基于計算機斷層掃描表征3D打印砂模

供稿人:李成偉、張航

在傳統(tǒng)的鑄造行業(yè)中，模具的設(shè)計和制造會花費大量的時間，增加研發(fā)周期和生產(chǎn)成本。而使用增材制造技術(shù)可以通過計算機輔助設(shè)計模型直接成形復雜形狀的砂型，對鑄造業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響。但在測量3D打印砂模的滲透率、密度、強度等參數(shù)時，常常需要制作不同位置砂模的試樣，同時由于3D打印砂模在打印速度、XYZ三個方向的分辨率、工件盒中的位置等參數(shù)下表現(xiàn)出各向異性的特性，制作出來的試樣不能代表砂模各個方位的參數(shù)，存在一定的誤差，從而制約著鑄件成品率的提高。

英國南安普頓大學工程與環(huán)境學院的Tharmalingam Sivarupan等人提出了一種使用微焦點X射線計算機斷層掃描表征3D打印砂模的技術(shù)。該技術(shù)工作原理為：使用XT H225 L微焦點X-CT系統(tǒng)（英國尼康計量公司）在樣本360°旋轉(zhuǎn)過程獲取3142個X-CT圖像，再利用計算機重構(gòu)出被測樣品的3D結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)X-CT圖像和算法劃分網(wǎng)格求解每個成像樣品的X、Y和Z方向的參數(shù)。

圖1 基于計算機斷層掃描表征3D打印砂模的過程(A)CT掃描圖 (B) 計算機重構(gòu)出被測樣品的3D結(jié)構(gòu)模型

為了驗證計算結(jié)果的正確性,設(shè)計如圖所示的工具箱，每個工位箱體中有16個3方向圓柱試樣測試其滲透性，選取Z4，Z6和Z9三個位置的試樣，使用微焦點XCT系統(tǒng)掃描在兩個速度下獲得的3D打印樣品，計算出他們在三個方向上的滲透率并與測試結(jié)果相比較。

圖2 工作箱配置的頂視圖

圖3模擬結(jié)果圖(A)試樣尺寸大于700時模擬結(jié)果圖 (B) 不同試樣尺寸的模擬結(jié)果圖

研究人員對比了不同尺寸下樣本的模擬值與測量值，如圖3（A）所示;模擬結(jié)果為試樣尺寸大于700側(cè)長時的平均滲透率值。印刷試樣的位置編號見圖2。模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合。增加樣本量后，滲透率在邊長為700的樣本量之外保持穩(wěn)定，如圖3（B）所示。結(jié)果表明在樣本尺寸大于700時，使用計算機斷層掃描計算出來的滲透率比較準確。

因此可以利用三維X射線斷層圖像在不損壞砂模的前提下獲得最具代表性的滲透率值。這節(jié)省了為傳統(tǒng)測試單獨制作樣本的時間和精力，方便對砂模參數(shù)進行調(diào)整，從而提高鑄件成品率。

參考文獻：
Sivarupan T , El Mansori M , Daly K , et al. Characterisation of 3D printed sand moulds using micro-focus X-ray computed tomography[J]. Rapid Prototyping Journal, 2018.

供稿人:李成偉、張航 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室