Omni NDE(美國猶他州奧格登)開發了一種機器人層析成像系統，從根本上重塑了CT檢測在大型復合材料結構上的應用方式。該技術摒棄了傳統CT的圓形掃描幾何結構，轉而采用任意機器人路徑，并結合先進的迭代重建算法，從而在米級而非厘米級的結構上實現了5微米的空間分辨率。該方法解決了航空航天復合材料領域的兩個關鍵未滿足需求：一是可視化超聲波無法充分表征的復雜內部粘接界面；二是當傳統無損檢測(NDE-nondestructive evaluation)方法產生模糊結果時，提供具有足夠保真度的二次檢測，以做出接受或拒收的決策。

“當我進入這個領域時，工業CT和射線照相技術比醫學成像落后了大約10到20年，”Omni NDE的創始人兼首席執行官詹姆斯·貝內特(James Bennett)博士解釋道，他在醫學CT掃描儀開發方面的背景為公司的技術發展軌跡提供了指導?！拔覀円庾R到，推動醫學掃描儀發展的創新可以解決復合材料檢測中的根本問題，特別是對于那些根本無法放入現有系統的大型結構?！?/p>

核心方法

Omni NDE的解決方案用層析成像技術取代了旋轉/環形 CT掃描幾何結構。層析成像技術比常規CT早幾十年出現，但工業應用有限。與環形CT圍繞垂直于物體的軸旋轉成像系統不同，層析成像采用針對平面形式優化的平面運動。

用于CFRP檢測的低 X 射線能量(50-150千伏峰值)使得在集裝箱內進行便攜式部署成為可能，其中鋼制墻壁可以提供足夠的輻射屏蔽

“層析成像非常適合掃描平面或準平面結構，”貝內特解釋道。“當你開始處理復合材料和無法放入 CT 掃描儀的大結構時，這種方法非常有利，因為我們可以讓機器人跟隨零件的形狀，同時仍能進行 3D 體積 X 射線檢測。”

根本的創新不在于層析成像本身，而在于將這種幾何結構與機器人驅動及迭代重建算法相結合。傳統的CT重建依賴于從傅里葉切片定理推導出的解析解，該定理將圓形投影數據與三維體積聯系起來。這些閉式解僅適用于特定的幾何軌跡?！爱攷缀诬壽E可以是任意軌跡時，那些方程就不再適用了，”本內特指出。“你必須轉向迭代重建，這使得所謂的任意路徑CT成為可能。”

迭代重建將CT視為一個優化問題，而非解析解。該算法從3D體積的初始估計開始，對該估計進行前向投影以生成合成X射線圖像，將這些模擬圖像與實際采集的投影進行比較，并迭代更新體積估計以最小化差異。這種方法計算量大，但得益于現代GPU硬件的支持，允許任意的源探測器幾何結構，不受解析要求的限制。

對于平面復合結構，Omni NDE采用一種光柵掃描模式，其中源機器人和探測器機器人在部件上來回移動。部件保持靜止?！皰呙杌旧峡梢詳U展到部件的任何尺寸，”貝內特強調?！拔覀兛梢詫⑾到y安裝在任何尺寸的機器人上，如果需要，還可以將機器人安裝在軌道上?！?/p>

這種近乎無限的幾何范圍提供了兩個關鍵優勢。首先，對于復合材料而言，穿透深度本質上是無限的。傾斜角度確保無論面板尺寸如何，X射線始終能穿過可管理的材料厚度。其次，感興趣區域的掃描變得極其簡單。與必須圍繞整個物體獲取完整數據集的傳統CT不同，層析成像可以將計算和采集資源集中在特定的可疑區域?！叭绻幸粋€特定區域，比如機翼蒙皮壁板受到撞擊，你可以掃描這個區域，沒問題，因為我們不需要旋轉零件，”貝內特解釋道。

簡化的軟件界面在配備Nvidia顯卡的標準Windows工作站上，提供了機器人定位的實時3D可視化和自動掃描路徑規劃功能。

Omni NDE與德國軟件公司Voxray GmbH(德國紐倫堡)的合作對于重建質量至關重要?！斑@些人來自計算機視覺領域，而非傳統的CT領域，”貝內特指出?！八麄儺敃r正在研究計算機視覺領域的一個問題，他們的博士導師建議，如果將物體設置為半透明，該方法或許可以應用于CT。與Omni NDE的內部算法相比，他們在重建質量上遙遙領先。因此，我們選擇了與他們合作?！?/p>

技術實現

Omni NDE的系統將協作機器人、微焦點X射線源、數字探測器面板和GPU加速重建軟件集成到一個可部署于飛機機庫或制造設施的移動平臺上?；A配置將機器人安裝在地板板上，提供12英尺的掃描寬度。擴展配置將機器人放置在線性導軌上，可實現幾乎無限的行程。

用于碳纖維增強聚合物(CFRP)檢測的X射線參數運行在50-150千伏峰值范圍內?！拔覀兛梢岳眉b箱中的鋼材在低水平下屏蔽X射線，”貝內特解釋道?！暗湍芰啃枨笤从趶秃喜牧吓c金屬相比固有的低密度，這使其高效，不像金屬那樣需要強大的X射線源和各種屏蔽?！?/p>

這種低能量操作除了降低裝備成本外，還提供了實際優勢。復合材料檢測的輻射安全要求涉及較大的隔離區，而非專門的混凝土/鉛制屏蔽室。這使得在飛機機庫等場所進行現場部署成為可能。此外，以最小功率運行時，放射源的使用壽命會顯著延長，從而降低消耗品成本。

通過激光表面輪廓測量法對機器人與樣品進行幾何標定。這些表面數據為后續的X射線掃描建立了坐標參考系，并能生成機器人路徑，確保在曲面或不規則幾何形狀上保持一致的離距。該系統可導入CAD模型以輔助路徑規劃，不過貝內特指出“復合材料從不與CAD模型完全一致”，因此直接進行表面掃描通常更為理想。

層析成像細節揭示了接合面的不連續性和粘合劑幾何形狀，這些特征可能不會以超聲檢測方法可探測的密度變化形式存在。

軟件界面呈現了一種刻意簡化的工作流程。“我們簡化了使CT變得復雜的諸多細節，使得只接觸過二維射線照相的人也能輕松上手并熟練使用，”貝內特解釋道。重建處理在采集階段自動進行，因此掃描完成后，最終的3D體數據即可用于交互式可視化。渲染引擎提供多種顯示模式，包括傳統的切片視圖、最大強度投影和體繪制，這些模式能以與電子顯微鏡相似的清晰度揭示內部結構。  

硬件要求依然不高：配備Nvidia顯卡的Windows工作站即可滿足最低配置。“我用來做這件事的機器只是一臺普通的工作站，配了一塊Nvidia RTX A5000，”貝內特指出?！半m然高端數據中心GPU并非必需，但重建速度會隨GPU性能的提升而加快?！?/p>

性能驗證

為了演示,Omni NDE測試了一塊 2 英尺 × 2 英尺的蜂窩芯CFRP復合材料夾層板，該板通過錘擊故意造成損傷，形成了代表工具掉落或搬運損傷的典型分層、芯材壓潰和纖維斷裂。掃描采用光柵掃描模式，X 射線源安裝在一個協作機器人臂上，數字探測器面板安裝在相對的另一個協作機器人臂上。

檢測流程包含兩次掃描：首先是對整個2平方英尺區域進行的全區域普查，分辨率為100微米，采用50千伏峰值、4瓦功率，耗時65分鐘；隨后是對9平方厘米撞擊區域進行的感興趣區域掃描，分辨率為12微米，額外耗時35分鐘。

100微米分辨率掃描的結果顯示了所有蜂窩狀單元，包括40微米厚的鋁隔板。沖擊損傷呈現出明顯的芯材壓碎和變形模式，粘合劑與單元壁接觸處的粘接角也清晰可見。

進一步進行12微米感興趣區域掃描，揭示了接近此類幾何形狀X射線成像理論分辨率極限的特征。直徑通常為5-7微米的單根碳纖維束成為可見的獨立元素。沖擊造成的纖維斷裂表現為離散的斷裂絲束，而非無定形的損傷區域。

12微米分辨率的體繪制揭示了沖擊損傷導致的單根碳纖維斷裂、蜂窩芯壓潰以及變形模式。

薄型CFRP面板中的孔隙表現為具有可測量形狀的明顯空洞。該系統能夠根據形狀區分層內圓形空洞和層間拉長的空洞。對材料進行切片觀察，可以揭示空洞在層界面處的形狀變化，這可能表明制造工藝存在差異?！凹词故菍訅喊鍍炔课⑿〉臍馀莼蚩斩匆材芸吹靡?，”貝內特解釋道，“我們能非常清晰地看到每一層內部的情況?！?         
粘接線中的粘合載體織物呈現出清晰的交叉網格圖案，而粘合層中的孔隙在幾乎所有尺度上都清晰可見。與既定參考標準的驗證表明，該系統能夠檢測碳纖維增強塑料層壓板中直徑小至10微米的空隙，其對比度靈敏度可識別樹脂富集區域2-3%的密度變化?？臻g分辨率測量是通過專用圖像質量指示器(IQI- image quality indicator)體模進行的—這是一種具有已知材料和結構的物理物體，通過CT機掃描以評估和監測其性能，測量分辨率—結果證實，在最佳條件下其分辨能力可達5微米，盡管在最大掃描范圍時會降至10-15微米。

層析成像細節顯示了受損區域鋁蜂窩芯與CFRP面板之間膠接層的粘合劑圓角幾何形狀、載體織物的交叉花紋圖案以及單個空隙。

對于膠接層檢測，該系統能有效顯示復合材料與復合材料接頭(包括芯材拼接處)的粘合劑分布情況，而傳統超聲技術在表征能力上存在局限性。

“如果你真的想看清粘合劑在膠接或芯材拼接處是否實際連接，沒有其他方法能做到這一點，”貝內特表示。“全球航空航天客戶專門為了這項功能采購了我們的系統。”

行業影響

Omni NDE的層析成像系統使航空航天工程師能夠可視化實際的缺陷復合材料形態，并據此做出明智的接收/拒收決策，而不是依賴可能模棱兩可的超聲指示，或進行破壞性測試并報廢昂貴的部件。

分層感興趣區域掃描檢測策略在吞吐量與保真度之間實現了平衡。隱形航空航天結構在復雜內部特征的應用中尤為突出，這些特征需要精確的幾何控制，而基于表面的無損檢測方法無法對其進行驗證。“當我們進入國防領域，開始討論具有更復雜內部結構的隱形結構時，這一點變得至關重要，”貝內特指出。