高能CT掃描在增材制造中的應(yīng)用

來源： 洞察金屬增材制造

除了增材制造過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測,，無損測試是檢測和把控產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要的手段,。增材制造零部件往往具有復(fù)雜的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)以及一體化制造帶來的大尺寸,，超出了絕大多數(shù)常用檢測手段的能力范圍。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）可以克服這些困難,，提供一套可行的解決方案,。CT是一種通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸拍攝物體的眾多二維X射線圖像，然后使用算法和軟件將這些二維"切片"重組成三維圖像的方法,。本文主要介紹CT在增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用,，局限性和降低檢測成本的可能方案。

在增材部件上的應(yīng)用
CT掃描所得的重建圖像顯示的是材料和缺陷在三維空間上的分布,。這些結(jié)果不僅可以被用來計(jì)算打印件的尺寸精度,，缺陷的大小和分布，致密度,，壁厚和表面粗糙度,，還可以顯示結(jié)構(gòu)內(nèi)部是否有夾雜等。所得的計(jì)量結(jié)果即可以是質(zhì)量檢測的一部分,，也可以作為打印過程模擬和工藝參數(shù)優(yōu)化的依據(jù),。最終目標(biāo)是確保制造出來的實(shí)際零件和CAD模型盡可能地接近，以便后續(xù)的表面處理和裝配,。缺陷的數(shù)量,，大小和形狀等結(jié)果可以結(jié)合有限元分析來模擬零件在載荷作用下應(yīng)力的分布情況，評估結(jié)構(gòu)件在服役中的完整性,。

CT的局限性
盡管CT無損檢測已經(jīng)被以航空航天為代表的企業(yè)用于關(guān)鍵增材制造零件的檢測工作,，但是該技術(shù)也存在一些局限性,，譬如檢測費(fèi)用仍然偏高。究其原因,，主要是因?yàn)閱蝹�(gè)零件的掃描時(shí)間長,，高質(zhì)量的重建和復(fù)雜的圖像后處理分析耗時(shí)長。減少2D投影圖數(shù)量或者縮短每個(gè)投影圖的收集時(shí)間可以加快掃描是常見的解決思路,。由于增材制造金屬部件復(fù)雜的幾何形狀和低曝光時(shí)間造成的光子饑餓效應(yīng)會降低圖像的質(zhì)量,。通常，金屬的密度高,，容易引起射束硬化（BH）效應(yīng),，導(dǎo)致偽影的出現(xiàn)，從而影響孔洞和缺陷的檢測,。

提高檢測效率
CT掃描的整個(gè)過程分為拍攝和圖像處理兩步,，因此可以對每一步分別進(jìn)行升級和優(yōu)化，從而提高檢測的效率,。

從拍攝角度來看,，越高的管電壓會產(chǎn)生更高的射線能量,，可以穿透更厚的金屬部件,；同時(shí)，可以增加探測器接收到的信號,，從而提高信噪比,，圖像的對比度，消除射束硬化引起的偽影,。當(dāng)穿透射線強(qiáng)度過高時(shí),，信號對比度會下降，信噪比也隨之降低,。常見的工業(yè)CT設(shè)備所使用的管電壓在50kV到600kV之間,。少數(shù)一些高X射線能量設(shè)備的電壓可高達(dá)6MeV和9MeV。雖然高的管電壓可以提供更高的穿透力,，但也會降低圖像的空間分辨率,。

提高管電流來增加X射線通量也可以縮短檢測曝光時(shí)間，提高檢測效率,。市面上,，高通量源的管電流約為30-50毫安。主要挑戰(zhàn)來自于陽極無法直接承受高熱流密度的熱量,，從而導(dǎo)致陽極出現(xiàn)融蝕現(xiàn)象,。

此外，還可以通過采用螺旋掃描,，與平面探測器相結(jié)合來加快拍攝,。

不同管電壓下所得的CT圖像,，圖源：NSI公司

從圖像處理的角度來看，可以通過提高CT圖像的識別能力和量化分析精度,，避免偽影的出現(xiàn)來提高檢測速率,。常見的校正方法主要有迭代重建法、雙能量法,、多項(xiàng)式擬合法以及基于權(quán)函數(shù)的新型校正法,。

來自橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)[2]開發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)（DL）的監(jiān)測方法，利用打印部件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 模型以及基于物理的信息,，對金屬增材部件進(jìn)行CT重建,，以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。新設(shè)計(jì)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）用于圖像重建,，可以將每個(gè)測試樣品的投影圖減少到原來的三分之一,，即降低采樣幅數(shù)。所得的重構(gòu)結(jié)果卻擁有更好的對比度以及更少的偽影,。對于50微米以上的缺陷的檢測率為78%,，而對于90微米以上的缺陷則能達(dá)到100%的檢出率。這遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)FDK CT重構(gòu)的精度,，分別是,，18%（大于50微米的缺陷），70%（大于90微米）和100%（170微米）,。

高能CT的現(xiàn)狀
高能CT設(shè)備能穿透更厚的部件,，但其分辨率會受到限制。
一臺6MeV的設(shè)備能探測到的最小缺陷約為250-350微米,；
在保證良好的圖像質(zhì)量,、對比襯度等要求下，對于像鐵,、不銹鋼等類似密度的材料,，可穿透后大約在20到25厘米之間；
一些高能工業(yè)CT機(jī)能測量高度達(dá)4米,，直徑達(dá)1米的大型部件,。
部件的大小可以高達(dá)4米，直徑達(dá)1米,。

總結(jié)
在決定參數(shù)如管電壓,，電流、焦點(diǎn)尺寸時(shí),，需要綜合考慮圖像的對比度,，分辨率和測試時(shí)長。


參考資料：
[1] https://www.aerospacetestinginte ... at-florida-lab.html
[2] https://doi.org/10.1038/s41524-023-01032-5