增材制造關(guān)鍵缺陷的無損檢測(cè)：分辨率、速度與尺寸的優(yōu)化平衡

增材制造（AM），即3D打印，正在改變現(xiàn)代制造業(yè)。然而，隨著零件復(fù)雜性和功能性需求的增加，如何高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)AM零件的內(nèi)部缺陷和幾何精度成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（XCT）作為一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，因其高分辨率的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在AM領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

增材制造中關(guān)鍵缺陷的無損檢測(cè) 來源：[1]

然而，如何平衡XCT檢測(cè)過程中速度、精度與零件尺寸，一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

一、XCT技術(shù)的基本原理與應(yīng)用
XCT通過旋轉(zhuǎn)樣品并采集多個(gè)角度的X射線投影圖像，利用計(jì)算機(jī)算法重建出樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其核心優(yōu)勢(shì)在于非破壞性地檢測(cè)內(nèi)部缺陷（如孔隙、裂紋）和幾何偏差（如尺寸精度、表面粗糙度）。在AM領(lǐng)域，XCT不僅用于質(zhì)量控制，還在工藝優(yōu)化和材料研究中發(fā)揮重要作用。

二、分辨率、速度與零件尺寸的平衡

1、分辨率與缺陷檢測(cè)
XCT分辨率的核心在于體素大小，較小的體素能捕捉更精細(xì)的細(xì)節(jié)，但高分辨率掃描會(huì)增加處理時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。信噪比（SNR）也影響缺陷與周圍材料的區(qū)分能力，較大或較致密的部件（如鈦和不銹鋼等材料）會(huì)降低X射線的穿透力，導(dǎo)致對(duì)比度下降。

對(duì)缺陷進(jìn)行各種體素/試樣尺寸掃描 來源：[1]

缺陷的形狀和大小同樣影響檢測(cè)的可靠性。近球形缺陷（如氣體滯留孔隙）在各種分辨率下都較易檢測(cè)，而形狀不規(guī)則的缺陷（如未熔合孔隙）在低分辨率下更難識(shí)別，因?yàn)樗鼈兊木��?xì)特征容易丟失。

2、掃描速度與準(zhǔn)確度
XCT用戶常面臨高分辨率/慢速掃描與低分辨率/快速掃描的選擇，每種方式各有優(yōu)劣：

高分辨率掃描（體素大小通常在3到5微米之間）對(duì)檢測(cè)微小缺陷至關(guān)重要，尤其是在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域，零件失效可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。然而，這種掃描耗時(shí)較長，不適合大批量零件檢測(cè)。

中等分辨率掃描（體素大小在6至10微米之間）在缺陷可見度和掃描速度之間提供了平衡，適用于一般工業(yè)應(yīng)用，這些場景下分辨率的適度降低不會(huì)顯著影響性能。

低分辨率掃描（體素大小超過10微米）適合快速檢測(cè)大型或高產(chǎn)量組件。雖然能有效識(shí)別較大缺陷（如鎖孔和氣孔），但可能遺漏較小或不規(guī)則形狀的缺陷，導(dǎo)致對(duì)零件完整性的評(píng)估過于樂觀，增加使用中的故障風(fēng)險(xiǎn)。

（a）真實(shí)缺陷（b）低分辨率掃描中檢測(cè)到的相應(yīng)實(shí)體（c）基于邊界框的真實(shí)缺陷和低分辨率掃描之間的缺陷匹配（d）考慮缺陷之間的區(qū)域的多邊形化方法 來源：[1]

3、零件尺寸對(duì)XCT效率的影響
小型零件可以快速進(jìn)行高分辨率掃描，而大型零件則面臨掃描時(shí)間、數(shù)據(jù)量和X射線衰減的限制。建議采用針對(duì)性掃描策略，如感興趣區(qū)域（ROI）掃描或分段XCT分析，以保持準(zhǔn)確性而不顯著增加掃描時(shí)間。此外，混合無損檢測(cè)（NDT）方法可作為XCT的補(bǔ)充。例如，超聲波檢測(cè)或熱成像技術(shù)可用于預(yù)篩選，使XCT能夠?qū)Ｗ⒂谛枰�詳�?xì)分析的特定區(qū)域。

三、衡優(yōu)化金屬增材制造XCT的實(shí)用指南
選擇合適的XCT參數(shù)需根據(jù)具體應(yīng)用和缺陷嚴(yán)重程度：
對(duì)于高性能航空航天和醫(yī)療部件，建議體素大小控制在1到5微米之間，X射線能量水平在100到180千伏之間；

對(duì)于一般工業(yè)和工具應(yīng)用，6至10微米的體素大小可在精度和速度之間取得平衡；

在大批量制造和大型AM組件中，通常需要10微米或更大的體素尺寸，X射線能量水平建議在160至225千伏之間。

各種掃描的XCT設(shè)置和采集參數(shù)示意圖 來源：[1]

此外，人工智能（AI）在XCT分析中的應(yīng)用正逐漸興起，通過訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)缺失細(xì)節(jié)，提高低分辨率掃描中的缺陷可見性。

四、案例研究：航空航天AM組件的XCT
在航空航天領(lǐng)域，某關(guān)鍵AISi10Mg部件需要進(jìn)行嚴(yán)格的缺陷檢測(cè)。檢測(cè)團(tuán)隊(duì)采用了多管齊下的策略：首先，針對(duì)易疲勞區(qū)域?qū)嵤㏑OI掃描；其次，對(duì)關(guān)鍵特征采用中等分辨率掃描，對(duì)大塊材料則采用較低分辨率掃描；最后，引入AI圖像增強(qiáng)技術(shù)提升低分辨率區(qū)域的缺陷識(shí)別能力。通過這一系列措施，團(tuán)隊(duì)在保證合理掃描時(shí)間的同時(shí)，成功檢測(cè)出關(guān)鍵缺陷。

XCT圖像處理、缺陷特征提取流程圖 來源：[1]

五、金屬增材的XCT未來趨勢(shì)

XCT技術(shù)的進(jìn)步正在突破現(xiàn)有局限。高速XCT系統(tǒng)的開發(fā)旨在縮短掃描時(shí)間而不犧牲分辨率。AI輔助的XCT檢測(cè)逐漸受到關(guān)注，機(jī)器學(xué)習(xí)模型顯著提升了缺陷檢測(cè)的準(zhǔn)確性�；旌蠠o損檢測(cè)（NDT）方法也日益普及，通過將XCT與激光超聲波和紅外熱成像等技術(shù)結(jié)合，提供更全面的零件質(zhì)量評(píng)估。

總結(jié)而言，優(yōu)化金屬增材制造的XCT需要仔細(xì)權(quán)衡分辨率、掃描速度和零件尺寸。通過結(jié)合使用ROI掃描、分段XCT分析和AI驅(qū)動(dòng)的圖像增強(qiáng)技術(shù)，技術(shù)人員可以在不顯著增加掃描時(shí)間的情況下提高缺陷檢測(cè)率。

參考論文：[1] https://www.nature.com/articles/s41598-025-91608-6