高能CT扫描在增材制造中的应用

来源： 洞察金属增材制造

除了增材制造过程中的实时监测，无损测试是检测和把控产品质量至关重要的手段。增材制造零部件往往具有复杂的内部几何结构以及一体化制造带来的大尺寸，超出了绝大多数常用检测手段的能力范围。计算机断层扫描（CT）可以克服这些困难，提供一套可行的解决方案。CT是一种通过围绕旋转轴拍摄物体的众多二维X射线图像，然后使用算法和软件将这些二维"切片"重组成三维图像的方法。本文主要介绍CT在增材制造领域的应用，局限性和降低检测成本的可能方案。

在增材部件上的应用
CT扫描所得的重建图像显示的是材料和缺陷在三维空间上的分布。这些结果不仅可以被用来计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，还可以显示结构内部是否有夹杂等。所得的计量结果即可以是质量检测的一部分，也可以作为打印过程模拟和工艺参数优化的依据。最终目标是确保制造出来的实际零件和CAD模型尽可能地接近，以便后续的表面处理和装配。缺陷的数量，大小和形状等结果可以结合有限元分析来模拟零件在载荷作用下应力的分布情况，评估结构件在服役中的完整性。

CT的局限性
尽管CT无损检测已经被以航空航天为代表的企业用于关键增材制造零件的检测工作，但是该技术也存在一些局限性，譬如检测费用仍然偏高。究其原因，主要是因为单个零件的扫描时间长，高质量的重建和复杂的图像后处理分析耗时长。减少2D投影图数量或者缩短每个投影图的收集时间可以加快扫描是常见的解决思路。由于增材制造金属部件复杂的几何形状和低曝光时间造成的光子饥饿效应会降低图像的质量。通常，金属的密度高，容易引起射束硬化（BH）效应，导致伪影的出现，从而影响孔洞和缺陷的检测。

提高检测效率
CT扫描的整个过程分为拍摄和图像处理两步，因此可以对每一步分别进行升级和优化，从而提高检测的效率。

从拍摄角度来看，越高的管电压会产生更高的射线能量，可以穿透更厚的金属部件；同时，可以增加探测器接收到的信号，从而提高信噪比，图像的对比度，消除射束硬化引起的伪影。当穿透射线强度过高时，信号对比度会下降，信噪比也随之降低。常见的工业CT设备所使用的管电压在50kV到600kV之间。少数一些高X射线能量设备的电压可高达6MeV和9MeV。虽然高的管电压可以提供更高的穿透力，但也会降低图像的空间分辨率。

提高管电流来增加X射线通量也可以缩短检测曝光时间，提高检测效率。市面上，高通量源的管电流约为30-50毫安。主要挑战来自于阳极无法直接承受高热流密度的热量，从而导致阳极出现融蚀现象。

此外，还可以通过采用螺旋扫描，与平面探测器相结合来加快拍摄。

不同管电压下所得的CT图像，图源：NSI公司

从图像处理的角度来看，可以通过提高CT图像的识别能力和量化分析精度，避免伪影的出现来提高检测速率。常见的校正方法主要有迭代重建法、双能量法、多项式拟合法以及基于权函数的新型校正法。

来自橡树岭国家实验室的科研团队[2]开发了一种基于深度学习（DL）的监测方法，利用打印部件的计算机辅助设计 (CAD) 模型以及基于物理的信息，对金属增材部件进行CT重建，以应对这些挑战。新设计的卷积神经网络（CNN）用于图像重建，可以将每个测试样品的投影图减少到原来的三分之一，即降低采样幅数。所得的重构结果却拥有更好的对比度以及更少的伪影。对于50微米以上的缺陷的检测率为78%，而对于90微米以上的缺陷则能达到100%的检出率。这远高于标准FDK CT重构的精度，分别是，18%（大于50微米的缺陷），70%（大于90微米）和100%（170微米）。

高能CT的现状
高能CT设备能穿透更厚的部件，但其分辨率会受到限制。
一台6MeV的设备能探测到的最小缺陷约为250-350微米；
在保证良好的图像质量、对比衬度等要求下，对于像铁、不锈钢等类似密度的材料，可穿透后大约在20到25厘米之间；
一些高能工业CT机能测量高度达4米，直径达1米的大型部件。
部件的大小可以高达4米，直径达1米。

总结
在决定参数如管电压，电流、焦点尺寸时，需要综合考虑图像的对比度，分辨率和测试时长。


参考资料：
[1] https://www.aerospacetestinginte ... at-florida-lab.html
[2] https://doi.org/10.1038/s41524-023-01032-5