3D打印金属产品的检测与质量控制:Micro CT

Micro CT检测(X射线CT)是3D打印金属产品检测方法之一,其他方法包括涡流检测、超声检测、白光干涉检测、非相关光学检测。然而,考虑到各种技术的最新进展,Micro CT在复杂内部结构和几何形状产品的无损检测方面最有潜力。下文关于Micro CT能力的描述来自尼康测量公司的Andrew Ramsey、Herminso Villarraga-Gomez。

Micro CT

图1 尼康公司XT H225 ST型号CT系统

Micro CT(X射线CT)是唯一能有效实现零件内部体缺陷和复杂几何形状无损测量的方法。涡流检测只能检测零件近表面区域的缺陷。超声检测适用于靠近表面的简单几何,能测量到的内部区域比较有限。光学及干涉技术只能检测零件的表面的特征。尽管干涉技术的分辨率更高(高达几个纳米),但Micro CT能一次扫描到零件的内外表面,其分辨率可达到微米水平,有些时候甚至能达到微米水平以下(几百个纳米的量级)。

Micro CT

图2 CT扫描可检测外部与内部特征

随着3D打印对制造业的影响越来越大,大家对Micro CT的兴趣也与日俱增。咨询公司称,2015年3D打印机(含桌面机和工业机)的全球花费达110亿美元,预计2019年将达270亿美元。另一家公司Marketsand Markets预测3D打印的复合年增长率将达30%,2022年其市场规模会达到300亿美元。根据2016年四月份的研究,PWC(Price Waterhouse Coopers)公司称3D打印在美国制造业中进入了新纪元。与两年前相比,更多的制造商(今年52%,2014年38%)认为未来三到五年3D打印将用于大规模工业生产中。

越来越多用户考虑通过3D打印实现金属零件的减重,同时不降低其强度,比如航空产品的减重有助于提高效率。对于安全性至关重要的航空、汽车、能源、医疗领域,有必要确定产品内部是否有空隙和夹杂物、它们的尺寸多大(单个和整体)、它们出现的部位。此外,确定产品的尺寸与设计是否有偏差也非常关键。

对于这类问题,X射线CT是一个非常强大的工具。通过提供样件的全三维密度图,Micro CT以一种易读取、可视化的方式提供了所有相关信息。

焊接件需要检测,3D打印呢?

对于传统的焊接工艺,大家对其产品总会做质量检测。对于金属3D打印,其产品本质上是个大的焊接件。因此,如果不对它进行空隙、夹杂物、精度的检测,那是完全不合常理的。金属3D打印的物理化学过程是非常复杂的,会出现多种风险,如成型仓内松散、融化不完全的粉末,如缺陷的位置和特征随机分布。

对于传统加工工艺,特定方向的几张X射线照片就可确定产品情况。然而,对于以逐层累计为特征的3D打印来说,整个零件都需要进行检测。当检测这些零件的结构完整性时,以下问题是大家首先关注的:

1)残留粉末堵塞通道;

2)缺陷(空隙和夹杂物)——孔隙、污染、裂纹;

3)与CAD模型的尺寸偏差——尺寸分析、壁厚测量、变形。

Micro CT

图3 CT扫描显示内部阻塞通道却不破坏零件

比如,用SLM工艺加工了一个模具。Micro CT可以确定3D打印出的内部流道的形貌,其精度根据需要可高达5-10微米。通过流动和冷却过程模拟,可以确定其精度足够满足需求。

比如,用SLM工艺加工了一个模具。Micro CT可以确定3D打印出的内部流道的形貌,其精度根据需要可高达5-10微米。通过流动和冷却过程模拟,可以确定其精度足够满足需求。

CT可扫描的试样尺寸与材料、X射线源的能量有关(通常以kV为单位)。大尺寸、低能量密度试样可以被扫描,小尺寸、高能量密度试样也可被扫描。典型最大试样扫描尺寸包括:

1)225kV——铝合金活塞头部、柴油机喷油嘴;

2)450kV——铝合金汽缸盖、飞机涡轮叶片。

零件的最大尺寸也受探测器的尺寸限制,也与X射线的穿透能力有关。它随着材料的密度和原子序数的增加而降低。聚合物材料比钢更容易被穿过,钢比钨更容易被穿过。

CT扫描案例学习

一项3D打印柔性结构的CT扫描研究显示了两种工艺的加工能力。尽管这项研究针对的是聚合物产品,它的原理和优势对金属3D打印同样适用。第一个柔性试样用FDM工艺加工,第二个试样用SLA工艺打印。通常情况下,FDM、SLA工艺的打印分辨率分别为100微米、0.5微米。

Micro CT扫描显示了两个试样尺寸相对于原始CAD模型的偏差。有测试结果可以看出,相对于CAD模型的偏差可高达±0.25mm,其中试样1的偏差更大。相对应地,试样2与CAD模型的偏差大多在±0.1mm,只是在试样表面边缘或尖角处有例外。除了外部检测,试样1的截面显示了内部残留变形。相反地,试样2的薄壁柔性结构处并没有出现明显的变形。

Micro CT

图4 FDM、SLA试样与原始CAD模型尺寸偏差比较

Micro CT的使用规则与打破条件

高精度Micro CT技术在过去的十年内不断发展,其应用遍布到汽车、航空航天、能源、医疗及消费品领域,适用于金属、塑料及其他工件材料。配套的软件工具使得零件相对于CAD模型的提及分析成为可能,不管是直接的实体于CAD模型对比,还是通过几何尺寸和偏差的侧脸。随着技术成本降低到足够低的水平,Micro CT相对于其他技术更有竞争力,它将被应用于更为广泛的侧脸领域。

Micro CT

图5 Nikon的CT扫描系统显示了这项技术的能力

更好的理解Micro CT的使用原则不仅有利于降低生产成本、提高生产效率,理解何时可以打破相关原则使其应用灵活性进一步提升。Micro CT的正确使用规则如下:

1)从不同角度透射试样;

2)每张投射图片上尽量减少噪点;

3)使用过滤器来减少光束硬化;

4)经常使用360°旋转;

5)使用探测器的全动态范围;

6)保持对象位于视野之内。

X射线基础

X射线位于电磁波谱短波端,它的平均波长在10-8米到10-12米之间,大致是水分子的尺寸。Micro CT不采用无线电波源,而是由类似电灯泡的热丝材产生电子,并通过高电压加速,其速度达到光速的80%。电子束由磁透镜聚焦成直径1-5微米的斑点,并撞击在金属靶上,电子的突然减速会产生超过99%的热能和低于1%的X射线。

当电子轰击靶材,X射线由两种原子机制产生:

1)在电子能量足够高的条件下,可以把金属原子内层轨道电子撞出,高能级电子向低能级跃迁过程会产生X射线。这一过程会产生少量不连续频率的X射线,有时称为特征辐射谱线。

2)韧制辐射:电子靠近高质子数原子的强电磁场发生散射,伴随X射线的产生。这类X射线有连续光谱,X射线的强度随其频率的降低而增高。

X射线沿直线穿过被检测物体,并撞击到探测器。物体会吸收部分X射线(密度高的物体吸收更多),剩下部分会到达探测器。当X射线能量比较低时(小于60kV),沿着X射线运动路径到探测器间的吸收差异会被检测出,并以阴影图的形式显示出来。当X射线的能量比较高时(60-225kV),吸收和散射都会出现,散射会降低图片的对比度。当X射线的能量高于225kV时,散射会被线性探测器检测出,尽管图片的产生效率会降低。能量超过300-400kV时,散射成为主要的对比机制。也就是说,X射线被散射的部分多于被吸收的。

Micro CT

图6 Herminso Villarraga-Gómez对不同类型灯泡CT扫描结果

无定形硅平板探测器有一个液晶屏,它会把X射线能量转换成光线,并在光敏二极管阵列上成像,电子学使得这个图片可以被计算机读取。这些平板有很大范围的像素点,其灵敏度达16位(64k灰度水平)。

探测器的灵敏度与零件尺寸和X射线源有关。大量典型的高能量X射线源是毫米聚焦的,尺寸在1mm左右,这限制了图片相对于探测器的分辨率。得到高分辨率需要非常小的探测器,几何放大也不太可能。微米聚焦意味着X射线源的尺寸只有几个微米左右,标准的医疗探测器就可满足要求,并可以使用几何放大来提高图片分辨率。

Micro CT

图7 毫米聚焦不能放大,微米聚焦可以放大以提高分辨率

Micro CT概述

将X射线的穿透能力和计算机日益强大的数据处理功能结合,计算机断层扫描(CT)的应用成为现实。基本的装置包括X射线源、被测物体、探测器。对象旋转平台保证了前文提到的规则1、4、6的实现。

一个试样产生的照片多达几千张。按照一定的算法,每张二维图片的二维像素点在三维重构时会转换成体素。比如有3000张图片,每个三维体素被处理3000次。最终得到物体的三维体积地图,每个体素会有自身的位置坐标和密度。用户不仅会得到试样内外表面的信息,产品内部密度分布情况也可以得到。另外,借助软件观察产品内部截面,可以获取更多信息却不会损坏产品本身。

图像强度是试样测量的基础。在CT中,我们测量的是X射线的线性衰减,或者单位长度材料吸收的X射线量。不幸的是,缺陷或者伪影会出现在CT数据中,它们会影响测试结果。在片层图片上,噪点看起来像污点,但通过加大X射线量可以减弱其影响。

投影图上也会有非线性探测器噪点,它们一般位于所有投影图的相同位置。成像过程中,这个噪点会被重建成圆环,即环状伪影。参照图上的噪点对伪影响最大,因为它会被重复用来校正每张投影图,不利影响会被放大。黑色区域的噪点比白色区域影响大,因为黑色区域信号较弱,黑色区域信号-噪点比例也更小。

靠近旋转轴的环状伪影更强烈,因为这块区域像素点更少。在收集黑白参照图时,可对多张图片平均化处理来减弱这一影响。

光束硬化是试样对X射线的自我过滤,此时试样内部的能量更高,穿透能力更强。基于这个原因,X射线在试样内部的线性衰减会低于边缘处,会进一步导致光束硬化的加剧。

对X射线进行预过滤可以减弱光束硬化,也可在CT软件中进行一定程度的光束硬化校正,这对单材料试样应用最佳。

就像规则5所说,使用探测器的全动态范围很重要,高动态范围探测器可帮助检测微小的信号强度差异。

条纹状伪影由光束硬化或者X射线在试样中穿透能力差引起。穿透力不足可以通过提高X射线强度来解决,除非你已经使用了最大能量强度。

条纹状伪影可以通过过滤光束或者使用高动态范围探测器来减弱影响。散射辐射可通过调准X射线束与探测器的位置,只探测从光源处沿直线传播到探测器的射线来减弱影响。

遵守这些规则会使CT结果尽可能好,大部分情况下都能很好适用。然而,如果你需要定性的信息,或者需要的信息不受伪影影响,你可以打破这些规则。

规则1:从不同角度透射试样;规则6:保持对象位于视野之内

如果不在视野范围内的材料比较均匀、形状比较规则,那将只会在边缘处有些小的环,此时内部特征很容易被观察到。这种情况下我们可以放大内部观测区域,以获得更多信息。如果分析特征靠近试样中心,或者特征尺寸比单个像素点大很多,可以降低投影次数来提高扫描速度。

规则2:每张投射图片上尽量减少噪点

如果时间有限,减少黑白参照图的噪点会降低整体噪点数量,却不明显延长整个扫描时间。

规则5:使用探测器的全动态范围

当检测密度很低的试样时,通常会使用非常低强度的X射线来提高对比度。全动态意味着曝光时间会很长,将曝光时间减半只会丢失非常少的信息,却节约了大量的时间。

结论

Micro CT使用规则是基于CT重建理论,遵守这些规则意味着非常有可能获得最高质量的CT数据。但是,有些时候打破这些规则会节省很多时间,却又不会明显牺牲图片质量。

Micro CT现在的扫描速度快了很多,也更适合于生产线应用。此外,扫描相似零件的装载和卸载过程可以自动化,将单个零件的扫描时间降至几十秒是可能的。用户可获得:

1)更好地观察金属3D打印零件的内部;

2)对产品原型和生产工艺进行更快优化;

3)质量控制——对进出厂的产品更有信心;

4)通过避免破坏性测试来减少损失。

随着3D打印继续改写制造业的游戏规则,X射线CT可成为其强大助手,通过无损检测来明确产品的几何偏差和内部缺陷。

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