3D打印镂空结构缺陷X射线CT检测

0 序 言

随着现代工业发展的需求，一些领域的生产制造逐渐倾向几何形状复杂、高精度、多元化的趋势，在此背景下产生了增材制造技术(又称3D打印技术). 其中以高能束及电弧为热源的3D打印技术近年来受到了广泛的关注，国内外专家学者在相关方面开展了大量的研究工作[1-4]. 光敏树脂材料的光固化3D成形技术因其成形精度高、价格低廉而发展迅速，也受到广泛关注[5-7]. 为了改进增材制造工艺，判别构件加工质量是否满足设计要求，对于复杂精密的镂空、内含等增材制造构件，无损检测是评价其加工尺寸精度和缺陷情况的必经途径. 因此，增材制造构件的质量检测与评定问题也成为目前无损检测领域的研究热点[8-9]，并涌现出如等空间分辨声谱等新的无损检测方法[10-12].

X射线CT技术能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况，被誉为内部结构最佳无损检测和无损评估技术. 对于复杂构件内部结构、轮廓尺寸及缺陷的定量化检测，研究表明，射线CT是一种适合的方法[13-14].在增材制造构件检测方面，目前没有临界缺陷种类尺寸及形态的定义，缺少增材制造过程检测的标准程序，缺少检出概率的数据. 因此说，增材结构缺陷检测质量评价是一项具有挑战性的工作. 文中采用X射线CT技术对光敏树脂材料的3D打印构件进行检测，研究检测参数对X射线CT成像质量的影响，并评价无损检测的灵敏度及精度水平.

1 3D打印试件制备

文中试验使用的3D打印机如图1所示. 闪铸科技Hunter 3D打印机，分辨率为1 920 p×1 080 p，可打印构件尺寸为120 mm×67.5 mm×150 mm，像素尺寸0.062 5 mm，使用闪铸FlashForge光敏树脂作为打印耗材，层高0.05 mm.

图1 Hunter 3D打印机
Fig.1 Hunter 3D printer

使用SolidWorks软件设计并绘制3D打印镂空结构的STL文件. 镂空结构设计为无需添加支撑的方杆结构，如图2a所示. 根据使用的3D设备确定打印尺寸，设计镂空结构构件整体尺寸为54 mm×54 mm×74 mm，方杆截面尺寸为4 mm×4 mm.实际打印加工获取的试件如图2b所示.

图2 3D打印试件的制备
Fig.2 Preparation for 3D printed specimen

2 3D打印试件CT成像检测

在射线CT成像检测中，射线管电流和管电压等参数的选择会影响到CT重建后图像质量，主要包括缺陷与背景的信噪比、缺陷轮廓的清晰度、缺陷与背景间的对比度. 上述三者最终会影响缺陷识别的灵敏度及缺陷定量检测精度. 分别研究管电流及管电压对CT成像质量的影响.

2.1 管电流对CT成像质量的影响

在射线管电压40 kV的检测条件下，选取管电流值500～1 500 mA(以250 mA步距选取电流值)对同一3D打印试件进行CT成像检测，并提取同一位置图片，分析对比管电流对成像质量的影响.管电流1 000 mA时射线CT断层图片见图3a. 气孔处对应灰度分布线如图3b所示.

图3 CT断层图片及线灰度分布
Fig.3 CT image and line gray distribution

信噪比(signal to noise ratio, SNR)是评价图像及信号质量的重要参数. 过低的信噪比会导致细小缺陷无法有效辨识，也会使缺陷影像边界模糊，降低检测精度. 信噪比的计算公式为

式中：SNR为信噪比；PS为缺陷信号强度；PN为噪声强度.

此时，已是次日凌晨0时30分，当紧张的情绪刚刚舒缓下来，陈正副院长又接到了6号手术室内的电话，“孕40周试管婴儿，母亲为40岁高龄产妇，出现胎盘早剥，急诊手术需要护台……”他二话没说，又来到了6号手术室内参与到抢救护台工作中……

CT断层图像的对比度即缺陷影像和背景之间的灰度差，是评价影像质量的另一指标. 文中通过读取缺陷及背景影像灰度差来表征对比度. 除此之外，主要由射线源焦点尺寸带来的缺陷影像的半影宽度即清晰度，也是评价影像质量的重要判据. 文中通过提取半影宽度内图像灰度变化曲线的斜率来表征清晰度. 在不同管电流检测条件下，分别获取图3所示气孔缺陷对应的CT断层图像. 使用MATLAB软件分别计算获取信噪比、对比度及清晰度参数结果，如图4所示.

影响压裂支撑剂破碎率检测结果的因素分析………………………………………………………………………张贵玲（4.20）

图4 管电流对CT成像质量的影响
Fig.4 Effect of tube current on image quality

由图4可见，当管电流大于500 mA时，图像的信噪比、清晰度和对比度等参数均随管电流的增大而逐步上升，并在管电流1 000 mA处达到最大值；之后进一步增大管电流，各项参数开始下降. 在文中试验条件下，当管电流为1 000 mA左右时，图像的信噪比、对比度和清晰度达到最佳.

2.2 管电压对CT成像效果的影响

在X射线管电流1 000 mA的检测条件下，管电压取值范围为24～104 kV时(以8 kV步距选取电压值)，分别获取图3所示气孔缺陷对应的CT断层图像，并通过计算分别获取图像中相应的信噪比、对比度及清晰度参数，结果如图5所示. 可见，当管电压取值范围为20～40 kV时，图像的信噪比随管电压增高而快速上升；当管电压取值范围为40～88 kV时，图像的信噪比趋于稳定；从88 kV开始，继续增大管电压，图像的信噪比快速下降. 当管电压取值范围为24～88 kV时，图像的清晰度较低；当管电压取值超过88 kV时，图像的清晰度快速上升. 当管电压取值范围为20～40 kV时，图像的对比度随管电压的增加而快速上升，且管电压在40～96 kV范围内，图像的对比度趋于稳定；当管电压取值超过96 kV时，图像的对比度随电压值升高快速下降. 综合考虑各参数对射线CT成像质量的影响规律，重点考察图像中细微缺陷的辨识能力，选取射线管电压值40～80 kV.

图5 管电压对射线CT成像质量的影响
Fig.5 Effect of tube voltage on image quality

3 试验结果与分析

选取X射线管电流1 000 mA，管电压40 kV，对3D打印试件进行检测. 获取含有缺陷的断层图像，并在断层图像中测量缺陷在被检测试件中的相对位置及自身尺寸数据. 给出含有多气孔的射线CT断层图像局部，如图6a所示. 根据缺陷无损检测获得的位置信息，对试件进行破坏性试验. 试验过程中，先采用粗切割，获取临近缺陷位置的试件断面.之后采用细研磨，获取缺陷断面，并利用光学显微镜测量缺陷尺寸. 为了便于人工肉眼观测，将获取的缺陷截面进行着色处理.图6a所示的无损检测图像相对应试件的剖切截面如图6b所示. 其中一处气孔缺陷(直径约0.1 mm)的显微放大图像见图6c.

采用两级精细过滤装置[14-15]，进水指标要求ρ(油)≤30 mg/L、ρ(悬浮物)≤30 mg/L;出水指标可达到ρ(油)≤5 mg/L、ρ(悬浮物)≤2 mg/L、粒径中值≤1.5μm，确保出水指标达到A2标准。

图6 无损与破坏试验结果
Fig.6 Results of non-destructive and destructive testing

X射线CT无损检测获取气孔缺陷28个，经破坏试验验证，其中尺寸最大气孔缺陷长轴为1.87 mm，短轴为1.60 mm. 无损检测可识别最小缺陷尺寸为直径0.1 mm. 受限于试验中缺陷样本数量及破坏试验能力，更小尺寸的缺陷在该试验条件下难以有效验证. 在获取的缺陷中，直径低于 0.5 mm的气孔有12个，直径0.5～1.0 mm的气孔12个，直径大于1.0 mm的气孔4个. 根据无损检测获取的缺陷位置信息，对试件进行破坏性试验验证. 采用粗切割细研磨的方式，获取缺陷截面，并测量缺陷尺寸.破坏试验获取了24个气孔缺陷样本，漏检了4个小尺寸样本. 在无损及破坏性试验获取的24处缺陷中，缺陷尺寸无损检测的相对误差绝对值在10%以内的有14个；相对误差绝对值在20%以内的有6个；相对误差绝对值超过20%的为4个. 缺陷量化检测误差如图7所示.

图7 缺陷尺寸测量误差
Fig.7 Measured error of defects

在破坏性检测试验过程中，存在着如下几方面因素影响着破坏性试验结果的可靠性及精度. 首先，对细微尺寸气孔缺陷进行破坏观察时，基于切割及研磨方式的试验方法难于有效获取缺陷对应的截面，细微气孔易于随研磨加工掉，或被研磨颗粒填充而不易于发现. 其次，破坏性试验获取的气孔缺陷截面与气孔中心所在平面存在必然的偏差，从而带来缺陷尺寸定量检测的误差. 对于密集型多气孔进行破坏性试验时，采用切割及研磨“一刀切”的方式进行. 而实际上，缺陷在3D打印构件中的分布具有随机性，因此“一刀切”的破坏性检测方式很难同时满足有效获得各缺陷的中心截面. 另外，对于近条、虫形气孔而言，破坏性试验获得的缺陷中心点存在较大的误差，很大程度上影响量化测量精度. 上述各因素都会影响破坏性检测结果的可靠性，进而会影响对无损检测结果验证的客观性. 既便如此，通过该方法的无损检测，58%的缺陷样本尺寸测量误差仍有效控制在10%以内.

4 结 论

(1) 采用X射线CT技术，有效检测了光敏树脂材料3D打印镂空结构中的气孔缺陷，并实现了缺陷的定位定量测量.

该课程从考勤、课堂参与度、课后作业完成情况、期末闭卷测试以及两项关键性任务的完成质量等方面进行形成性考核。大纲明确告知学生该门课程的考核具有稳定性和规范性，不因任课教授的不同而有相应改变，考核标准保持一致。从具体的评分标准来看，学校对学生的写作能力和水平有较高要求，拼写、语法和标点符号，每错一处就扣一分。这是值得我们反思的，美国从小学三年级开始就培养学生的学术英语写作能力，大学里还有各种线上线下写作实验中心对学生进行指导，确保学术写作不会成为学生科学研究和职业发展的绊脚石。而我们的学生在高中阶段并无学术写作的教学安排，大学里又并非各专业都有科研和写作指导，学生的学术写作水平自然较弱。

(2) 通过研究X射线管电压及管电流对CT成像信噪比、清晰度及对比度的影响，获取了X射线CT检测的优化工艺参数，从而提高缺陷检测灵敏度及精度.

国内对普洱茶在贮藏过程的陈化研究开始于2002年，研究主要围绕着三大方面，分别是：①茶叶自身影响因素分析;②外界影响因素分析;③仓储过程中茶叶内涵物质、理化指标和品质的变化趋势。

(3) 文中试验条件下的检测灵敏度达到有效识别直径0.1 mm的微气孔，检测精度达到气孔缺陷尺寸测量平均相对误差不超过16%.

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