北京理工大学:CTスキャンに基づくSLM三次元凹面格子構造の機械的特性の特性評価

北京理工大学:CTスキャンに基づくSLM三次元凹面格子構造の機械的特性の特性評価
寄稿者: 張亜源、田暁勇

負のポアソン比材料として、金属の3次元凹格子構造は優れた応用展望を持っています。しかし、積層造形技術によって製造された3次元凹格子は、多くのミクロおよびマクロスケールの欠陥をもたらすことが多いため、構造性能への影響を評価する必要があります。最近、北京理工大学のFang Daining氏の研究チームはCTスキャン技術を使用して、この構造の欠陥の損傷分析と破損の進行状況を調べました。選択的レーザー溶融(SLM)によって負のポアソン比を持つ3次元凹面格子構造を作製し、X線コンピュータ断層撮影(CT)を使用して欠陥の形態、位置、分布を取得し、準静的圧縮試験下での弾性応答、損傷形成、破損の進展における欠陥の役割を研究しました。

この研究は主に3つのプロセスに分かれています。まず、主に剛性、ポアソン比、強度を含む3次元凹面格子構造の機械的特性を予測するための理論モデルを確立し、SLMプロセスを使用して図1に示す方向に沿ってサンプルを印刷します。使用される材料は、粒子サイズ範囲が18〜58μmのAl-Si10-Mg粉末です。


図 1. 凹面格子の構築方向: (a) CAD モデル (b) 3 つの座標平面の断層画像 (c) SLM 印刷サンプル構造 (d) x2-x3 平面の断層画像。
次に、実際の条件下での3次元凹面格子構造の準静的圧縮実験を実施し、サンプルのさまざまな負荷段階でCTスキャン技術を使用してサンプルをスキャンして再構成し、画像処理技術を使用して3次元可視化を実行して、SLMプロセスによって発生するさまざまな欠陥の形態、分布などの情報をキャプチャし、実際の欠陥を含む3次元CT再構成モデ​​ルを確立しました。


図2. 凹面格子の原位置圧縮試験:(a)力-変位曲線、(b)圧縮試験の模式図、(c)(a)の8つの荷重点に対応する、さまざまな荷重段階での3次元再構成モデ​​ルの正面図。最後に、実際の欠陥を持つ確立された再構成3次元凹面格子モデルと理論モデルに対して有限要素シミュレーション解析を実行し、特定の一軸圧縮荷重と周期境界条件を適用して、得られた構造を比較および解析しました。


図 3. 実験結果の比較: (a) CAD モデル シミュレーション、CT スキャン再構成モデ​​ルの有限要素シミュレーション、および圧縮テストによって得られた荷重 - 変位曲線。(b) CAD モデルと CT スキャン再構成モデ​​ルの全体的な数値シミュレーション結果。この研究では、凹面格子の破損は、そのトポロジー構造だけでなく、SLM プロセスによって導入された幾何学的欠陥と表面品質によっても影響を受けることが示されています。トモグラフィー画像から抽出された幾何学的欠陥を有限要素モデルに導入して欠陥有限要素モデルを取得し、対応する圧縮試験の数値シミュレーションを実行し、弾性率、強度、破壊メカニズムを分析して、欠陥が凹面格子の機械的特性に与える影響を明らかにします。

参考文献:
Luchao Geng、Wenwang Wu、Lijuan Sun、Daining Fang。選択的レーザー溶融法で作製した3Dリエントラント格子のその場CT検査と形状再構成に基づく損傷特性評価とシミュレーション。International Journal of Mechanical Sciences 157–158 (2019) 231–242。

寄稿者: 張亜源、田暁勇 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

北京理工大学医学部

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