3Dプリント金属製品の検査と品質管理：マイクロCT

テキスト/Zaowu 3D
マイクロ CT テスト (X 線 CT) は、3D プリントされた金属製品をテストする方法の 1 つです。その他の方法としては、渦電流テスト、超音波テスト、白色光干渉テスト、非相関光学テストなどがあります。しかし、最近のさまざまな技術の進歩を考慮すると、マイクロ CT は複雑な内部構造や形状を持つ製品の非破壊検査において最大の可能性を秘めています。以下にマイクロ CT の機能について説明します。

マイクロCT（X線CT）は、部品の内部欠陥や複雑な幾何学的形状を非破壊で効果的に測定できる唯一の方法です。渦電流検査では、部品の表面付近の欠陥のみを検出できます。超音波検査は表面に近い単純な形状に適しており、測定できる内部領域は比較的限られています。光学技術と干渉技術では、部品の表面の特徴しか検出できません。干渉技術の解像度はより高い（最大数ナノメートル）のですが、マイクロ CT では、ミクロンレベル、場合によってはミクロンレベル以下（数百ナノメートル程度）の解像度で、部品の内側と外側の表面を一度にスキャンできます。

図 2 CT スキャンでは外部と内部の特徴を検出できます。3D プリントが製造業界に与える影響が増大するにつれて、マイクロ CT への関心も高まっています。コンサルティング会社によると、3Dプリンター（デスクトップ型と産業用機械を含む）への世界の支出は2015年に110億ドルに達し、2019年には270億ドルに達すると予想されている。別の会社であるMarketsand Marketsは、3Dプリンティングの複合年間成長率は30％に達し、その市場規模は2022年に300億米ドルに達すると予測しています。 2016 年 4 月の調査によると、PWC (プライスウォーターハウスクーパース) は、3D プリンティングがアメリカの製造業において新しい時代に入ったと述べています。 2年前と比較すると、今後3～5年以内に3Dプリンティングが大規模な工業生産に使用されると考えている製造業者は増加しています（今年は52％、2014年は38％）。

強度を落とさずに金属部品の重量を減らすために、3D プリントの使用を検討するユーザーが増えています。たとえば、航空製品の重量を減らすと、効率が向上します。安全性が重要視される航空、自動車、エネルギー、医療分野では、製品内部に空隙や介在物があるかどうか、それらの大きさ（個別および全体）と場所を判断する必要があります。さらに、製品の寸法が設計から外れていないかどうかを判断することも重要です。

X 線 CT はこの種の問題に対する非常に強力なツールです。マイクロ CT は、サンプルの完全な 3D 密度マップを提供することで、すべての関連情報を読みやすい視覚的な形式で提供します。

溶接部品は検査が必要ですが、3D プリント部品はどうでしょうか?
従来の溶接プロセスでは、常に製品の品質検査が行われます。金属 3D プリントでは、製品は本質的に大きな溶接部品になります。したがって、ギャップ、包含物、および精度についてテストされないのは完全に不合理です。金属 3D プリントの物理的および化学的プロセスは非常に複雑で、成形チャンバー内で粉末が緩んで不完全に溶けたり、欠陥の位置や特徴がランダムに分布したりするなど、さまざまなリスクが生じる可能性があります。

従来の加工プロセスでは、特定の方向からのX線を数回撮影するだけで、製品の状態を判定できます。しかし、層ごとに積み重ねていく特徴を持つ 3D プリントでは、部品全体を検査する必要があります。これらの部品の構造的完全性をテストする場合、次の問題が主な懸念事項となります。
1) 残留粉末がチャネルを塞ぐ。
2) 欠陥（空隙および介在物） - 気孔、汚染、亀裂。
3) CAD モデルからの寸法偏差 - 寸法解析、壁厚測定、変形。

例えば、SLM 技術を使用して金型を加工しました。マイクロ CT は 3D プリントの内部流路の形態を判定することができ、その精度は必要に応じて 5 ～ 10 ミクロンまで高めることができます。流れと冷却プロセスのシミュレーションを通じて、その精度が要件を満たすのに十分であることが判断できます。

例えば、SLM 技術を使用して金型を加工しました。マイクロ CT は 3D プリントの内部流路の形態を判定することができ、その精度は必要に応じて 5 ～ 10 ミクロンまで高めることができます。流れと冷却プロセスのシミュレーションを通じて、その精度が要件を満たすのに十分であることが判断できます。

CT でスキャンできるサンプルのサイズは、X 線源の材料とエネルギー (通常は kV で測定) に関係します。大型で低エネルギー密度のサンプルもスキャン可能、小型で高エネルギー密度のサンプルもスキャン可能です。一般的な最大標本スキャンサイズは次のとおりです。
1) 225kV - アルミニウム合金ピストンヘッド、ディーゼルエンジン燃料インジェクター。
2) 450kV - アルミニウム合金シリンダーヘッド、航空機タービンブレード。

部品の最大サイズは検出器のサイズによっても制限され、X 線の透過能力にも関係します。物質の密度と原子番号が増加するにつれて減少します。ポリマー材料は鋼鉄よりも貫通しやすく、鋼鉄はタングステンよりも貫通しやすいです。

CTスキャンのケーススタディ 3D プリントされた柔軟な構造の CT スキャン研究により、両方のプロセスの処理能力が実証されました。この研究はポリマー製品を対象に行われましたが、その原理と利点は金属 3D プリントにも同様に適用できます。最初の柔軟な試料は FDM プロセスを使用して処理され、2 番目の試料は SLA プロセスを使用して印刷されました。通常、FDM プロセスと SLA プロセスの印刷解像度はそれぞれ 100 ミクロンと 0.5 ミクロンです。

マイクロ CT スキャンでは、両方の標本の寸法が元の CAD モデルと比較して偏差していることが示されました。テスト結果から、CAD モデルからの偏差は最大 ±0.25 mm になる可能性があり、サンプル 1 の偏差はより大きいことがわかります。同様に、試験片 2 と CAD モデル間の偏差は、試験片表面のエッジまたは鋭い角を除いて、ほとんど ±0.1 mm 以内です。外部検査に加えて、試験片 1 の断面には内部の残留変形が示されています。対照的に、サンプル 2 の薄壁柔軟構造では明らかな変形は発生しませんでした。

マイクロCTの使用ルールと使用条件 高精度マイクロCT技術は過去10年間にわたって発展を続けており、その応用範囲は自動車、航空宇宙、エネルギー、医療、消費財の分野に広がり、金属、プラスチック、その他のワークピース材料に適しています。付属のソフトウェアツールを使用すると、ソリッドと CAD モデルを直接比較するか、形状と偏差を調べることによって、CAD モデルを基準にして部品を分析できます。技術コストが十分に低いレベルまで下がると、マイクロ CT は他の技術よりも競争力が増し、顔の輪郭のより幅広い用途に使用されるようになります。

マイクロ CT の使用原理をより深く理解することは、生産コストの削減と生産効率の向上につながるだけでなく、関連する原理を破ることができるタイミングを理解することで、アプリケーションの柔軟性をさらに高めることにもつながります。マイクロ CT を使用する際の正しいルールは次のとおりです。
1) サンプルをさまざまな角度から送信します。
2) 投影された各画像のノイズを最小限に抑えます。
3) ビームハードニングを軽減するためにフィルターを使用する。
4) 360°回転を頻繁に使用します。
5) 検出器のダイナミックレンジを最大限に活用する。
6) 対象物を視野内に収めます。

X線の基礎
X 線は電磁スペクトルの短波端に位置し、平均波長は 10-8 メートルから 10-12 メートルで、おおよそ水分子の大きさです。マイクロCTでは電波源は使用せず、代わりに電球のような熱いフィラメントによって電子が生成され、高電圧によって光速の80%の速度まで加速されます。電子ビームは磁気レンズによって直径 1 ～ 5 ミクロンのスポットに集束され、金属ターゲットに当たります。電子の急激な減速により、熱エネルギーの 99% 以上と X 線の 1% 未満が生成されます。

電子がターゲットに衝突すると、2 つの原子メカニズムによって X 線が生成されます。
1) 電子のエネルギーが十分に高い場合、金属原子の内部軌道電子をノックアウトすることができ、高エネルギーレベルの電子が低エネルギーレベルに遷移するプロセスによってX線が生成されます。このプロセスにより、特性放射線線と呼ばれることもある、少数の個別の周波数の X 線が生成されます。

2) 制動放射線：陽子数の多い原子の強い電磁場の近くで電子が散乱し、X線が発生します。このタイプのX線は連続スペクトルを持ち、周波数が低下するにつれてX線の強度が増加します。

X 線は物体を直線的に通過し、検出器に当たります。物体はX線の一部を吸収し（密度の高い物体はより多くのX線を吸収します）、残りは検出器に到達します。 X 線エネルギーが低い場合 (60 kV 未満)、検出器までの X 線経路に沿った吸収の差が検出され、シャドウグラムとして表示されます。 X 線のエネルギーが比較的高い場合 (60 ～ 225 kV)、吸収と散乱の両方が発生し、散乱によって画像のコントラストが低下します。 X 線エネルギーが 225 kV を超えると、画像生成の効率は低下しますが、散乱は線形検出器によって検出できます。 300～400 kV を超えるエネルギーでは、散乱が主なコントラストメカニズムになります。つまり、吸収されるX線よりも散乱されるX線の方が多いのです。

アモルファスシリコンフラットパネル検出器には、X 線エネルギーを光に変換して感光ダイオードのアレイに画像化する液晶スクリーンがあり、電子部品によってその画像がコンピューターで読み取り可能になります。これらのパネルは、広範囲のピクセルと最大 16 ビット (64k グレーレベル) の感度を備えています。

検出器の感度は、部品のサイズと X 線源に関係します。一般的な高エネルギー X 線源の多くは、サイズが約 1 mm のミリメートル焦点になっており、検出器に対する画像の解像度が制限されます。高解像度を実現するには非常に小さな検出器が必要であり、幾何学的な拡大は不可能です。ミクロン焦点合わせとは、X 線源のサイズがわずか数ミクロンであることを意味し、これは標準的な医療用検出器で対応でき、幾何学的拡大を使用して画像解像度を向上させることができます。

マイクロCTの概要 X 線の透過力と、ますます強力になるコンピュータのデータ処理能力を組み合わせることで、コンピュータ断層撮影 (CT) の応用が現実のものとなりました。基本的な装置には、X 線源、測定対象物、および検出器が含まれます。オブジェクト回転プラットフォームは、上記のルール 1、4、および 6 の実装を保証します。

1 つのサンプルから何千枚もの写真を作成できます。特定のアルゴリズムに従って、各 2 次元画像の 2 次元ピクセルは、3 次元再構築中にボクセルに変換されます。たとえば、画像が 3,000 枚ある場合、各 3D ボクセルは 3,000 回処理されます。最後に、オブジェクトの 3 次元ボリュームマップを取得します。各ボクセルには独自の位置座標と密度があります。ユーザーは、サンプルの内面と外面に関する情報だけでなく、製品の内部密度分布に関する情報も取得できます。さらに、ソフトウェアを使用して製品の内部断面を観察することで、製品自体を損傷することなく、より多くの情報を得ることができます。

画像の強度はサンプル測定の基礎となります。 CT では、X 線の線形減衰、つまり物質の単位長さあたりに吸収される X 線の量を測定します。残念ながら、CT データに欠陥やアーティファクトが現れ、テスト結果に影響を及ぼす可能性があります。スライス画像ではノイズがシミのように見えますが、X線の量を増やすことでその影響を軽減できます。

投影には非線形検出器ノイズも存在しますが、これは通常、すべての投影で同じ位置にあります。イメージング処理中に、このノイズはリングに再構成され、リングアーティファクトが発生します。参照画像のノイズは、各投影画像を修正するために繰り返し使用されるため、アーティファクトに最も大きな影響を与え、悪影響が増幅されます。黒い領域の信号は弱く、黒い領域の信号対雑音比も小さいため、黒い領域のノイズは白い領域よりも大きな影響を与えます。

回転軸の近くではピクセル数が少ないため、リングアーティファクトはより顕著になります。白黒の参照画像を収集する場合、複数の画像を平均化することでこの影響を軽減できます。

ビームハードニングとは、サンプルが自ら X 線をフィルタリングすることであり、サンプル内のエネルギーが高くなり、透過力が強くなります。このため、試料内部の X 線の線形減衰は端部よりも低くなり、ビーム硬化がさらに増加します。

X 線を事前にフィルタリングするとビーム硬化を軽減でき、CT ソフトウェアである程度ビーム硬化補正を行うこともできます。これは単一材料の試料に最適です。ルール 5 で述べられているように、検出器のダイナミックレンジ全体を使用することが重要です。高ダイナミックレンジの検出器は、信号強度の小さな違いを検出するのに役立ちます。

ストリークアーティファクトは、ビームの硬化または試料への X 線の浸透不良によって発生します。すでに最大エネルギー強度を使用していない限り、X 線強度を上げることで浸透不足を修正できます。

ビームをフィルタリングするか、高ダイナミックレンジ検出器を使用することで、ストリークアーティファクトを軽減できます。 X 線ビームと検出器の位置を揃えて、線源から検出器まで直線的に伝播する放射線のみを検出すると、散乱放射線の影響を軽減できます。

これらのルールに従うと、最良の CT 結果が得られ、ほとんどの状況でうまく機能するはずです。ただし、定性的な情報が必要な場合、またはアーティファクトの影響を受けない情報が必要な場合は、これらのルールを破ることができます。

ルール 1: サンプルをさまざまな角度から送信する。ルール 6: 対象物を視野内に収める。 視界外の素材が均質で規則的な形状であれば、端には小さなリングのみがあり、内部の特徴は簡単に見えるようになります。この場合、内部の観察領域を拡大して、より多くの情報を得ることができます。分析対象の特徴が試料の中心に近い場合、または特徴のサイズが 1 ピクセルよりもはるかに大きい場合は、投影の数を減らしてスキャン速度を上げることができます。

ルール 2: 投影された各画像のノイズを最小限に抑える 時間が限られている場合は、白黒参照のノイズを減らすことで、全体のスキャン時間を大幅に増やすことなく、全体的なノイズ量を減らすことができます。

ルール 5: 検出器のダイナミックレンジを最大限に活用する 密度が非常に低いサンプルを検査する場合、コントラストを高めるために非常に低強度の X 線がよく使用されます。フルダイナミックレンジとは、露出時間が非常に長くなることを意味します。露出時間を半分に短縮すると、失われる情報はごくわずかですが、時間を大幅に節約できます。

結論は
マイクロ CT の使用ルールは CT 再構成理論に基づいており、これらのルールに従うことで最高品質の CT データが得られる可能性が高くなります。ただし、これらのルールを破ることで、画質を大幅に犠牲にすることなく、多くの時間を節約できる場合があります。

マイクロ CT はスキャン速度が大幅に向上し、生産ラインアプリケーションに適したものになりました。さらに、類似部品のスキャンのロードとアンロードのプロセスを自動化することができ、単一部品のスキャン時間を数十秒に短縮することが可能です。ユーザーは以下を入手できます:
1) 金属 3D プリント部品の内部をよりよく観察できます。
2) 製品プロトタイプと製造プロセスの最適化の迅速化
3) 品質管理 - 工場に出入りする製品に対する信頼が高まります。
4) 破壊的なテストを避けることで損失を削減します。

3D プリンティングが製造業界のルールを書き換え続ける中、X 線 CT は非破壊検査を通じて製品の形状偏差や内部欠陥を特定する強力な味方となり得ます。

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