パート1の記事で、人間の目の解像度とCTスキャンの解像度を結びつけました。インターネットで検索してみると、「目の光学的解像度は、せいぜい15lp/mm程度」とありますが、ブログ筆者の私なら7lp/mmとするでしょう。

ISO 19232-5 (EN 462-5 or ASTM E2002) Duplex IQIによるイメージングチェーンの2次元分解能テストでは、16 lp/mmに相当するD15 (32 µm)で20%以上の変調が確認されました。このような高倍率では、ほとんど焦点サイズにしか依存しません。

ASTM E2698の式を用いると、公称60μmの焦点距離と150μmの検出器SRbの最適な倍率は12となります。倍率9でも、30μm（17lp/mm）の分解能に達する可能性があります。ASTM E1695による倍率5.1のCTテストでは、14 lp/mmで10%のMTFを示しました。COMET 450コンパクトバージョンのチューブケースは出射窓枠が大きく、最初のセットアップでは倍率がやや不足しているため、さらに5μmの解像度を示すにはまだ改善の余地があります。

図1: 積層造形銅板冷却装置

今回のブログでは、銅製の3Dプリント部品の結果を紹介したいと思います。このような製造やテストアプリケーションの専門家でなくても、品質検査では、より高い解像度によって、より適切な情報を明らかにすることができることがわかります。
 
図1の部品は、冷却装置を想定しており、平らな部分と円錐形の部分の中を水が流れるようになっています。そのため、水密性を確保する必要がありますが、3Dプリンターでは壁が薄すぎて、プリント中に何か不具合が発生した場合、困難な場合があります。

銅の部分の最も外側の直径は140mmで、上部の円盤の直径は100mmである。ISO 15708 2の表1によると、450kVの電圧と多くのフィルタリングによって、わずか20～25mmの固体銅に90%の制動放射線を吸収させることができます。これと二重厚さの間で、フラットパネル検出器によるCTは問題となり、ノイズと同様にビームハードニングアーチファクトが画像を支配するようになります。

ディスク面をビームに合わせると100mmの銅で放射が遮られるため、ここでも例外ではありません。  MesoFocus管から供給される450 kVという可能な限り高い加速電圧を使用することは、大きな利点であることがわかりました。しかし、平面であるため、材料の厚さはすぐに減少してしまいます。

後に示す単純な連続360°CTの結果のスキャンパラメータは、450 kV、1.5 mm Snフィルタ、100 W、公称100 µmの大焦点スポット、焦点検出器距離900 mm、倍率3.6倍です。試料の半分を0.8Hzで1800回投影して撮影しています。

比較のため、この部品は450 kVのミニフォーカス管でもスキャンされており、こちらも450 kV、2 mm Snフィルター、675 Wです。

図2：公称値と実測値の比較

低解像度のミニフォーカスの結果は、対応するstlファイルとの公称値/実際値の比較や分散分析を行うには十分です。 そこでは、入口と出口付近の部分が許容範囲から大きく外れていることがわかります（図2のピンク）。部品の内部を断面図で見ると（図3）、材料を公称寸法に仕上げ加工することで開くことがわかります。

図3：ミニフォーカスCTスキャンの断面図

F水密性を確保するために、少なくとも1.2mm以上の厚さの構造を推奨されました。私は、鉄の部品をいくつか製造した経験から、もっと薄い壁でも完璧に仕上げることができると知っています。銅の場合は、もっと難しいかもしれません。しかし、ミニフォーカスCTでスキャンしてみると、なぜこの肉厚が必要なのか、まだよくわからないのです。しかし、図4の左側を拡大したものを見ると、微妙にグレーの値が異なる点が均等に分布しているのがわかります。解像度の関係で、これらの欠陥の実際の範囲や深さを見ることはできませんが。少なくとも、ミニフォーカスCTで付加製造部品のクラックを検出できることはわかりました。

図4：ミニフォーカスCTの結果（左側をトリミングした拡大図

メゾフォーカスでは450kVでも高解像度でスキャンできるようになったので、見た目もかなり変わってきます。

図5：左側をトリミング拡大したメゾフォーカスCT結果

小さな印影のほとんどは三次元的に小さく、もしかしたら非溶融金属のために微小なキズが生じたのかもしれません。しかし、中には肉厚の半分を貫く溝があるものもあり（図6参照）、収縮によるアーチファクトである可能性が考えられます。このような深い溝は、機械的なストレスがかかったときに、クラックが発生する可能性があります。

図6: 450 kV メゾフォーカスの深部断面図（物質を貫通する溝が確認）

その結果、表面粗さよりも深いところまで解像度が上がっていることが分かりました。粗さを数値化するのは簡単ではありません。部品と基準面をフィンガーテストすることで分類されることもあります。しかし、積層造形技術でよく見られる内面では、このようなテストは不可能です。

メゾフォーカスでスキャンしたCTボリュームの表面判定では、マイクロスパイクや溝が確認できます。これは、空洞の後に最初の層を構築するために、緩い粉末にレーザー照射することで形成されたものです。ミニフォーカス（公称400 µm焦点）を使用した低解像度CTでは、これらの詳細はイメージングチェーンの不鮮明さによって平滑化されます（図7の左側でサンプルの3D観察と1対1の比較をご覧ください）。

図7：2種類の解像度の比較と内面の表面粗度への影響（挿入面はより小さい領域の高さ分布）

メゾフォーカスの分解能により、ボリュームのボクセル分解能で粗さをサンプリングすることができるようになりました（図7参照）。より小さな領域を測定することができ、分布の標準偏差（この場合は54 µm）または一定の割合（62 µmでは90%）の公差が、粗さの指標となるのです。

これをもちまして、このブログシリーズを終了します。この数週間、私はCTにおけるこの素晴らしい新しいソリューションによって、近々可能になることをお見せしたかったのです。
450kVのメゾフォーカス管は、閉管式X線源において、非常に高いエネルギーと同時に非常に高い解像度を持ち、これまで全く手の届かなかった領域を切り開くことができるのです。また、積層造形技術により、鋼鉄、ニッケル、銅の部品では、安全上問題となる微細な欠陥も可視化できるようになりました。

メリークリスマス、そして健康には十分お気をつけください。
2022年、MesoFocus CTでお会いしましょう。
Daniel Stickler