让3D打印"看见力"：DIC技术用于增材制造金属结构件全场变形分析

在航空航天与高端装备制造领域，3D打印金属结构件的力学性能直接关系到整体可靠性。然而，3D打印金属件的力学性能（尤其是局部变形与焊接区可靠性）受工艺参数、微观结构及几何特征影响显著，传统测量方法难以实现全场、非接触式高精度变形监测。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC），作为一种基于图像匹配的非接触式光学测量技术，可实时获取物体表面的全场位移与应变分布，为3D打印-焊接复合工艺的力学行为提供定量评价依据。

本实验以T型焊接结构3D打印金属件为对象，结合阶梯式递进加载与新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，DIC技术分析上端柱体与横梁的纵向位移特性，以及焊接连接处位移场演化规律，分析T型结构与T型+镂空结构的变形差异，为3D打印金属结构的设计与可靠性验证提供数据依据。

实验方案设计

1、试样制备

选取两种典型3D打印T型金属件作为研究对象：

1号样品：T型金属结构件，由上端方柱与水平横梁垂直焊接而成，整体尺寸符合ASTM E8/E8M标准拉伸/压缩试样要求。

2号样品：T型+镂空结构（同材质与工艺），在横梁中部区域设计菱形镂空，旨在降低重量并诱导应力集中，模拟实际工程中轻量化结构的力学响应。

试样表面经喷砂处理后喷涂均匀散斑（黑白哑光漆），确保DIC匹配精度。

2、加载与DIC测量系统

加载设备：采用万能试验机，设置阶梯式递进加载模式，加载速度恒定为0.1mm/min，模拟准静态受压工况。

DIC测量系统：使用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，配置2台高速工业相机（1200万分辨率，帧率25fps），通过外触发同步控制，采集频率设为0.2Hz（即每5s采集1帧图像），确保变形过程中关键阶段的完整记录。

DIC测量区域

重点关注区：柱体-横梁焊接连接处（易应力集中）。

DIC测量分析内容

全场位移分析：提取上端柱体与横梁的X（水平）、Y（竖直）、Z（横向）方向位移云图，绘制关键测点（柱体顶端中心A、横梁中点B、焊接处边缘C/D等）的位移-时间曲线。

应变分析：计算最大主应变云图，分析焊接区域与非焊接区域的应变集中特征，绘制关键测点的应变-时间曲线。

DIC测量结果与分析

1号样品-T型金属结构件：

T型结构件变形分析

焊缝承受双向剪切，为主应变集中重点区域。

焊接区点位应变速率突变，是失效预警信号

红色高危带-金属结构件焊缝区域

焊缝柱体根部-应变梯度→打印层间弱区

X方向位移云图和点位移曲线

Y方向位移云图和点位移曲线

Z方向位移云图和点位移曲线

最大主应变云图和点应变曲线

2号样品-T型+镂空结构

T型结构件变形分析

柱体变形：以轴向压缩为主，应变分布均匀，符合理论预期；

焊接区响应：承受弯-剪复合载荷，导致多向位移跃变与应变集中；

横梁行为：载荷传递引发弯曲+局部屈曲，末端因约束释放产生回弹。

X方向位移云图和点位移曲线

Y方向位移云图和点位移曲线

Z方向位移云图和点位移曲线

结构横向和纵向两端线应变

结论与应用价值

通过新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，实现了3D打印金属T型结构受压变形的全场、多方向高精度测量，得出以下结论：

常规T型结构：柱体为主要承力单元，焊接区域变形连续，应变分布均匀，满足结构可靠性要求。

T型+镂空结构：镂空显著降低横梁刚度，导致局部位移与应变集中（峰值位移/应变增加），焊接区域出现应变不均匀性，需针对性优化镂空几何与焊接工艺。

DIC技术在3D打印金属结构件复杂力学行为分析中，具有全场测量分析优势，为轻量化结构设计、工艺参数优化及焊接结构性能评估提供了关键实验数据支撑，可指导焊接工艺优化与镂空参数修正，尤其适用于复杂金属构件的无损检测与可靠性验证需求。