高能CT掃描在增材制造中的應(yīng)用

來(lái)源： 洞察金屬增材制造

除了增材制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)損測(cè)試是檢測(cè)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(lái)的大尺寸，超出了絕大多數(shù)常用檢測(cè)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(guò)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(cè)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(lái)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(cè)的一部分，也可以作為打印過(guò)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(lái)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(lái)模擬零件在載荷作用下應(yīng)力的分布情況，評(píng)估結(jié)構(gòu)件在服役中的完整性。

CT的局限性
盡管CT無(wú)損檢測(cè)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(cè)工作，但是該技術(shù)也存在一些局限性，譬如檢測(cè)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(zhǎng)，高質(zhì)量的重建和復(fù)雜的圖像后處理分析耗時(shí)長(zhǎng)。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(jiàn)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(huì)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(cè)。

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

從拍攝角度來(lái)看，越高的管電壓會(huì)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(cè)器接收到的信號(hào)，從而提高信噪比，圖像的對(duì)比度，消除射束硬化引起的偽影。當(dāng)穿透射線強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，信號(hào)對(duì)比度會(huì)下降，信噪比也隨之降低。常見(jiàn)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(huì)降低圖像的空間分辨率。

提高管電流來(lái)增加X(jué)射線通量也可以縮短檢測(cè)曝光時(shí)間，提高檢測(cè)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(lái)自于陽(yáng)極無(wú)法直接承受高熱流密度的熱量，從而導(dǎo)致陽(yáng)極出現(xiàn)融蝕現(xiàn)象。

此外，還可以通過(guò)采用螺旋掃描，與平面探測(cè)器相結(jié)合來(lái)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(lái)看，可以通過(guò)提高CT圖像的識(shí)別能力和量化分析精度，避免偽影的出現(xiàn)來(lái)提高檢測(cè)速率。常見(jiàn)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(lái)自橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)[2]開(kāi)發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)（DL）的監(jiān)測(cè)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(duì)金屬增材部件進(jìn)行CT重建，以應(yīng)對(duì)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(cè)試樣品的投影圖減少到原來(lái)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(duì)比度以及更少的偽影。對(duì)于50微米以上的缺陷的檢測(cè)率為78%，而對(duì)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(huì)受到限制。
一臺(tái)6MeV的設(shè)備能探測(cè)到的最小缺陷約為250-350微米；
在保證良好的圖像質(zhì)量、對(duì)比襯度等要求下，對(duì)于像鐵、不銹鋼等類(lèi)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(cè)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(duì)比度，分辨率和測(cè)試時(shí)長(zhǎng)。


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