Micro CT檢測（X射線CT）是3D打印金屬產品檢測方法之一，其他方法包括渦流檢測、超聲檢測、白光干涉檢測、非相關光學檢測。然而，考慮到各種技術的最新進展，Micro CT在復雜內部結構和幾何形狀產品的無損檢測方面最有潛力。下文關于Micro CT能力的描述。

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Micro CT（X射線CT）是唯一能有效實現零件內部體缺陷和復雜幾何形狀無損測量的方法。渦流檢測只能檢測零件近表面區域的缺陷。超聲檢測適用于靠近表面的簡單幾何，能測量到的內部區域比較有限。光學及干涉技術只能檢測零件的表面的特征。盡管干涉技術的分辨率更高（高達幾個納米），但Micro CT能一次掃描到零件的內外表面，其分辨率可達到微米水平，有些時候甚至能達到微米水平以下（幾百個納米的量級）。

圖2 CT掃描可檢測外部與內部特征

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隨著3D打印對制造業的影響越來越大，大家對Micro CT的興趣也與日俱增。咨詢公司稱，2015年3D打印機（含桌面機和工業機）的全球花費達110億美元，預計2019年將達270億美元。另一家公司Marketsand Markets預測3D打印的復合年增長率將達30%，2022年其市場規模會達到300億美元。根據2016年四月份的研究，PWC（Price Waterhouse Coopers）公司稱3D打印在美國制造業中進入了新紀元。與兩年前相比，更多的制造商（今年52%，2014年38%）認為未來三到五年3D打印將用于大規模工業生產中。

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越來越多用戶考慮通過3D打印實現金屬零件的減重，同時不降低其強度，比如航空產品的減重有助于提高效率。對于安全性至關重要的航空、汽車、能源、醫療領域，有必要確定產品內部是否有空隙和夾雜物、它們的尺寸多大（單個和整體）、它們出現的部位。此外，確定產品的尺寸與設計是否有偏差也非常關鍵。

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對于這類問題，X射線CT是一個非常強大的工具。通過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信息。

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焊接件需要檢測，3D打印呢？

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對于傳統的焊接工藝，大家對其產品總會做質量檢測。對于金屬3D打印，其產品本質上是個大的焊接件。因此，如果不對它進行空隙、夾雜物、精度的檢測，那是完全不合常理的。金屬3D打印的物理化學過程是非常復雜的，會出現多種風險，如成型倉內松散、融化不完全的粉末，如缺陷的位置和特征隨機分布。

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對于傳統加工工藝，特定方向的幾張X射線照片就可確定產品情況。然而，對于以逐層累計為特征的3D打印來說，整個零件都需要進行檢測。當檢測這些零件的結構完整性時，以下問題是大家首先關注的：

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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、壁厚測量、變形。

比如，用SLM工藝加工了一個模具。Micro CT可以確定3D打印出的內部流道的形貌，其精度根據需要可高達5-10微米。通過流動和冷卻過程模擬，可以確定其精度足夠滿足需求。

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比如，用SLM工藝加工了一個模具。Micro CT可以確定3D打印出的內部流道的形貌，其精度根據需要可高達5-10微米。通過流動和冷卻過程模擬，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（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、柴油機噴油嘴；

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2）450kV——鋁合金汽缸蓋、飛機渦輪葉片。

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零件的最大尺寸也受探測器的尺寸限制，也與X射線的穿透能力有關。它隨著材料的密度和原子序數的增加而降低。聚合物材料比鋼更容易被穿過，鋼比鎢更容易被穿過。

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CT掃描案例學習

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一項3D打印柔性結構的CT掃描研究顯示了兩種工藝的加工能力。盡管這項研究針對的是聚合物產品，它的原理和優勢對金屬3D打印同樣適用。第一個柔性試樣用FDM工藝加工，第二個試樣用SLA工藝打印。通常情況下，FDM、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掃描顯示了兩個試樣尺寸相對于原始CAD模型的偏差。有測試結果可以看出，相對于CAD模型的偏差可高達±0.25mm，其中試樣1的偏差更大。相對應地，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，試樣1的截面顯示了內部殘留變形。相反地，試樣2的薄壁柔性結構處并沒有出現明顯的變形。

Micro CT的使用規則與打破條件

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高精度Micro CT技術在過去的十年內不斷發展，其應用遍布到汽車、航空航天、能源、醫療及消費品領域，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于CAD模型的提及分析成為可能，不管是直接的實體于CAD模型對比，還是通過幾何尺寸和偏差的側臉。隨著技術成本降低到足夠低的水平，Micro CT相對于其他技術更有競爭力，它將被應用于更為廣泛的側臉領域。

更好的理解Micro CT的使用原則不僅有利于降低生產成本、提高生產效率，理解何時可以打破相關原則使其應用靈活性進一步提升。Micro CT的正確使用規則如下：

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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；

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3）使用過濾器來減少光束硬化；

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4）經常使用360°旋轉；

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5）使用探測器的全動態范圍；

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6）保持對象位于視野之內。

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X射線基礎

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X射線位于電磁波譜短波端，它的平均波長在10-8米到10-12米之間，大致是水分子的尺寸。Micro CT不采用無線電波源，而是由類似電燈泡的熱絲材產生電子，并通過高電壓加速，其速度達到光速的80%。電子束由磁透鏡聚焦成直徑1-5微米的斑點，并撞擊在金屬靶上，電子的突然減速會產生超過99%的熱能和低于1%的X射線。

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當電子轟擊靶材，X射線由兩種原子機制產生：

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1）在電子能量足夠高的條件下，可以把金屬原子內層軌道電子撞出，高能級電子向低能級躍遷過程會產生X射線。這一過程會產生少量不連續頻率的X射線，有時稱為特征輻射譜線。

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2）韌制輻射：電子靠近高質子數原子的強電磁場發生散射，伴隨X射線的產生。這類X射線有連續光譜，X射線的強度隨其頻率的降低而增高。

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X射線沿直線穿過被檢測物體，并撞擊到探測器。物體會吸收部分X射線（密度高的物體吸收更多），剩下部分會到達探測器。當X射線能量比較低時（小于60kV），沿著X射線運動路徑到探測器間的吸收差異會被檢測出，并以陰影圖的形式顯示出來。當X射線的能量比較高時（60-225kV），吸收和散射都會出現，散射會降低圖片的對比度。當X射線的能量高于225kV時，散射會被線性探測器檢測出，盡管圖片的產生效率會降低。能量超過300-400kV時，散射成為主要的對比機制。也就是說，X射線被散射的部分多于被吸收的。

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無定形硅平板探測器有一個液晶屏，它會把X射線能量轉換成光線，并在光敏二極管陣列上成像，電子學使得這個圖片可以被計算機讀取。這些平板有很大范圍的像素點，其靈敏度達16位（64k灰度水平）。

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探測器的靈敏度與零件尺寸和X射線源有關。大量典型的高能量X射線源是毫米聚焦的，尺寸在1mm左右，這限制了圖片相對于探測器的分辨率。得到高分辨率需要非常小的探測器，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微米左右，標準的醫療探測器就可滿足要求，并可以使用幾何放大來提高圖片分辨率。

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Micro CT概述

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將X射線的穿透能力和計算機日益強大的數據處理功能結合，計算機斷層掃描（CT）的應用成為現實。基本的裝置包括X射線源、被測物體、探測器。對象旋轉平臺保證了前文提到的規則1、4、6的實現。

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一個試樣產生的照片多達幾千張。按照一定的算法，每張二維圖片的二維像素點在三維重構時會轉換成體素。比如有3000張圖片，每個三維體素被處理3000次。最終得到物體的三維體積地圖，每個體素會有自身的位置坐標和密度。用戶不僅會得到試樣內外表面的信息，產品內部密度分布情況也可以得到。另外，借助軟件觀察產品內部截面，可以獲取更多信息卻不會損壞產品本身。

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圖像強度是試樣測量的基礎。在CT中，我們測量的是X射線的線性衰減，或者單位長度材料吸收的X射線量。不幸的是，缺陷或者偽影會出現在CT數據中，它們會影響測試結果。在片層圖片上，噪點看起來像污點，但通過加大X射線量可以減弱其影響。

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投影圖上也會有非線性探測器噪點，它們一般位于所有投影圖的相同位置。成像過程中，這個噪點會被重建成圓環，即環狀偽影。參照圖上的噪點對偽影響最大，因為它會被重復用來校正每張投影圖，不利影響會被放大。黑色區域的噪點比白色區域影響大，因為黑色區域信號較弱，黑色區域信號-噪點比例也更小。

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靠近旋轉軸的環狀偽影更強烈，因為這塊區域像素點更少。在收集黑白參照圖時，可對多張圖片平均化處理來減弱這一影響。

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光束硬化是試樣對X射線的自我過濾，此時試樣內部的能量更高，穿透能力更強。基于這個原因，X射線在試樣內部的線性衰減會低于邊緣處，會進一步導致光束硬化的加劇。

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對X射線進行預過濾可以減弱光束硬化，也可在CT軟件中進行一定程度的光束硬化校正，這對單材料試樣應用最佳。

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就像規則5所說，使用探測器的全動態范圍很重要，高動態范圍探測器可幫助檢測微小的信號強度差異。

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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提高X射線強度來解決，除非你已經使用了最大能量強度。

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條紋狀偽影可以通過過濾光束或者使用高動態范圍探測器來減弱影響。散射輻射可通過調準X射線束與探測器的位置，只探測從光源處沿直線傳播到探測器的射線來減弱影響。

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遵守這些規則會使CT結果盡可能好，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，你可以打破這些規則。

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規則1：從不同角度透射試樣；規則6：保持對象位于視野之內

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如果不在視野范圍內的材料比較均勻、形狀比較規則，那將只會在邊緣處有些小的環，此時內部特征很容易被觀察到。這種情況下我們可以放大內部觀測區域，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像素點大很多，可以降低投影次數來提高掃描速度。

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規則2：每張投射圖片上盡量減少噪點

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如果時間有限，減少黑白參照圖的噪點會降低整體噪點數量，卻不明顯延長整個掃描時間。

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規則5：使用探測器的全動態范圍

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當檢測密度很低的試樣時，通常會使用非常低強度的X射線來提高對比度。全動態意味著曝光時間會很長，將曝光時間減半只會丟失非常少的信息，卻節約了大量的時間。

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結論

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Micro CT使用規則是基于CT重建理論，遵守這些規則意味著非常有可能獲得最高質量的CT數據。但是，有些時候打破這些規則會節省很多時間，卻又不會明顯犧牲圖片質量。

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Micro CT現在的掃描速度快了很多，也更適合于生產線應用。此外，掃描相似零件的裝載和卸載過程可以自動化，將單個零件的掃描時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打印零件的內部；

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2）對產品原型和生產工藝進行更快優化；

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3）質量控制——對進出廠的產品更有信心；

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4）通過避免破壞性測試來減少損失。

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隨著3D打印繼續改寫制造業的游戲規則，X射線CT可成為其強大助手，通過無損檢測來明確產品的幾何偏差和內部缺陷。