基于数字体相关的3D打印纤维增强复合材料全三维变形测量

Mechanical properties of structures made by 3D printing differ a lot from those made by routine process because 3D printing structure is obviously anisotropic. Industrial CT and Digital Volume Correlation (DVC) techniques are deployed in this research to obtain the full 3D deformation information of 3D printing composite. Mechanical behavior and damage mechanism will be studied based on the deformation information. Testing and evaluation methods for high performance 3D printed fiber reinforced composite materials will be addressed. A noncontact testing platform will be established based on a combination of industrial CT and DVC techniques. New fast iterative algorithm will be employing in DVC software to raise efficiency. Compression and flexural tests will be performed on 3D printing fiber reinforced composite. Testing and evaluation standards established in the research will cover interdisciplinary knowledge of mechanics, materials and physics. The research work will provide support on testing techniques and characterization methods for 3D printing composite used in aerospace industry.

3D打印结构具有内部材质不均匀的特点，其力学性能与常规工艺不同。本项目采用工业CT与数字体相关技术获取3D打印纤维增强复合材料的全三维变形数据，研究其在载荷作用下的内部变形规律及损伤机理，以期发展高性能3D打印纤维复合材料测试技术与评价方法。项目将建立基于工业CT技术的数字体相关技术相结合的材料内部变形全场非接触测试平台，提出基于快速迭代的数字体相关计算方法，应用于3D打印纤维复合材料压缩、弯曲等试验，形成表征方法，测试和评价技术，交叉融合力学、材料学和物理学等学科。以上述实验技术为基础，为3D打印纤维复合材料在航空航天等高端工程领域的应用提供基础的实验技术和表征方法。

3D打印在工业领域获得越来越广泛的应用。由于3D打印结构具有各向异性、内部非均匀及存在孔隙缺陷等特点，研究其力学性能及失效机理，急需发展三维全场变形测量技术。. 1.基于工业CT设备，研制了与之相匹配的压缩、拉伸和扭转等三套小型加载装置，并结合DVC软件，建立了基于CT和DVC方法的试验装置。具备原位加载、三维成像和数字体相关分析能力，最高成像分辨率可达10微米，可对多种外形尺寸及不同类型材料的试样进行测试。. 2.通过拉伸试验和模拟扭转试验验证了材料内部变形测量系统的可行性。采用3D打印方法制作了内部具有随机分布孔隙的铝合金材料试样，完成了试样的原位拉伸成像试验，获取了三维位移场和应变场，计算出的材料性能数据准确。对测试过程中出现的弹性模量下降、拉伸偏心等问题进行了定量分析并给出合理解释。. 3.实现了对具有应力梯度的结构和3D打印复合材料的内部变形测量。完成了具有应力集中的3D打印铝合金试样的原位拉伸成像试验、受到压力和弯矩共同作用的灯笼形3D打印铝合金试样及3D打印短切玻璃纤维增强尼龙基复合材料试样的原位压缩成像试验，进一步验证了DVC方法对复杂变形场的测量能力。