高能CT掃描在增材制造中的應用

來源： 洞察金屬增材制造

除了增材制造過程中的實時監(jiān)測，無損測試是檢測和把控產品質量至關重要的手段。增材制造零部件往往具有復雜的內部幾何結構以及一體化制造帶來的大尺寸，超出了絕大多數常用檢測手段的能力范圍。計算機斷層掃描（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在增材制造領域的應用，局限性和降低檢測成本的可能方案。

在增材部件上的應用
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。這些結果不僅可以被用來計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，還可以顯示結構內部是否有夾雜等。所得的計量結果即可以是質量檢測的一部分，也可以作為打印過程模擬和工藝參數優(yōu)化的依據。最終目標是確保制造出來的實際零件和CAD模型盡可能地接近，以便后續(xù)的表面處理和裝配。缺陷的數量，大小和形狀等結果可以結合有限元分析來模擬零件在載荷作用下應力的分布情況，評估結構件在服役中的完整性。

CT的局限性
盡管CT無損檢測已經被以航空航天為代表的企業(yè)用于關鍵增材制造零件的檢測工作，但是該技術也存在一些局限性，譬如檢測費用仍然偏高。究其原因，主要是因為單個零件的掃描時間長，高質量的重建和復雜的圖像后處理分析耗時長。減少2D投影圖數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雜的幾何形狀和低曝光時間造成的光子饑餓效應會降低圖像的質量。通常，金屬的密度高，容易引起射束硬化（BH）效應，導致偽影的出現(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。當穿透射線強度過高時，信號對比度會下降，信噪比也隨之降低。常見的工業(yè)CT設備所使用的管電壓在50kV到600kV之間。少數一些高X射線能量設備的電壓可高達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、多項式擬合法以及基于權函數的新型校正法。

來自橡樹嶺國家實驗室的科研團隊[2]開發(fā)了一種基于深度學習（DL）的監(jiān)測方法，利用打印部件的計算機輔助設計 (CAD) 模型以及基于物理的信息，對金屬增材部件進行CT重建，以應對這些挑戰(zhàn)。新設計的卷積神經網絡（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。所得的重構結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到100%的檢出率。這遠高于標準FDK CT重構的精度，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設備能穿透更厚的部件，但其分辨率會受到限制。
一臺6MeV的設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機能測量高度達4米，直徑達1米的大型部件。
部件的大小可以高達4米，直徑達1米。

總結
在決定參數如管電壓，電流、焦點尺寸時，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