Micro CT檢測（X射線(xiàn)CT）是3D打印金屬產(chǎn)(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(xué)檢測。然而，考慮到各種技術(shù)(shù)的最新進(jìn)展，Micro CT在復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形狀產(chǎn)(chǎn)品的無(wú)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(xiàn)CT）是唯一能有效實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)部體缺陷和復雜幾何形狀無(wú)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(jiǎn)單幾何，能測量到的內(nèi)部區(qū)域比較有限。光學(xué)及干涉技術(shù)(shù)只能檢測零件的表面的特征。盡管干涉技術(shù)(shù)的分辨率更高（高達幾個(gè)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(shí)候甚至能達到微米水平以下（幾百個(gè)納米的量級）。

圖2 CT掃描可檢測外部與內(nèi)部特征

?

隨著(zhù)3D打印對制造業(yè)(yè)的影響越來(lái)越大，大家對Micro CT的興趣也與日俱增。咨詢(xún)公司稱(chēng)，2015年3D打印機（含桌面機和工業(yè)(yè)機）的全球花費達110億美元，預計2019年將達270億美元。另一家公司Marketsand Markets預測3D打印的復合年增長(cháng)率將達30%，2022年其市場(chǎng)規(guī)模會(huì )達到300億美元。根據(jù)2016年四月份的研究，PWC（Price Waterhouse Coopers）公司稱(chēng)3D打印在美國制造業(yè)(yè)中進(jìn)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(lái)三到五年3D打印將用于大規(guī)模工業(yè)(yè)生產(chǎn)(chǎn)中。

?

越來(lái)越多用戶(hù)考慮通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)金屬零件的減重，同時(shí)不降低其強度，比如航空產(chǎn)(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(chē)、能源、醫(yī)療領(lǐng)域，有必要確定產(chǎn)(chǎn)品內(nèi)部是否有空隙和夾雜物、它們的尺寸多大（單個(gè)和整體）、它們出現(xiàn)的部位。此外，確定產(chǎn)(chǎn)品的尺寸與設計是否有偏差也非常關(guān)鍵。

?

對于這類(lèi)問(wèn)題，X射線(xiàn)CT是一個(gè)非常強大的工具。通過(guò)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)(chǎn)品總會(huì )做質(zhì)(zhì)量檢測。對于金屬3D打印，其產(chǎn)(chǎn)品本質(zhì)(zhì)上是個(gè)大的焊接件。因此，如果不對它進(jìn)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(xué)過(guò)程是非常復雜的，會(huì )出現(xiàn)多種風(fēng)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(xiàn)照片就可確定產(chǎn)(chǎn)品情況。然而，對于以逐層累計為特征的3D打印來(lái)說(shuō)，整個(gè)零件都需要進(jìn)行檢測。當檢測這些零件的結(jié)構(gòu)完整性時(shí)，以下問(wèn)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(gè)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(guò)流動(dòng)和冷卻過(guò)程模擬，可以確定其精度足夠滿(mǎn)足需求。

?

比如，用SLM工藝加工了一個(gè)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(guò)流動(dòng)和冷卻過(guò)程模擬，可以確定其精度足夠滿(mǎn)足需求。

?

CT可掃描的試樣尺寸與材料、X射線(xiàn)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(xiàn)的穿透能力有關(guān)。它隨著(zhù)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(guò)，鋼比鎢更容易被穿過(guò)。

?

CT掃描案例學(xué)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)(chǎn)品，它的原理和優(yōu)(yōu)勢對金屬3D打印同樣適用。第一個(gè)柔性試樣用FDM工藝加工，第二個(gè)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(gè)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(méi)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)(shù)在過(guò)去的十年內(nèi)不斷發(fā)(fā)展，其應用遍布到汽車(chē)、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(shí)體于CAD模型對比，還是通過(guò)幾何尺寸和偏差的側(cè)臉。隨著(zhù)技術(shù)(shù)成本降低到足夠低的水平，Micro CT相對于其他技術(shù)(shù)更有競爭力，它將被應用于更為廣泛的側(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)(chǎn)成本、提高生產(chǎn)(chǎn)效率，理解何時(shí)可以打破相關(guān)原則使其應用靈活性進(jìn)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(diǎn)；

?

3）使用過(guò)濾器來(lái)減少光束硬化；

?

4）經(jīng)(jīng)常使用360°旋轉(zhuǎn)；

?

5）使用探測器的全動(dòng)態(tài)(tài)范圍；

?

6）保持對象位于視野之內(nèi)。

?

X射線(xiàn)基礎

?

X射線(xiàn)位于電磁波譜短波端，它的平均波長(cháng)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(wú)線(xiàn)電波源，而是由類(lèi)似電燈泡的熱絲材產(chǎn)(chǎn)生電子，并通過(guò)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(diǎn)，并撞擊在金屬靶上，電子的突然減速會(huì )產(chǎn)(chǎn)生超過(guò)99%的熱能和低于1%的X射線(xiàn)。

?

當電子轟擊靶材，X射線(xiàn)由兩種原子機制產(chǎn)(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(guò)程會(huì )產(chǎn)(chǎn)生X射線(xiàn)。這一過(guò)程會(huì )產(chǎn)(chǎn)生少量不連續(xù)頻率的X射線(xiàn)，有時(shí)稱(chēng)為特征輻射譜線(xiàn)。

?

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

?

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

?

無(wú)定形硅平板探測器有一個(gè)液晶屏，它會(huì )把X射線(xiàn)能量轉(zhuǎn)換成光線(xiàn)，并在光敏二極管陣列上成像，電子學(xué)使得這個(gè)圖片可以被計算機讀取。這些平板有很大范圍的像素點(diǎn)，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(xiàn)源有關(guān)。大量典型的高能量X射線(xiàn)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(zhù)X射線(xiàn)源的尺寸只有幾個(gè)微米左右，標準的醫(yī)療探測器就可滿(mǎn)足要求，并可以使用幾何放大來(lái)提高圖片分辨率。

?

Micro CT概述

?

將X射線(xiàn)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）的應用成為現(xiàn)實(shí)?；镜难b置包括X射線(xiàn)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(shí)現(xiàn)。

?

一個(gè)試樣產(chǎn)(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(diǎn)在三維重構(gòu)時(shí)會(huì )轉(zhuǎn)換成體素。比如有3000張圖片，每個(gè)三維體素被處理3000次。最終得到物體的三維體積地圖，每個(gè)體素會(huì )有自身的位置坐標和密度。用戶(hù)不僅會(huì )得到試樣內(nèi)外表面的信息，產(chǎn)(chǎn)品內(nèi)部密度分布情況也可以得到。另外，借助軟件觀(guān)察產(chǎn)(chǎn)品內(nèi)部截面，可以獲取更多信息卻不會(huì )損壞產(chǎn)(chǎn)品本身。

?

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

?

投影圖上也會(huì )有非線(xiàn)性探測器噪點(diǎn)，它們一般位于所有投影圖的相同位置。成像過(guò)程中，這個(gè)噪點(diǎn)會(huì )被重建成圓環(huán)(huán)，即環(huán)(huán)狀偽影。參照圖上的噪點(diǎn)對偽影響最大，因為它會(huì )被重復用來(lái)校正每張投影圖，不利影響會(huì )被放大。黑色區(qū)域的噪點(diǎn)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(diǎn)比例也更小。

?

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

?

光束硬化是試樣對X射線(xiàn)的自我過(guò)濾，此時(shí)試樣內(nèi)部的能量更高，穿透能力更強?；讖@個(gè)原因，X射線(xiàn)在試樣內(nèi)部的線(xiàn)性衰減會(huì )低于邊緣處，會(huì )進(jìn)一步導致光束硬化的加劇。

?

對X射線(xiàn)進(jìn)行預過(guò)濾可以減弱光束硬化，也可在CT軟件中進(jìn)行一定程度的光束硬化校正，這對單材料試樣應用最佳。

?

就像規(guī)則5所說(shuō)，使用探測器的全動(dòng)態(tài)(tài)范圍很重要，高動(dòng)態(tài)(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(xiàn)在試樣中穿透能力差引起。穿透力不足可以通過(guò)提高X射線(xiàn)強度來(lái)解決，除非你已經(jīng)(jīng)使用了最大能量強度。

?

條紋狀偽影可以通過(guò)過(guò)濾光束或者使用高動(dòng)態(tài)(tài)范圍探測器來(lái)減弱影響。散射輻射可通過(guò)調(diào)準X射線(xiàn)束與探測器的位置，只探測從光源處沿直線(xiàn)傳播到探測器的射線(xiàn)來(lái)減弱影響。

?

遵守這些規(guī)則會(huì )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(huì )在邊緣處有些小的環(huán)(huán)，此時(shí)內(nèi)部特征很容易被觀(guān)察到。這種情況下我們可以放大內(nèi)部觀(guān)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(gè)像素點(diǎn)大很多，可以降低投影次數(shù)來(lái)提高掃描速度。

?

規(guī)則2：每張投射圖片上盡量減少噪點(diǎn)

?

如果時(shí)間有限，減少黑白參照圖的噪點(diǎn)會(huì )降低整體噪點(diǎn)數(shù)量，卻不明顯延長(cháng)整個(gè)掃描時(shí)間。

?

規(guī)則5：使用探測器的全動(dòng)態(tài)(tài)范圍

?

當檢測密度很低的試樣時(shí)，通常會(huì )使用非常低強度的X射線(xiàn)來(lái)提高對比度。全動(dòng)態(tài)(tài)意味著(zhù)曝光時(shí)間會(huì )很長(cháng)，將曝光時(shí)間減半只會(huì )丟失非常少的信息，卻節(jié)約了大量的時(shí)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(zhù)非常有可能獲得最高質(zhì)(zhì)量的CT數(shù)據(jù)。但是，有些時(shí)候打破這些規(guī)則會(huì )節(jié)省很多時(shí)間，卻又不會(huì )明顯犧牲圖片質(zhì)(zhì)量。

?

Micro CT現(xiàn)在的掃描速度快了很多，也更適合于生產(chǎn)(chǎn)線(xiàn)應用。此外，掃描相似零件的裝載和卸載過(guò)程可以自動(dòng)化，將單個(gè)零件的掃描時(shí)間降至幾十秒是可能的。用戶(hù)可獲得：

?

1）更好地觀(guān)察金屬3D打印零件的內(nèi)部；

?

2）對產(chǎn)(chǎn)品原型和生產(chǎn)(chǎn)工藝進(jìn)行更快優(yōu)(yōu)化；

?

3）質(zhì)(zhì)量控制——對進(jìn)出廠(chǎng)的產(chǎn)(chǎn)品更有信心；

?

4）通過(guò)避免破壞性測試來(lái)減少損失。

?

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