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3D打印金屬產(chǎn)品的檢測(cè)與質(zhì)量控制:Micro CT

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))。


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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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)?;镜难b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)?;谶@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。