從設計到生產，CT 檢測在增材製造工藝鏈中發揮什麼作用？

檢測對於增材製造行業的作用在逐漸顯現，不僅是檢測的價值還有大資料的價值，這對於產品

從質量管理

（輸入端的原材料，加工過程，加工結果，後處理的最終產品）到

對工藝的理解和提升

（透過資料相關性的分析，人工智慧對檢測以及其他資料的處理），再到

後期的認證

（怎麼透過航空，汽車等領域的各種認證），檢測正在發揮增材製造的生命線的作用。

工業計算機斷層掃描（CT）是一種無損檢測（NDT）技術。許多增材製造使用者已採用工業CT 技術對3D列印零件進行無損檢測。在本期文章中，3D科學谷將透過工業CT系統製造商YXLON 對增材製造CT 檢測在增材製造整個工藝鏈中的發展洞見，來感受檢測技術所發揮的生命線作用。

混合部件的系統孔隙率，該部件由金屬鑄造的底座和上方增材製造兩部分構成。CT 掃描提供了對兩種不同工藝製造的金屬相互依存關係的深刻見解，這些工藝可被相應地調整，從而消除導致孔隙的根本原因。

Fraunhofer IWS研究所/YXLON

增材製造工藝中的CT 檢測技術

如今，快速發展的增材製造技術以製造複雜結構的能力改變著工程師們思考產品設計的方式。對於高要求的功能零部件，粉末床鐳射熔化（L-PBF）成為目前最主要的金屬增材製造技術。近兩年，以粘結劑噴射技術（BJT）為代表的間接金屬3D列印技術，透過大幅降低成本來開發新應用，提高了製造使用者對3D列印技術的期望值。

在傳統制造模式下，產品的設計受限於製造技術。而增材製造技術將生產設計帶到了新的水平，可生產更復雜的形狀和內部特徵，製造功能整合的一體化零部件，減少了對於零件組裝的需求。在新模式下，設計開始推動生產。

增材製造的主要優勢之一是實現複雜設計。然而，這種設計自由度極可能伴隨著妥協，因為越是錯綜複雜的結構越難進行質量檢查。這是CT掃描這樣的無損檢測技術的用武之地。

CT 掃描可生成三維體密度圖。三維（3D）體是由大量二維（2D） X射線影象重建產生的。許多 2D 投影影象可以透過強大的軟體進行組合，以生成幾乎任何零件、物件或產品的三維體。這一技術對於增材製造零件檢測與質量評估方面是非常重要的，因為CT 掃描技術可以在不損壞零件的情況下，檢測內部結構，而具有內部複雜結構是很多增材製造零件的特點及有別於傳統零件的優勢。

CT 已被增材製造工廠廣泛作為一種無損檢測工具，但是從增材製造整個工藝鏈來看，CT 掃描可以提供更多有價值的資料與資訊，在整個增材製造工藝過程中提供幫助，包括對零件和原型進行無損檢測以及進行研發工作。在進行模擬模擬時使用CT 掃描資料能夠幫助驗證工程設計和效能，從而保證零件適合其用途，併為設計概念符合預期提供證據。

此外，CT掃描的高階資料有助於高效進行分析與快速的程式設計。設計工程師處在一個對時間要求高的工作環境中，快速、準確的資料是至關重要的。CT掃描的大部分檢測報告可在收到物品的同一天完成。

線上監測資料與 3D 列印支架CT 掃描資料對比圖。CT 有助於將監測資料與實際零件質量引數相關聯。

Fraunhofer IAPT 研究所/YXLON

CT 作為質量保證工具的優勢

CT 掃描能夠幫助製造商解決增材製造商面臨最具挑戰性的無損檢測問題。一些來自粉末床熔融金屬增材製造工藝的典型缺陷，例如孔隙率、缺乏融合、球化（來自液態金屬的表面張力）、過度的表面粗糙度和微觀結構問題都可以透過 CT 檢測到。而識別出這些問題則能夠減少時間，提高生產力。

另外，對於增材製造而言，檢視零件內部結構的能力至關重要。用於工業CT掃描的軟體程式支援從CT資料集中進行測量渲染。

增材製造零件的其他檢測挑戰，包括密度變化、嵌入特徵、有機部件設計、異種金屬或材料和表面光潔度，CT 掃描能夠在有限的時間內掃描並解決這些問題。增材製造使用者能夠以不損壞零件的方式，對零件內部進行視覺化。

用於火箭發動機試驗檯的增材製造測量探頭

RSC Engineering GmbH/YXLON

助力產品研發，最佳化製造工藝

隨著CT 掃描在增材製造領域應用的深入，其作用開始從工藝鏈後端的零件製造階段向工藝鏈的前端延伸，即從作為一種製造後的質量檢測工具，向早期產品研發階段的資訊工具延伸。

設計工程師如果需要了解一個設計在後續的生產中表現如何，則需從最開始進行準備。設計工程師在開發過程中面臨的最大挑戰之一是確保最終部件具有良好的效能。從材料科學的角度來看，這可能是增材製造的最大挑戰。以粉末床金屬3D列印為例，粉末材料的不完全燒結，殘餘應力都可能導致零件出現內部缺陷。

相對而言，增材製造仍是一種較新的製造技術，研究人員仍在努力瞭解它的許多不同方面，比如說不同材料如何一起工作，以及如何降低最終零件的缺陷。工業 CT 可作為資料工具，使用者可以測試材料並事先進行材料模擬。這將解決許多這些問題並最佳化製造工藝。從中獲得的資訊從 CT 資料可以有效地轉移到工廠生產線，降低成本、風險和製造時間。

直升機曲柄仿生設計

利勃海爾航空/YXLON

以直升機增材製造曲柄為例，該設計目的是減少原始設計的重量，增加扭轉和彎曲剛度。面向增材製造的設計，很好地表明瞭金屬3D列印在零件最佳化上帶來的可能性。但是僅靠二維的X 射線技術無法獲得這一設計的內部結構及檢測和衡量其質量。而此時CT 檢測資料可用來判斷設計的完整性是否有在產品原型過程中受到影響。

在設計中，使用 CT 作為資料工具將在以下環節中發揮作用，使增材製造生產過程更順暢：

概念證明

-CT掃描資料模擬有助於驗證當使用最終列印引數完成開發和生產時，設計是否將能夠正常執行並達到預期的效果。

設計驗證

-CT 還可以在預期或指定的操作條件下模擬和確定設計的有效性，以適應其預期目的。

測量

-CT 掃描技術的一大進步當屬在單個步驟中，進行零件掃描和計量測量。這在產品研發階段很重要，因為在單一步驟中完成這些任務所帶來的時間節省是明顯的。CT 掃描資料可與CAD 模型進行比較，兩個CT掃描資料之間也可以進行比較，這有助於確保生產精度。

機械模擬

-模擬可以幫助預測所使用的原材料是否會按照零件設計所預期的方式發生反應。機械模擬（FEM 模擬）既可使用CT 資料豐富計算 CAD 模型的方式來執行，也可以進使用CT 資料來執行。工程師可以模擬失效或缺陷，這在研發階段是非常重要的。在設計的早期發現零件存在的缺陷，相比後面再發現問題，將節省時間與成本。現在，業界已研發出一套能將CT影象資料轉換成有限元模型的流程，可用於預測成品部件的機械特性。

原材料的差異

-原材料的差異會導致最終產品的質量下降。粉末不同的晶粒尺寸會導致缺陷，例如作為分層而內部的孔隙/氣體包裹體顆粒會在成品中產生空隙或缺陷。

表面處理

-CT 掃描技術可以使工程師看到零件內表面的粗糙度，以便對精加工質量做出假設。

增材製造樣件：零件內部殘餘應力導致裂紋

Fraunhofer IWS / AGENT-3D e。V。/YXLON

殘餘應力

-在某些增材製造過程中，零件會因構建過程的加熱和冷卻而反覆膨脹和收縮。這種反覆加熱和冷卻會導致殘餘應力，結果表現為裂紋，翹曲和其他形式的變形。開發階段的 CT 分析可以為最終設計中使用的材料，以及應避免使用什麼或做什麼提供有用的資訊。

微觀結構不均勻性和各向異性

-增材製造工藝提供了建立具有複雜形狀金屬零件的能力。然而，這些過程的複雜、不均勻的溫度歷史導致材料具有複雜的各向異性微觀結構。

密度變化

-衡量增材製造零件質量的引數之一是密度，因為它會影響產品的機械強度。其他方法肯定可以提供有關被測部件密度的準確資訊，而 CT 允許工程師更深入地分析零件內哪裡的密度變化占主導地位。這有助於瞭解和調整生產過程，並可以揭示最終產品中的潛在弱點。

CT 與軟體技術相結合，為使用 CAD 對複雜幾何形狀進行高效分析協助選擇基於

關鍵特徵的資料

提供了工具。選擇關鍵特徵分析資料的能力，有助於改進和驗證複雜零件製造新工藝。

除了檢查和質量控制之外，CT 掃描還可以幫助進行逆向工程。使用CT 掃描，工程師可以檢視內部幾何結構和材料密度。這些 CT 掃描收集的資料使瞭解特定零件的功能或是否滿足必要的規格變得更加簡單。

基於CT 掃描資料，還可對3D列印零件的 CAD模型進行預測試和驗證。

發展中的工業CT 技術

雖然以CT 為代表的無損檢測技術發揮著生命線的作用，但僅憑著檢測所獲得的資料是遠遠不夠的，資料是死的，需要有演算法來挖掘資料的價值。基於資料可以構建加工過程引數最佳化，可以透過系統研究不同引數設定對所需結果（孔隙率，表面光潔度等）的影響來完成。當然，要實現透過檢測資料提高對工藝的控制，還有很長的路要走。在3D科學谷看來，這其中不僅僅包括基於大資料的演算法能力的挑戰，還包括對檢測技術精確度和速度的挑戰。利好的是，根據YXLON的洞見，CT 檢測技術在精度和速度方面的都獲得了發展。

人們普遍認為 CT 掃描太慢了。不過，在過去幾年中 CT 掃描設計和技術的進步已經提升了CT 掃描的速度，如今CT掃描裝置在提高速度和效率方面取得了長足的進步。過去需要數天或數週才能完成的工作，現在可以在幾分鐘或幾小時內完成。此外，嚴格的設計和生產標準使系統能夠經受住大量使用的嚴酷考驗。

CT 掃描解析度也得到了顯著提高，許多掃描裝置解析度達個位數微米範圍，能夠檢測到零件中的微小缺陷。與過去的設計相比，這是向前邁出的一大步。

除此之外，CT 軟體也變得更易於使用，具有改進的工作流程設計和先進的協議，使重建更快更好。過去， CT 軟體和整體系統複雜性需要具有高學歷的員工來操作，而今天的 CT 系統可以由實驗室或車間的技術人員操作，使其成為實際使用中更加經濟的工具。由於CT專業人士和增材製造專業人士都從切片、零件方向和 3D 空間方面進行思考，因此他們有很多共同點。

增材製造從業人士對CT 技術有一個常見誤解是 CT 不能進行計量。過去的確可能如此，但現階段CT 技術已經有了新的變化，可在同一臺設計上同時進行無損檢測和計量。

在過去幾年中，CT 掃描器的價格也在降低。計算機斷層掃描檢測系統有許多不同的配置，在進行投資時可根據生產需求和預算做出選擇。即使沒有足夠的需求購買自己的裝置，仍可以透過第三方服務受益於CT 計算機斷層掃描技術增材製造工藝鏈帶來的價值。

透過以上資訊，我們可以看到，CT 檢測技術能夠在增材製造零件設計早期階段就開始發揮作用，CT 掃描資料將使工程師、設計師、研究人員、科學家和任何對增材製造零件設計感興趣的人以視覺化的方式，對其工作物件進行審視，在整個增材製造工藝鏈中發揮作用。

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