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€零件的掃描時間長，高質(zhì)量的重建和復(fù)雜的圖像后處理分析耗時長。減少2D投影圖數(shù)量或者縮短每個投影圖的收集時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，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，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，需要綜合考慮圖像的對比度，分辨率和測試時長。


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