DIC技术用于快速成型（3D打印）晶格结构的机械性能分析

一、研究背景

晶格结构凭借轻量化、高比强度、优良韧性及可控吸能等综合力学特性，现已成为航空航天、交通运输、建筑工程、防护装备等领域的热门结构形式。增材制造（3D 打印）依托标准化晶胞单元逐层堆叠，高效制备构型复杂、尺寸多样的晶格构件，可灵活调控结构形式与材料分布，定制出具备目标力学性能的轻量化整体框架。

晶格结构由周期性晶胞交织而成，应力可在杆件与节点间均匀传递，既大幅提升结构承载效率、降低材料消耗，又具备优异的缓冲、吸能与抗冲击能力，是实现装备减重、防护强化的优选结构。但受增材制造工艺限制，成型过程中易出现物料分布不均、层间结合强度不足、冷却收缩形变等缺陷，直接影响晶格构件的成型精度、力学稳定性与服役可靠性。

传统力学检测手段难以捕捉晶格内部复杂的局部变形与应变分布。新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，凭借非接触、全场测量、高分辨率等突出优势，成为该类构件力学性能精细化分析的理想手段。依托DIC技术精准开展晶格结构力学性能测试、剖析变形与失效机理，对结构优化设计、工艺改良及工程落地应用具有重要现实意义。

新拓三维DIC技术用于晶格结构压缩试验

按照内部力学响应特征，晶格构型可分为拉伸主导型与弯曲主导型两大类，工程中常借助麦克斯韦准则完成区分：拉伸主导晶格整体刚度大、极限承载能力强；弯曲主导晶格则形变能力突出，能量吸收效果更佳。目前主流晶格类型包含多种经典构型：

1、立方类晶格：涵盖简单立方（SC）、体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及衍生变体BCCZ、FCCZ，新增竖向杆件的变体结构进一步优化力学表现，同时保留制造便捷、材料利用率高的优势；

2、六边形晶格（HCP）：以平面六边形为基础节点，层状周期性排布，结构稳定性良好。

其中简单立方晶格多作为力学基准模型，也可应用于极低载荷工况。不同构型的晶格力学特性差异显著，需依托精细化测试手段完成性能表征。

二、传统测试方法的局限性

晶格结构由微细杆件、复杂节点构成，受载后会产生全域非均匀变形，局部杆件屈曲、节点应力集中、剪切带萌生与扩展是其主要失效形式。

传统接触式测量手段存在干扰试样形变、数据维度单一、空间分辨率不足等问题，无法适配复杂晶格结构的力学分析需求。数字图像相关（DIC）技术凭借非接触式测量、全场变形表征、高空间分辨率、无力学干扰等优势，成为解析快速成型晶格结构力学行为、揭示变形与失效机理的核心实验方法。

三、基于DIC技术的树脂晶格结构测试方案

某大学科研实验室选用光聚合物树脂作为快速成型原材料，该材料密度低、抗拉性能优异、断裂伸长率大，但其力学性能易受成型工艺、助剂、材料分子取向影响，力学测试与分析难度较高。试验采用新拓三维 XTDIC 三维全场应变测量系统，对树脂基快速成型晶格试样开展准静态压缩试验，完整表征结构受载下的位移、应变演化规律。

1、试样预处理

为保障DIC图像匹配精度，在晶格试样表面制备标准散斑图案。针对微细晶胞杆件与微小节点，采用喷枪喷涂工艺制作微米级精细散斑，保证散斑尺寸、对比度满足高分辨率图像采集要求，为后续全场数据计算奠定基础。

2、DIC 系统硬件配置

试验搭载DIC高分辨率相机，从试样两侧同步采集图像，构建三维测量视野。通过精准捕捉晶格压缩过程中的空间位移、扭转变形、剪切带演化等复杂运动学特征，全面覆盖结构全域变形区域。DIC测量系统可根据试样尺寸、测试场景灵活调整视场，确保复杂形变下各区域位移、应变数据精准输出。

3、测试流程

将晶格试样安装于万能材料试验机工装内，同步联动DIC测量系统与力学试验机：试验机持续施加压缩载荷并实时输出载荷数值，DIC系统连续采集试样形变序列图像；试验结束后，依托配套软件对图像进行数字相关运算，解算得到全场位移云图、应变云图，结合载荷数据绘制应力-应变曲线、力-应变曲线，完成力学行为综合分析。

新拓三维DIC测量系统采集晶格压缩图像

四、试验结果与数据分析

在压缩载荷作用下，树脂晶格试样沿加载轴向被逐步压实，同时产生明显的横向膨胀，结构整体呈现典型塑性变形特征。结合DIC解算得到的Y向位移云图、Z向位移云图、最大主应变云图及三维应变云图，可清晰梳理结构变形与失效规律：

1、位移分布特征：晶格整体形变呈现对称分布规律，不同区域位移量差异显著，直观反映出载荷在晶胞杆件间的传递路径；

Y方向位移云图& Z方向位移云图

2、应变分布与失效机理：压缩过程中，晶格中心斜撑杆件率先出现应变集中现象，多个节点区域形成高应变区，也是结构失效的主要起始位置。随着载荷持续增大，高应变区域逐步扩展，杆件屈曲、局部剪切带不断萌生并蔓延，最终导致整体结构失效；

最大主应变云图&最大主应变3D云图

3、力学曲线分析：通过DIC全场数据与试验机载荷数据耦合，得到工程应力-应变曲线、力-应变曲线。曲线完整呈现了树脂晶格从弹性形变、塑性形变到极限破坏的全过程，量化表征结构整体刚度、承载极限与能量吸收能力。

应变-力曲线&线应变示意图

同时，本次试验将DIC实测变形场、应变场数据与有限元数值模拟结果进行对标验证。以实验数据为基准校核数值模型参数，有效缩小仿真与实际试验的偏差，提升有限元模型的计算精度与工程适用性。

五、研究结论与应用价值

1、DIC三维全场应变测量技术突破了传统接触式测试的局限，可无损、精准地表征快速成型树脂晶格结构在压缩载荷下的非均匀变形、应变集中、杆件屈曲、剪切带扩展等全过程，清晰定位失效起源区域，深度解析晶格结构的变形机理与失效模式。

2、基于DIC试验获取的全域力学数据，不仅能够量化评价不同晶格构型的承载能力、吸能特性，还可反向优化有限元仿真模型，为晶格结构拓扑优化、晶胞尺寸设计、增材制造工艺改进提供可靠的实验依据。

3、快速成型晶格结构结合了轻量化与高性能优势，在航空、汽车、建筑、防护等轻量化需求领域应用前景广阔。新拓三维DIC技术的落地应用，为各类增材制造晶格构件的力学性能检测、结构可靠性评估搭建了高效的测试体系，能够有效推动轻量化晶格结构从设计、制造到工程应用的全流程发展。