3D打印金屬產(chǎn)品的檢測與質(zhì)量控制：Micro CT

文/造物三維
Micro CT檢測（X射線CT）是3D打印金屬產(chǎn)品檢測方法之一,，其他方法包括渦流檢測、超聲檢測,、白光干涉檢測,、非相關(guān)光學檢測。然而,，考慮到各種技術(shù)的最新進展,，Micro CT在復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形狀產(chǎn)品的無損檢測方面最有潛力。下文關(guān)于Micro CT能力的描述,。

Micro CT（X射線CT）是唯一能有效實現(xiàn)零件內(nèi)部體缺陷和復(fù)雜幾何形狀無損測量的方法,。渦流檢測只能檢測零件近表面區(qū)域的缺陷。超聲檢測適用于靠近表面的簡單幾何,，能測量到的內(nèi)部區(qū)域比較有限,。光學及干涉技術(shù)只能檢測零件的表面的特征。盡管干涉技術(shù)的分辨率更高（高達幾個納米）,，但Micro CT能一次掃描到零件的內(nèi)外表面,，其分辨率可達到微米水平，有些時候甚至能達到微米水平以下（幾百個納米的量級）,。

圖2 CT掃描可檢測外部與內(nèi)部特征

隨著3D打印對制造業(yè)的影響越來越大,，大家對Micro CT的興趣也與日俱增。咨詢公司稱,，2015年3D打印機（含桌面機和工業(yè)機）的全球花費達110億美元,，預(yù)計2019年將達270億美元。另一家公司Marketsand Markets預(yù)測3D打印的復(fù)合年增長率將達30%,，2022年其市場規(guī)模會達到300億美元,。根據(jù)2016年四月份的研究，PWC（Price Waterhouse Coopers）公司稱3D打印在美國制造業(yè)中進入了新紀元,。與兩年前相比,，更多的制造商（今年52%，2014年38%）認為未來三到五年3D打印將用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中,。

越來越多用戶考慮通過3D打印實現(xiàn)金屬零件的減重,，同時不降低其強度，比如航空產(chǎn)品的減重有助于提高效率,。對于安全性至關(guān)重要的航空,、汽車、能源,、醫(yī)療領(lǐng)域,，有必要確定產(chǎn)品內(nèi)部是否有空隙和夾雜物,、它們的尺寸多大（單個和整體）、它們出現(xiàn)的部位,。此外,，確定產(chǎn)品的尺寸與設(shè)計是否有偏差也非常關(guān)鍵。

對于這類問題,，X射線CT是一個非常強大的工具,。通過提供樣件的全三維密度圖，Micro CT以一種易讀取,、可視化的方式提供了所有相關(guān)信息,。

焊接件需要檢測，3D打印呢,？
對于傳統(tǒng)的焊接工藝,，大家對其產(chǎn)品總會做質(zhì)量檢測。對于金屬3D打印,，其產(chǎn)品本質(zhì)上是個大的焊接件。因此,，如果不對它進行空隙,、夾雜物、精度的檢測,，那是完全不合常理的,。金屬3D打印的物理化學過程是非常復(fù)雜的，會出現(xiàn)多種風險,，如成型倉內(nèi)松散,、融化不完全的粉末，如缺陷的位置和特征隨機分布,。

對于傳統(tǒng)加工工藝,，特定方向的幾張X射線照片就可確定產(chǎn)品情況。然而,，對于以逐層累計為特征的3D打印來說,，整個零件都需要進行檢測。當檢測這些零件的結(jié)構(gòu)完整性時,，以下問題是大家首先關(guān)注的：
1）殘留粉末堵塞通道,；
2）缺陷（空隙和夾雜物）——孔隙、污染,、裂紋,；
3）與CAD模型的尺寸偏差——尺寸分析、壁厚測量,、變形,。

比如,，用SLM工藝加工了一個模具。Micro CT可以確定3D打印出的內(nèi)部流道的形貌,，其精度根據(jù)需要可高達5-10微米,。通過流動和冷卻過程模擬，可以確定其精度足夠滿足需求,。

比如,，用SLM工藝加工了一個模具。Micro CT可以確定3D打印出的內(nèi)部流道的形貌,，其精度根據(jù)需要可高達5-10微米,。通過流動和冷卻過程模擬，可以確定其精度足夠滿足需求,。

CT可掃描的試樣尺寸與材料,、X射線源的能量有關(guān)（通常以kV為單位）。大尺寸,、低能量密度試樣可以被掃描,，小尺寸、高能量密度試樣也可被掃描,。典型最大試樣掃描尺寸包括：
1）225kV——鋁合金活塞頭部,、柴油機噴油嘴；
2）450kV——鋁合金汽缸蓋,、飛機渦輪葉片,。


零件的最大尺寸也受探測器的尺寸限制，也與X射線的穿透能力有關(guān),。它隨著材料的密度和原子序數(shù)的增加而降低,。聚合物材料比鋼更容易被穿過，鋼比鎢更容易被穿過,。

CT掃描案例學習
一項3D打印柔性結(jié)構(gòu)的CT掃描研究顯示了兩種工藝的加工能力,。盡管這項研究針對的是聚合物產(chǎn)品，它的原理和優(yōu)勢對金屬3D打印同樣適用,。第一個柔性試樣用FDM工藝加工,，第二個試樣用SLA工藝打印。通常情況下,，F(xiàn)DM,、SLA工藝的打印分辨率分別為100微米、0.5微米,。


Micro CT掃描顯示了兩個試樣尺寸相對于原始CAD模型的偏差,。有測試結(jié)果可以看出，相對于CAD模型的偏差可高達±0.25mm,，其中試樣1的偏差更大,。相對應(yīng)地,，試樣2與CAD模型的偏差大多在±0.1mm，只是在試樣表面邊緣或尖角處有例外,。除了外部檢測,，試樣1的截面顯示了內(nèi)部殘留變形。相反地,，試樣2的薄壁柔性結(jié)構(gòu)處并沒有出現(xiàn)明顯的變形,。

Micro CT的使用規(guī)則與打破條件
高精度Micro CT技術(shù)在過去的十年內(nèi)不斷發(fā)展，其應(yīng)用遍布到汽車,、航空航天,、能源、醫(yī)療及消費品領(lǐng)域,，適用于金屬,、塑料及其他工件材料。配套的軟件工具使得零件相對于CAD模型的提及分析成為可能,，不管是直接的實體于CAD模型對比,，還是通過幾何尺寸和偏差的側(cè)臉。隨著技術(shù)成本降低到足夠低的水平,，Micro CT相對于其他技術(shù)更有競爭力,，它將被應(yīng)用于更為廣泛的側(cè)臉領(lǐng)域。

更好的理解Micro CT的使用原則不僅有利于降低生產(chǎn)成本,、提高生產(chǎn)效率，理解何時可以打破相關(guān)原則使其應(yīng)用靈活性進一步提升,。Micro CT的正確使用規(guī)則如下：
1）從不同角度透射試樣,；
2）每張投射圖片上盡量減少噪點；
3）使用過濾器來減少光束硬化,；
4）經(jīng)常使用360°旋轉(zhuǎn),；
5）使用探測器的全動態(tài)范圍；
6）保持對象位于視野之內(nèi),。

X射線基礎(chǔ)
X射線位于電磁波譜短波端,，它的平均波長在10-8米到10-12米之間，大致是水分子的尺寸,。Micro CT不采用無線電波源,，而是由類似電燈泡的熱絲材產(chǎn)生電子，并通過高電壓加速,，其速度達到光速的80%,。電子束由磁透鏡聚焦成直徑1-5微米的斑點，并撞擊在金屬靶上,，電子的突然減速會產(chǎn)生超過99%的熱能和低于1%的X射線,。

當電子轟擊靶材,，X射線由兩種原子機制產(chǎn)生：
1）在電子能量足夠高的條件下，可以把金屬原子內(nèi)層軌道電子撞出,，高能級電子向低能級躍遷過程會產(chǎn)生X射線,。這一過程會產(chǎn)生少量不連續(xù)頻率的X射線，有時稱為特征輻射譜線,。

2）韌制輻射：電子靠近高質(zhì)子數(shù)原子的強電磁場發(fā)生散射,，伴隨X射線的產(chǎn)生。這類X射線有連續(xù)光譜,，X射線的強度隨其頻率的降低而增高,。

X射線沿直線穿過被檢測物體，并撞擊到探測器,。物體會吸收部分X射線（密度高的物體吸收更多）,，剩下部分會到達探測器。當X射線能量比較低時（小于60kV）,，沿著X射線運動路徑到探測器間的吸收差異會被檢測出,，并以陰影圖的形式顯示出來。當X射線的能量比較高時（60-225kV）,，吸收和散射都會出現(xiàn),，散射會降低圖片的對比度。當X射線的能量高于225kV時,，散射會被線性探測器檢測出,，盡管圖片的產(chǎn)生效率會降低。能量超過300-400kV時,，散射成為主要的對比機制,。也就是說，X射線被散射的部分多于被吸收的,。

無定形硅平板探測器有一個液晶屏,，它會把X射線能量轉(zhuǎn)換成光線，并在光敏二極管陣列上成像,，電子學使得這個圖片可以被計算機讀取,。這些平板有很大范圍的像素點，其靈敏度達16位（64k灰度水平）,。

探測器的靈敏度與零件尺寸和X射線源有關(guān),。大量典型的高能量X射線源是毫米聚焦的，尺寸在1mm左右,，這限制了圖片相對于探測器的分辨率,。得到高分辨率需要非常小的探測器，幾何放大也不太可能,。微米聚焦意味著X射線源的尺寸只有幾個微米左右,，標準的醫(yī)療探測器就可滿足要求,，并可以使用幾何放大來提高圖片分辨率。

Micro CT概述
將X射線的穿透能力和計算機日益強大的數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合,，計算機斷層掃描（CT）的應(yīng)用成為現(xiàn)實,。基本的裝置包括X射線源,、被測物體,、探測器。對象旋轉(zhuǎn)平臺保證了前文提到的規(guī)則1,、4,、6的實現(xiàn)。

一個試樣產(chǎn)生的照片多達幾千張,。按照一定的算法,，每張二維圖片的二維像素點在三維重構(gòu)時會轉(zhuǎn)換成體素。比如有3000張圖片,，每個三維體素被處理3000次,。最終得到物體的三維體積地圖，每個體素會有自身的位置坐標和密度,。用戶不僅會得到試樣內(nèi)外表面的信息,，產(chǎn)品內(nèi)部密度分布情況也可以得到。另外,，借助軟件觀察產(chǎn)品內(nèi)部截面,，可以獲取更多信息卻不會損壞產(chǎn)品本身。

圖像強度是試樣測量的基礎(chǔ),。在CT中,，我們測量的是X射線的線性衰減，或者單位長度材料吸收的X射線量,。不幸的是，缺陷或者偽影會出現(xiàn)在CT數(shù)據(jù)中,，它們會影響測試結(jié)果,。在片層圖片上，噪點看起來像污點,，但通過加大X射線量可以減弱其影響,。

投影圖上也會有非線性探測器噪點，它們一般位于所有投影圖的相同位置,。成像過程中,，這個噪點會被重建成圓環(huán)，即環(huán)狀偽影,。參照圖上的噪點對偽影響最大,，因為它會被重復(fù)用來校正每張投影圖,，不利影響會被放大。黑色區(qū)域的噪點比白色區(qū)域影響大,，因為黑色區(qū)域信號較弱,，黑色區(qū)域信號-噪點比例也更小。

靠近旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)狀偽影更強烈,，因為這塊區(qū)域像素點更少,。在收集黑白參照圖時，可對多張圖片平均化處理來減弱這一影響,。

光束硬化是試樣對X射線的自我過濾,，此時試樣內(nèi)部的能量更高，穿透能力更強,�,；�于這個原因，X射線在試樣內(nèi)部的線性衰減會低于邊緣處,，會進一步導(dǎo)致光束硬化的加劇,。

對X射線進行預(yù)過濾可以減弱光束硬化，也可在CT軟件中進行一定程度的光束硬化校正,，這對單材料試樣應(yīng)用最佳,。就像規(guī)則5所說，使用探測器的全動態(tài)范圍很重要,，高動態(tài)范圍探測器可幫助檢測微小的信號強度差異,。

條紋狀偽影由光束硬化或者X射線在試樣中穿透能力差引起。穿透力不足可以通過提高X射線強度來解決,，除非你已經(jīng)使用了最大能量強度,。

條紋狀偽影可以通過過濾光束或者使用高動態(tài)范圍探測器來減弱影響。散射輻射可通過調(diào)準X射線束與探測器的位置,，只探測從光源處沿直線傳播到探測器的射線來減弱影響,。

遵守這些規(guī)則會使CT結(jié)果盡可能好，大部分情況下都能很好適用,。然而,，如果你需要定性的信息，或者需要的信息不受偽影影響,，你可以打破這些規(guī)則,。

規(guī)則1：從不同角度透射試樣；規(guī)則6：保持對象位于視野之內(nèi)
如果不在視野范圍內(nèi)的材料比較均勻,、形狀比較規(guī)則,，那將只會在邊緣處有些小的環(huán)，此時內(nèi)部特征很容易被觀察到。這種情況下我們可以放大內(nèi)部觀測區(qū)域,，以獲得更多信息,。如果分析特征靠近試樣中心，或者特征尺寸比單個像素點大很多,，可以降低投影次數(shù)來提高掃描速度,。

規(guī)則2：每張投射圖片上盡量減少噪點
如果時間有限，減少黑白參照圖的噪點會降低整體噪點數(shù)量,，卻不明顯延長整個掃描時間,。

規(guī)則5：使用探測器的全動態(tài)范圍
當檢測密度很低的試樣時，通常會使用非常低強度的X射線來提高對比度,。全動態(tài)意味著曝光時間會很長,，將曝光時間減半只會丟失非常少的信息，卻節(jié)約了大量的時間,。

結(jié)論
Micro CT使用規(guī)則是基于CT重建理論,，遵守這些規(guī)則意味著非常有可能獲得最高質(zhì)量的CT數(shù)據(jù)。但是,，有些時候打破這些規(guī)則會節(jié)省很多時間,，卻又不會明顯犧牲圖片質(zhì)量。

Micro CT現(xiàn)在的掃描速度快了很多,，也更適合于生產(chǎn)線應(yīng)用,。此外，掃描相似零件的裝載和卸載過程可以自動化,，將單個零件的掃描時間降至幾十秒是可能的,。用戶可獲得：
1）更好地觀察金屬3D打印零件的內(nèi)部；
2）對產(chǎn)品原型和生產(chǎn)工藝進行更快優(yōu)化,；
3）質(zhì)量控制——對進出廠的產(chǎn)品更有信心,；
4）通過避免破壞性測試來減少損失。

隨著3D打印繼續(xù)改寫制造業(yè)的游戲規(guī)則,，X射線CT可成為其強大助手,，通過無損檢測來明確產(chǎn)品的幾何偏差和內(nèi)部缺陷。