷作为参考点，通过DVC计算200 N和100 N载荷条件下纵向位移以及纵向和横向应变的测量值。

然后对位移和应变行为进行渲染，以便对样品对单轴载荷条件的机械响应进行三维可视化和分析。

体积位移和应变结果可以在以后的工作中建立，允许输入或直接比较以改进当前的FEA模型。

微型计算机断层扫描

使用台式μ-CT Skyscan，1272 μ-CT扫描仪，比利时布鲁克 对铜PLA拉伸试样进行成像。表2显示了用于样品成像的μ-CT输入的完整列表。

本研究中使用的源电压和电流分别为65 kV和125 μA。由于金属容易引起金属散射伪影和光束硬化，因此使用0.5 mm铝滤光片来减少重建后断层扫描中可能出现的金属伪影。

在100 N、150 N和200的负载下以0.2°旋转步长连续完成三次扫描。

每个载荷重建前的最终数据集大小包含 938 个阴影投影。样品厚度的测量显示，每个加载步骤的宽度减少了约0.01 mm。随着拉伸载荷的增加，样品宽度的减小表明截面尺寸减小。

值得注意的是，显示的测量值大于用于制造样品的实体模型的 3.18 mm 宽度。在样本阴影投影中看到的较大宽度表明3D打印机的制造不一致。

模型宽度的增加在0.02毫米到0.04毫米之间，这完全在FFF打印部件的典型公差范围内。

图像质量评估

在进行DVC测量之前，必须评估断层扫描图像的质量是否具有DVC兼容性。对于DVC测量，灰度分布和颗粒量化可用于评估图像数据质量。

这些参数是在单个相关窗口中测量的，该窗口是从等于 100 x 128 x 128 体素或128.0 x 2048.0 x 2048.0 mm的全分辨率 2048 N 数据集中裁剪出来的。

然后使用MATLAB MATLAB R3a，The MathWorks，Natick，Mass 数字图像处理工具箱测量2018D图像堆栈的灰度直方图。

颗粒数的定量是通过商业CT图像分割软件 CTan版本1.16.8.0，布鲁克μCT，比利时 完成的。

作为量化图像中特征的要求，首先需要对数据集进行二值化。二值化是通过在灰度值 11-255 之间阈值化数据集来完成的，这突出了内部粒子。

然后使用“3D分析”命令测量颗粒，该命令计算图像序列中的全白色特征并测量其面积和体积。

结论

在μ-CT内对3D打印的铜增强PLA拉伸试样进行了单轴拉伸试验。根据ASTM-D648 14 Type V标准，拉伸试样的几何形状经过轻微修改，以确保与所使用的测试阶段兼容。

作为分析位移和应变分析的第一步，通过μ-CT图像分割测量样品的体积结构响应。

结果表明，该试样的体积横截面积大于用于显影FFF的实体模型，但仍在打印机公差范围内。

随着样品负载的增加，很明显，由于样品的伸长，平均横截面积减小了。然而，100−150 N之间的样品横截面减小比150-200 N更显着，表明随着样品的应变，材料刚度增加。

从样本中分割并测量栅格气隙以支持这一说法。两个显著的气隙促成了样品的孔隙率：样品壳和填充物之间的气隙，以及填充栅格之间的气隙。

气隙的形成有助于分析应变，因为被气隙包围的特征被视为承受更多载荷的区域。

由此产生的气隙体积显示，随着拉力的增加，孔隙率降低，这在先前已被证明与样品刚度的增加有关。

在分割样品以确定DVC图像兼容性后，将所得图像用作开源DVC软件FIDVC的输入，以获得拉伸试样的内位移和应变行为拉格朗日线弹性应变公式。

样品位移具有与典型拉伸测试相似的梯度，但由于称重传感器施加的潜在不协调力，因此是在一定角度上开发的。

因此，所有应变场分析都是在略微角载荷条件下考虑的。由此产生的应变场显示了印刷几何形状对样品内应变发展的影响。

零件上的轴向应变是在3D打印结构的周围面上形成的，这与图像分割研究中看到的横截面积的整体减少有关。该应变的发展似乎在0.75-0.78毫米内形成，这与壳厚打印参数有关

纵向应变被证明在大部分材料中沿着内部光栅独特地发展。

沿光栅而不是壳体的应变发展是由于光栅的角度。观察到该应变仅在+45°光栅上发展，而不在−45°光栅上发展，这与称重传感器在+45°光栅方向上偏斜的力有关。

此外，与光栅相比，由于壳的对齐，样品内产生的纵向应变远小于轴向应变。

与载荷方向直接对齐的样本壳将承受比光栅高得多的力。DVC捕获内部应变行为的能力为更好地了解3D打印复合材料的变形行为提供了必要的第一步。

未来关于不同打印参数和负载的影响的工作对于使用DVC测量方法全面了解这些材料的机械行为至关重要。

此外，这些结果可以帮助建立更复杂的FFF材料FEA模型，并使FFF部件在工业应用中充分发挥潜力。