清華大學增材頂刊：基于DIC的電弧增材制造構件全場變形原位測量技術
時間：2023-07-18 16:24 來源：材料科學與工程 作者：admin 閱讀：次
電弧定向能量沉積（Arc-based Directed Energy Deposition）技術，又稱電弧增材制造（Wire + arc
additive manufacturing,
WAAM），具有沉積效率高、制造成本低、制造周期短及材料利用率高等諸多優勢，特別適合大尺寸構件快速成型以及修復再制造，在航空航天、軌道交通、核電等領域具有廣泛應用前景。
變形測量和控制是金屬增材制造中最重要的問題之一。金屬增材制造在高溫梯度和大約束條件下發生沉積和凝固，并伴隨著復雜的冶金現象和應力演化。應力超過材料屈服強度可能導致構件變形，超過強度極限導致裂紋缺陷甚至斷裂。而由于WAAM熱輸入大，變形和開裂問題更為突出。因此，有必要對WAAM過程中的變形進行監測。
增材制造變形的研究主要通過數值模擬和實驗方法。數值模擬主要通過宏觀尺度（＞10-3 m）下的順序耦合熱彈塑性有限元計算來實現，然而數值模擬和實驗測量之間的一致性存在一定誤差。實驗測量，包括坐標測量和位移傳感器。坐標測量（如激光3D掃描）主要用于測量沉積后的零件變形，不能實時測量。而位移傳感器（激光位移傳感器或DVRT傳感器）僅能記錄某一點或幾個點的變形信息，在全場變形測量方面存在一定局限性。數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）是一種基于光學的測量技術，其基本原理是跟蹤變形前后圖像中相同子區特征點的位移，從而得到全場變形。
近日，清華大學機械系趙玥副研究員團隊采用DIC技術實現了電弧增材制造構件全場變形的原位測量。團隊自主設計并搭建了WAAM和三維DIC測量系統，研究了DIC系統測量精度、弧光干擾及屏蔽技術、散斑質量對測量精度的影響，并通過DIC測量與數值模擬方法研究了單臂墻及圓筒型WAAM構件的變形演變規律。相關研究成果以“In situ measurement of full-field deformation for arc-based directed energy deposition via digital image correlation technology”為題，發表于國際增材制造領域頂級期刊《Additive Manufacturing》。論文第一作者為清華大學博士后王強（現為上海交通大學助理研究員），通訊作者為清華大學趙玥副研究員。本研究獲得國家自然科學基金支持，未來團隊將持續開展DIC應力變形測量技術研究，力爭實現電弧增材制造過程構件變形的實時全場測量及在線調控。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103635
DIC測量系統具有較高的精度，測量誤差可控制在微米級，2D-DIC系統靜態誤差為±4μm，3D-DIC系統靜態誤差為±6μm。在10mm變形范圍內，系統測量誤差為0.012mm，0.12%。同時采用2D-DIC與3D-DIC測量相同構件增材過程變形，測量結果保持一致。
WAAM過程中強烈的弧光會嚴重影響DIC圖像質量，電弧覆蓋區域圖像曝光嚴重，無法拍攝到散斑，必須采取弧光屏蔽措施。為此設計了平面型弧光擋板及L型弧光擋板。由于擋板不能緊密貼合增材構件，擋板底部仍會泄漏弧光。改為L型擋板并添加石棉布，使擋板與增材構件軟接觸，能夠有效屏蔽弧光，得到高質量DIC圖像。
DIC散斑作為記錄變形信息的載體，通常有自然散斑和人工散斑兩種形式，在2D-DIC應用中，上述兩種散斑形式均可得到高質量圖像用于DIC變形計算。但在3D-DIC應用中，僅可采用人工散斑。原因是采用構件表面自然紋理作為散斑，當不同角度拍攝照片時，相同位置的反光角度不同，造成圖像灰度差異，從而導致相關關系計算失效。
分別通過DIC、激光3D掃描、數值模擬方式獲取WAAM圓筒構件外表面輪廓，外輪廓直徑沿高度方向的變化趨勢保持一直。DIC測量構件上特征點的位移變化與數值模擬變形演變規律相近。DIC技術是WAAM構件全場變形原位測量的有效途徑，實現DIC在線實時變形測量與控制對金屬增材制造成形控制具有重要意義。
研究結果表明：DIC技術可實現電弧增材制造構件全場變形原位測量，且具有較高的測量精度。對于2D-DIC系統，自然散斑和人工散斑均可用于高精度測量；但是對于3D-DIC，必須采用人工散斑。WAAM過程中強烈的弧光會影響DIC圖像質量，必須采取有效的屏蔽措施。使用DIC技術測量的WAAM構件變形與數值模擬、三維激光掃描測量結果具有高度一致性。通過DIC技術，有望實現電弧增材制造過程全場變形的實時測量及調控。
變形測量和控制是金屬增材制造中最重要的問題之一。金屬增材制造在高溫梯度和大約束條件下發生沉積和凝固，并伴隨著復雜的冶金現象和應力演化。應力超過材料屈服強度可能導致構件變形，超過強度極限導致裂紋缺陷甚至斷裂。而由于WAAM熱輸入大，變形和開裂問題更為突出。因此，有必要對WAAM過程中的變形進行監測。
增材制造變形的研究主要通過數值模擬和實驗方法。數值模擬主要通過宏觀尺度（＞10-3 m）下的順序耦合熱彈塑性有限元計算來實現，然而數值模擬和實驗測量之間的一致性存在一定誤差。實驗測量，包括坐標測量和位移傳感器。坐標測量（如激光3D掃描）主要用于測量沉積后的零件變形，不能實時測量。而位移傳感器（激光位移傳感器或DVRT傳感器）僅能記錄某一點或幾個點的變形信息，在全場變形測量方面存在一定局限性。數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）是一種基于光學的測量技術，其基本原理是跟蹤變形前后圖像中相同子區特征點的位移，從而得到全場變形。
近日，清華大學機械系趙玥副研究員團隊采用DIC技術實現了電弧增材制造構件全場變形的原位測量。團隊自主設計并搭建了WAAM和三維DIC測量系統，研究了DIC系統測量精度、弧光干擾及屏蔽技術、散斑質量對測量精度的影響，并通過DIC測量與數值模擬方法研究了單臂墻及圓筒型WAAM構件的變形演變規律。相關研究成果以“In situ measurement of full-field deformation for arc-based directed energy deposition via digital image correlation technology”為題，發表于國際增材制造領域頂級期刊《Additive Manufacturing》。論文第一作者為清華大學博士后王強（現為上海交通大學助理研究員），通訊作者為清華大學趙玥副研究員。本研究獲得國家自然科學基金支持，未來團隊將持續開展DIC應力變形測量技術研究，力爭實現電弧增材制造過程構件變形的實時全場測量及在線調控。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103635
DIC測量系統具有較高的精度，測量誤差可控制在微米級，2D-DIC系統靜態誤差為±4μm，3D-DIC系統靜態誤差為±6μm。在10mm變形范圍內，系統測量誤差為0.012mm，0.12%。同時采用2D-DIC與3D-DIC測量相同構件增材過程變形，測量結果保持一致。
圖1 DIC系統測量誤差評估：（a）測試平臺；（b）圖像質量；（c）位移測量分量。
圖2 2D-DIC與3D-DIC測量結果對比：（a）試驗平臺；（b）特征點；（c）縱向位移對比；（d）垂向位移對比。
WAAM過程中強烈的弧光會嚴重影響DIC圖像質量，電弧覆蓋區域圖像曝光嚴重，無法拍攝到散斑，必須采取弧光屏蔽措施。為此設計了平面型弧光擋板及L型弧光擋板。由于擋板不能緊密貼合增材構件，擋板底部仍會泄漏弧光。改為L型擋板并添加石棉布，使擋板與增材構件軟接觸，能夠有效屏蔽弧光，得到高質量DIC圖像。
圖3 弧光影響及屏蔽措施：（a）無弧光；（b）有弧光無屏蔽；（c）有弧光，平板屏蔽；（d）有弧光，L型擋板屏蔽；（e）平板屏蔽裝置；（f）L型擋板屏蔽裝置。
DIC散斑作為記錄變形信息的載體，通常有自然散斑和人工散斑兩種形式，在2D-DIC應用中，上述兩種散斑形式均可得到高質量圖像用于DIC變形計算。但在3D-DIC應用中，僅可采用人工散斑。原因是采用構件表面自然紋理作為散斑，當不同角度拍攝照片時，相同位置的反光角度不同，造成圖像灰度差異，從而導致相關關系計算失效。
圖4 自然散斑與人工散斑對比：（a）無電弧，自然散斑；（b）有點糊，自然散斑；（c）無電弧，人工散斑；（d）有電弧，人工散斑。
圖5 基于2D-DIC系統同時測量自然散斑與人工散斑試樣變形：（a）實驗裝置；（b）特征點位置；（c）縱向位移對比；（d）垂向位移對比。
分別通過DIC、激光3D掃描、數值模擬方式獲取WAAM圓筒構件外表面輪廓，外輪廓直徑沿高度方向的變化趨勢保持一直。DIC測量構件上特征點的位移變化與數值模擬變形演變規律相近。DIC技術是WAAM構件全場變形原位測量的有效途徑，實現DIC在線實時變形測量與控制對金屬增材制造成形控制具有重要意義。
圖6 WAAM圓筒構件變形結果及變形演變結果：（a）DIC全場變形；（b）激光3D掃描；（c）數值模擬；（d）外輪廓直徑沿高度變化規律；（e）DIC測量特征點位移演變；（f）數值模擬變形演變。
研究結果表明：DIC技術可實現電弧增材制造構件全場變形原位測量，且具有較高的測量精度。對于2D-DIC系統，自然散斑和人工散斑均可用于高精度測量；但是對于3D-DIC，必須采用人工散斑。WAAM過程中強烈的弧光會影響DIC圖像質量，必須采取有效的屏蔽措施。使用DIC技術測量的WAAM構件變形與數值模擬、三維激光掃描測量結果具有高度一致性。通過DIC技術，有望實現電弧增材制造過程全場變形的實時測量及調控。
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