计算机断层扫描，加速航空航天增材制造发展

在进行四维CT扫描时有了新的发现，CT扫描可对内部材料结构随时间推移而发生的移动和破坏进行三维观察。CT扫描还能提供内部和外部特征的计量数据。CT正迅速成为评估关键航空航天产品许多方面的“首选”技术。

北星成像公司研发技术研究员Brett Muehlhauser演讲

Muehlhauser表示，此前他已经利用CT进行了大量研究，以帮助检测、分类和更好地理解在包括增材制造在内的各种制造工艺中发现的不连续性的类型和原因。在进行四维CT扫描时有了新的发现，CT扫描可对内部材料结构随时间推移而发生的移动和破坏进行三维观察。CT扫描还能提供内部和外部特征的计量数据。CT正迅速成为评估关键航空航天产品许多方面的“首选”技术。

问：CT技术如何应用于增材制造？
Muehlhauser：目前，CT在增材制造中的应用涵盖了从研发到失效分析的各个领域。这些应用涉及产品和材料评估、打印工艺开发，甚至增材制造原位监测方法的评估和验证等领域的所有方法和材料。即使是粉末床熔融材料，也可以通过CT对单个粉末的粒度、形状、空隙和异物进行评估。

Sintavia使用尼康微型CT扫描仪，用于增材制造金属粉末检测

问：为什么CT技术与航空航天应用特别相关？
Muehlhauser：航空航天工业正在处理各种问题，从更换老旧飞机上的部件到开发新部件，以支持最新军用飞机的最高性能。在这两个领域，增材制造和计算机断层扫描技术正在携手合作，以满足最困难的需求。

如今，一些老旧飞机需要更换的部件已无法获得，或者其交付周期或成本已超出使用范围。这些零件通常是在只使用二维纸质图纸的时代生产的，例如，几十年前制造这些零件的铸造公司可能已经倒闭。在这种情况下，可以使用计算机断层扫描技术扫描部件甚至整个组件，以提供设备的完整3D模型。

典型的航空航天应用包括复杂的发动机部件、结构部件和替换部件。增材制造技术能以较低的重量生产此类零件，并显著降低生命周期成本。3D打印还可用于优化流程、降低噪音和减少零件数量

该模型可提供分析和3D打印所需的所有内部和外部尺寸。了解产品的材料特性，有助于工程师更好地选择与打印相匹配的的材料特性。然后，可将零件模型放入有限元分析模拟程序，以帮助了解是否需要进一步更改设计，从而确保打印零件可实现最佳性能和可靠性。零件的物理环境测试水平将取决于关键性水平。即使在需要对零件进行铸造替换的情况下，当模具不再可用时，也可将CT扫描生成的模型发送到打印设备上，为投资铸造工艺提供所需的模型。

在新产品开发应用中，增材制造产品设计可以提供新的性能水平，因为它们不再受限于现有的制造能力。在许多情况下，以前由多个部件组成的设计现在只需一个部件就能完成，性能大大提高，尺寸和重量也大大减小。

问：CT技术如何帮助检测、分类和更好地理解各种制造工艺（包括增材制造）中发现的不连续性的类型和原因？
Muehlhauser：在对零件进行典型的二维数字或胶片射线照相时，从零件一侧到另一侧的所有特征和不连续性都会相互叠加。几何形状越复杂，零件越厚，图像解读就越困难。如果没有不同角度的多个视图，就几乎不可能清晰评估显示的位置和真实尺寸。

工业应用中的X射线计算机断层扫描装置示意图

通过计算机断层扫描，可以360度环绕产品拍摄图像。拍摄过程中生成了大量新信息，这些信息经过重建后，可被视为一个三维体积并可从任何方向进行切片。与二维图像相比，大大提高了图像质量，可以非常准确地评估指示物的位置、大小和类型。无论产品是作为铸件、焊接件还是使用增材制造技术生产的，在进行CT扫描时，还可以使用气孔和空隙分析等自动化软件程序以及计量程序对整个部件进行三维评估，以便与部件的CAD模型进行比较。

此外，众所周知，某些增材制造工艺可能会产生构建平面融合的不连续性。这时可以通过建立CT扫描技术将构建平面方向考虑在内，大大提高检测到增材制造不连续性的概率。

问：为什么CT技术成为评估关键航空航天产品的“首选”技术？
Muehlhauser：二十年前，工业CT需要耗时更长的采集过程，而且仅生成一个容积的重建时间就长达八个小时或更长，这种情况并不少见。由于技术和工艺的进步，一些生产CT扫描只需几秒钟就能完成和重建。这为在线和在线检测流程提供了机会。

由于评估的彻底性，对几何形状复杂的部件进行一次CT扫描往往就能取代多个耗时的二维检测视图，同时获得更高的检测概率。此外，还可以用来自同一CT扫描的计量数据取代传统的计量测量。现在，飞行关键金属增材制造零件通常需要使用ASTM E3375进行CT检测，同时应用AWS D20.1的验收标准。