Micro CT檢測(cè)（X射線CT）是3D打印金屬產(chǎn)品檢測(cè)方法之一，其他方法包括渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、白光干涉檢測(cè)、非相關(guān)光學(xué)檢測(cè)。然而，考慮到各種技術(shù)的最新進(jìn)展，Micro CT在復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和幾何形狀產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)方面最有潛力。下文關(guān)于Micro CT能力的描述。

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Micro CT（X射線CT）是唯一能有效實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)部體缺陷和復(fù)雜幾何形狀無(wú)損測(cè)量的方法。渦流檢測(cè)只能檢測(cè)零件近表面區(qū)域的缺陷。超聲檢測(cè)適用于靠近表面的簡(jiǎn)單幾何，能測(cè)量到的內(nèi)部區(qū)域比較有限。光學(xué)及干涉技術(shù)只能檢測(cè)零件的表面的特征。盡管干涉技術(shù)的分辨率更高（高達(dá)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(dá)到微米水平，有些時(shí)候甚至能達(dá)到微米水平以下（幾百個(gè)納米的量級(jí)）。

圖2 CT掃描可檢測(cè)外部與內(nèi)部特征

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隨著3D打印對(duì)制造業(yè)的影響越來(lái)越大，大家對(duì)Micro CT的興趣也與日俱增。咨詢公司稱，2015年3D打印機(jī)（含桌面機(jī)和工業(yè)機(jī)）的全球花費(fèi)達(dá)110億美元，預(yù)計(jì)2019年將達(dá)270億美元。另一家公司Marketsand Markets預(yù)測(cè)3D打印的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)30%，2022年其市場(chǎng)規(guī)模會(huì)達(dá)到300億美元。根據(jù)2016年四月份的研究，PWC（Price Waterhouse Coopers）公司稱3D打印在美國(guó)制造業(yè)中進(jìn)入了新紀(jì)元。與兩年前相比，更多的制造商（今年52%，2014年38%）認(rèn)為未來(lái)三到五年3D打印將用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中。

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越來(lái)越多用戶考慮通過(guò)3D打印實(shí)現(xiàn)金屬零件的減重，同時(shí)不降低其強(qiáng)度，比如航空產(chǎn)品的減重有助于提高效率。對(duì)于安全性至關(guān)重要的航空、汽車、能源、醫(yī)療領(lǐng)域，有必要確定產(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)品的尺寸與設(shè)計(jì)是否有偏差也非常關(guān)鍵。

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對(duì)于這類問(wèn)題，X射線CT是一個(gè)非常強(qiáng)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。

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焊接件需要檢測(cè)，3D打印呢？

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對(duì)于傳統(tǒng)的焊接工藝，大家對(duì)其產(chǎn)品總會(huì)做質(zhì)量檢測(cè)。對(duì)于金屬3D打印，其產(chǎn)品本質(zhì)上是個(gè)大的焊接件。因此，如果不對(duì)它進(jìn)行空隙、夾雜物、精度的檢測(cè)，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(fù)雜的，會(huì)出現(xiàn)多種風(fēng)險(xiǎn)，如成型倉(cāng)內(nèi)松散、融化不完全的粉末，如缺陷的位置和特征隨機(jī)分布。

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對(duì)于傳統(tǒng)加工工藝，特定方向的幾張X射線照片就可確定產(chǎn)品情況。然而，對(duì)于以逐層累計(jì)為特征的3D打印來(lái)說(shuō)，整個(gè)零件都需要進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)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：

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1）殘留粉末堵塞通道；

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2）缺陷（空隙和夾雜物）——孔隙、污染、裂紋；

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3）與CAD模型的尺寸偏差——尺寸分析、壁厚測(cè)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(dá)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足需求。

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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(dá)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足需求。

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CT可掃描的試樣尺寸與材料、X射線源的能量有關(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：

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1）225kV——鋁合金活塞頭部、柴油機(jī)噴油嘴；

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2）450kV——鋁合金汽缸蓋、飛機(jī)渦輪葉片。

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零件的最大尺寸也受探測(cè)器的尺寸限制，也與X射線的穿透能力有關(guān)。它隨著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)。

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CT掃描案例學(xué)習(xí)

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一項(xiàng)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(xiàng)研究針對(duì)的是聚合物產(chǎn)品，它的原理和優(yōu)勢(shì)對(duì)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。

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Micro CT掃描顯示了兩個(gè)試樣尺寸相對(duì)于原始CAD模型的偏差。有測(cè)試結(jié)果可以看出，相對(duì)于CAD模型的偏差可高達(dá)±0.25mm，其中試樣1的偏差更大。相對(duì)應(yīng)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(cè)，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

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高精度Micro CT技術(shù)在過(guò)去的十年內(nèi)不斷發(fā)展，其應(yīng)用遍布到汽車、航空航天、能源、醫(yī)療及消費(fèi)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(duì)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(duì)比，還是通過(guò)幾何尺寸和偏差的側(cè)臉。隨著技術(shù)成本降低到足夠低的水平，Micro CT相對(duì)于其他技術(shù)更有競(jìng)爭(zhēng)力，它將被應(yīng)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)成本、提高生產(chǎn)效率，理解何時(shí)可以打破相關(guān)原則使其應(yīng)用靈活性進(jìn)一步提升。Micro CT的正確使用規(guī)則如下：

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1）從不同角度透射試樣；

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2）每張投射圖片上盡量減少噪點(diǎn)；

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3）使用過(guò)濾器來(lái)減少光束硬化；

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4）經(jīng)常使用360°旋轉(zhuǎn)；

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5）使用探測(cè)器的全動(dòng)態(tài)范圍；

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6）保持對(duì)象位于視野之內(nèi)。

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X射線基礎(chǔ)

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X射線位于電磁波譜短波端，它的平均波長(zhǎng)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)線電波源，而是由類似電燈泡的熱絲材產(chǎn)生電子，并通過(guò)高電壓加速，其速度達(dá)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)生超過(guò)99%的熱能和低于1%的X射線。

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當(dāng)電子轟擊靶材，X射線由兩種原子機(jī)制產(chǎn)生：

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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(jí)電子向低能級(jí)躍遷過(guò)程會(huì)產(chǎn)生X射線。這一過(guò)程會(huì)產(chǎn)生少量不連續(xù)頻率的X射線，有時(shí)稱為特征輻射譜線。

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

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X射線沿直線穿過(guò)被檢測(cè)物體，并撞擊到探測(cè)器。物體會(huì)吸收部分X射線（密度高的物體吸收更多），剩下部分會(huì)到達(dá)探測(cè)器。當(dāng)X射線能量比較低時(shí)（小于60kV），沿著X射線運(yùn)動(dòng)路徑到探測(cè)器間的吸收差異會(huì)被檢測(cè)出，并以陰影圖的形式顯示出來(lái)。當(dāng)X射線的能量比較高時(shí)（60-225kV），吸收和散射都會(huì)出現(xiàn)，散射會(huì)降低圖片的對(duì)比度。當(dāng)X射線的能量高于225kV時(shí)，散射會(huì)被線性探測(cè)器檢測(cè)出，盡管圖片的產(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(duì)比機(jī)制。也就是說(shuō)，X射線被散射的部分多于被吸收的。

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無(wú)定形硅平板探測(cè)器有一個(gè)液晶屏，它會(huì)把X射線能量轉(zhuǎn)換成光線，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(jì)算機(jī)讀取。這些平板有很大范圍的像素點(diǎn)，其靈敏度達(dá)16位（64k灰度水平）。

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探測(cè)器的靈敏度與零件尺寸和X射線源有關(guān)。大量典型的高能量X射線源是毫米聚焦的，尺寸在1mm左右，這限制了圖片相對(duì)于探測(cè)器的分辨率。得到高分辨率需要非常小的探測(cè)器，幾何放大也不太可能。微米聚焦意味著X射線源的尺寸只有幾個(gè)微米左右，標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療探測(cè)器就可滿足要求，并可以使用幾何放大來(lái)提高圖片分辨率。

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Micro CT概述

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將X射線的穿透能力和計(jì)算機(jī)日益強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能結(jié)合，計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。基本的裝置包括X射線源、被測(cè)物體、探測(cè)器。對(duì)象旋轉(zhuǎn)平臺(tái)保證了前文提到的規(guī)則1、4、6的實(shí)現(xiàn)。

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一個(gè)試樣產(chǎn)生的照片多達(dá)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(biāo)和密度。用戶不僅會(huì)得到試樣內(nèi)外表面的信息，產(chǎn)品內(nèi)部密度分布情況也可以得到。另外，借助軟件觀察產(chǎn)品內(nèi)部截面，可以獲取更多信息卻不會(huì)損壞產(chǎn)品本身。

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圖像強(qiáng)度是試樣測(cè)量的基礎(chǔ)。在CT中，我們測(cè)量的是X射線的線性衰減，或者單位長(zhǎng)度材料吸收的X射線量。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(cè)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射線量可以減弱其影響。

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投影圖上也會(huì)有非線性探測(cè)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)，即環(huán)狀偽影。參照?qǐng)D上的噪點(diǎn)對(duì)偽影響最大，因?yàn)樗鼤?huì)被重復(fù)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?yàn)楹谏珔^(qū)域信號(hào)較弱，黑色區(qū)域信號(hào)-噪點(diǎn)比例也更小。

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靠近旋轉(zhuǎn)軸的環(huán)狀偽影更強(qiáng)烈，因?yàn)檫@塊區(qū)域像素點(diǎn)更少。在收集黑白參照?qǐng)D時(shí)，可對(duì)多張圖片平均化處理來(lái)減弱這一影響。

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光束硬化是試樣對(duì)X射線的自我過(guò)濾，此時(shí)試樣內(nèi)部的能量更高，穿透能力更強(qiáng)。基于這個(gè)原因，X射線在試樣內(nèi)部的線性衰減會(huì)低于邊緣處，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致光束硬化的加劇。

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對(duì)X射線進(jìn)行預(yù)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(duì)單材料試樣應(yīng)用最佳。

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就像規(guī)則5所說(shuō)，使用探測(cè)器的全動(dòng)態(tài)范圍很重要，高動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)器可幫助檢測(cè)微小的信號(hào)強(qiáng)度差異。

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條紋狀偽影由光束硬化或者X射線在試樣中穿透能力差引起。穿透力不足可以通過(guò)提高X射線強(qiáng)度來(lái)解決，除非你已經(jīng)使用了最大能量強(qiáng)度。

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

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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。

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規(guī)則1：從不同角度透射試樣；規(guī)則6：保持對(duì)象位于視野之內(nèi)

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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)，此時(shí)內(nèi)部特征很容易被觀察到。這種情況下我們可以放大內(nèi)部觀測(cè)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。

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規(guī)則2：每張投射圖片上盡量減少噪點(diǎn)

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

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規(guī)則5：使用探測(cè)器的全動(dòng)態(tài)范圍

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當(dāng)檢測(cè)密度很低的試樣時(shí)，通常會(huì)使用非常低強(qiáng)度的X射線來(lái)提高對(duì)比度。全動(dòng)態(tài)意味著曝光時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，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。

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結(jié)論

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Micro CT使用規(guī)則是基于CT重建理論，遵守這些規(guī)則意味著非常有可能獲得最高質(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)量。

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Micro CT現(xiàn)在的掃描速度快了很多，也更適合于生產(chǎn)線應(yīng)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。用戶可獲得：

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1）更好地觀察金屬3D打印零件的內(nèi)部；

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

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3）質(zhì)量控制——對(duì)進(jìn)出廠的產(chǎn)品更有信心；

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4）通過(guò)避免破壞性測(cè)試來(lái)減少損失。

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