Omni NDE(美国犹他州奥格登)开发了一种机器人层析成像系统，从根本上重塑了CT检测在大型复合材料结构上的应用方式。该技术摒弃了传统CT的圆形扫描几何结构，转而采用任意机器人路径，并结合先进的迭代重建算法，从而在米级而非厘米级的结构上实现了5微米的空间分辨率。该方法解决了航空航天复合材料领域的两个关键未满足需求：一是可视化超声波无法充分表征的复杂内部粘接界面；二是当传统无损检测(NDE-nondestructive evaluation)方法产生模糊结果时，提供具有足够保真度的二次检测，以做出接受或拒收的决策。

“当我进入这个领域时，工业CT和射线照相技术比医学成像落后了大约10到20年，”Omni NDE的创始人兼首席执行官詹姆斯·贝内特(James Bennett)博士解释道，他在医学CT扫描仪开发方面的背景为公司的技术发展轨迹提供了指导。“我们意识到，推动医学扫描仪发展的创新可以解决复合材料检测中的根本问题，特别是对于那些根本无法放入现有系统的大型结构。”

核心方法

Omni NDE的解决方案用层析成像技术取代了旋转/环形 CT扫描几何结构。层析成像技术比常规CT早几十年出现，但工业应用有限。与环形CT围绕垂直于物体的轴旋转成像系统不同，层析成像采用针对平面形式优化的平面运动。

用于CFRP检测的低 X 射线能量(50-150千伏峰值)使得在集装箱内进行便携式部署成为可能，其中钢制墙壁可以提供足够的辐射屏蔽

“层析成像非常适合扫描平面或准平面结构，”贝内特解释道。“当你开始处理复合材料和无法放入 CT 扫描仪的大结构时，这种方法非常有利，因为我们可以让机器人跟随零件的形状，同时仍能进行 3D 体积 X 射线检测。”

根本的创新不在于层析成像本身，而在于将这种几何结构与机器人驱动及迭代重建算法相结合。传统的CT重建依赖于从傅里叶切片定理推导出的解析解，该定理将圆形投影数据与三维体积联系起来。这些闭式解仅适用于特定的几何轨迹。“当几何轨迹可以是任意轨迹时，那些方程就不再适用了，”本内特指出。“你必须转向迭代重建，这使得所谓的任意路径CT成为可能。”

迭代重建将CT视为一个优化问题，而非解析解。该算法从3D体积的初始估计开始，对该估计进行前向投影以生成合成X射线图像，将这些模拟图像与实际采集的投影进行比较，并迭代更新体积估计以最小化差异。这种方法计算量大，但得益于现代GPU硬件的支持，允许任意的源探测器几何结构，不受解析要求的限制。

对于平面复合结构，Omni NDE采用一种光栅扫描模式，其中源机器人和探测器机器人在部件上来回移动。部件保持静止。“扫描基本上可以扩展到部件的任何尺寸，”贝内特强调。“我们可以将系统安装在任何尺寸的机器人上，如果需要，还可以将机器人安装在轨道上。”

这种近乎无限的几何范围提供了两个关键优势。首先，对于复合材料而言，穿透深度本质上是无限的。倾斜角度确保无论面板尺寸如何，X射线始终能穿过可管理的材料厚度。其次，感兴趣区域的扫描变得极其简单。与必须围绕整个物体获取完整数据集的传统CT不同，层析成像可以将计算和采集资源集中在特定的可疑区域。“如果有一个特定区域，比如机翼蒙皮壁板受到撞击，你可以扫描这个区域，没问题，因为我们不需要旋转零件，”贝内特解释道。

简化的软件界面在配备Nvidia显卡的标准Windows工作站上，提供了机器人定位的实时3D可视化和自动扫描路径规划功能。

Omni NDE与德国软件公司Voxray GmbH(德国纽伦堡)的合作对于重建质量至关重要。“这些人来自计算机视觉领域，而非传统的CT领域，”贝内特指出。“他们当时正在研究计算机视觉领域的一个问题，他们的博士导师建议，如果将物体设置为半透明，该方法或许可以应用于CT。与Omni NDE的内部算法相比，他们在重建质量上遥遥领先。因此，我们选择了与他们合作。”

技术实现

Omni NDE的系统将协作机器人、微焦点X射线源、数字探测器面板和GPU加速重建软件集成到一个可部署于飞机机库或制造设施的移动平台上。基础配置将机器人安装在地板板上，提供12英尺的扫描宽度。扩展配置将机器人放置在线性导轨上，可实现几乎无限的行程。

用于碳纤维增强聚合物(CFRP)检测的X射线参数运行在50-150千伏峰值范围内。“我们可以利用集装箱中的钢材在低水平下屏蔽X射线，”贝内特解释道。“低能量需求源于复合材料与金属相比固有的低密度，这使其高效，不像金属那样需要强大的X射线源和各种屏蔽。”

这种低能量操作除了降低装备成本外，还提供了实际优势。复合材料检测的辐射安全要求涉及较大的隔离区，而非专门的混凝土/铅制屏蔽室。这使得在飞机机库等场所进行现场部署成为可能。此外，以最小功率运行时，放射源的使用寿命会显著延长，从而降低消耗品成本。

通过激光表面轮廓测量法对机器人与样品进行几何标定。这些表面数据为后续的X射线扫描建立了坐标参考系，并能生成机器人路径，确保在曲面或不规则几何形状上保持一致的离距。该系统可导入CAD模型以辅助路径规划，不过贝内特指出“复合材料从不与CAD模型完全一致”，因此直接进行表面扫描通常更为理想。

层析成像细节揭示了接合面的不连续性和粘合剂几何形状，这些特征可能不会以超声检测方法可探测的密度变化形式存在。

软件界面呈现了一种刻意简化的工作流程。“我们简化了使CT变得复杂的诸多细节，使得只接触过二维射线照相的人也能轻松上手并熟练使用，”贝内特解释道。重建处理在采集阶段自动进行，因此扫描完成后，最终的3D体数据即可用于交互式可视化。渲染引擎提供多种显示模式，包括传统的切片视图、最大强度投影和体绘制，这些模式能以与电子显微镜相似的清晰度揭示内部结构。  

硬件要求依然不高：配备Nvidia显卡的Windows工作站即可满足最低配置。“我用来做这件事的机器只是一台普通的工作站，配了一块Nvidia RTX A5000，”贝内特指出。“虽然高端数据中心GPU并非必需，但重建速度会随GPU性能的提升而加快。”

性能验证

为了演示,Omni NDE测试了一块 2 英尺 × 2 英尺的蜂窝芯CFRP复合材料夹层板，该板通过锤击故意造成损伤，形成了代表工具掉落或搬运损伤的典型分层、芯材压溃和纤维断裂。扫描采用光栅扫描模式，X 射线源安装在一个协作机器人臂上，数字探测器面板安装在相对的另一个协作机器人臂上。

检测流程包含两次扫描：首先是对整个2平方英尺区域进行的全区域普查，分辨率为100微米，采用50千伏峰值、4瓦功率，耗时65分钟；随后是对9平方厘米撞击区域进行的感兴趣区域扫描，分辨率为12微米，额外耗时35分钟。

100微米分辨率扫描的结果显示了所有蜂窝状单元，包括40微米厚的铝隔板。冲击损伤呈现出明显的芯材压碎和变形模式，粘合剂与单元壁接触处的粘接角也清晰可见。

进一步进行12微米感兴趣区域扫描，揭示了接近此类几何形状X射线成像理论分辨率极限的特征。直径通常为5-7微米的单根碳纤维束成为可见的独立元素。冲击造成的纤维断裂表现为离散的断裂丝束，而非无定形的损伤区域。

12微米分辨率的体绘制揭示了冲击损伤导致的单根碳纤维断裂、蜂窝芯压溃以及变形模式。

薄型CFRP面板中的孔隙表现为具有可测量形状的明显空洞。该系统能够根据形状区分层内圆形空洞和层间拉长的空洞。对材料进行切片观察，可以揭示空洞在层界面处的形状变化，这可能表明制造工艺存在差异。“即使是层压板内部微小的气泡或空洞也能看得见，”贝内特解释道，“我们能非常清晰地看到每一层内部的情况。”          
粘接线中的粘合载体织物呈现出清晰的交叉网格图案，而粘合层中的孔隙在几乎所有尺度上都清晰可见。与既定参考标准的验证表明，该系统能够检测碳纤维增强塑料层压板中直径小至10微米的空隙，其对比度灵敏度可识别树脂富集区域2-3%的密度变化。空间分辨率测量是通过专用图像质量指示器(IQI- image quality indicator)体模进行的—这是一种具有已知材料和结构的物理物体，通过CT机扫描以评估和监测其性能，测量分辨率—结果证实，在最佳条件下其分辨能力可达5微米，尽管在最大扫描范围时会降至10-15微米。

层析成像细节显示了受损区域铝蜂窝芯与CFRP面板之间胶接层的粘合剂圆角几何形状、载体织物的交叉花纹图案以及单个空隙。

对于胶接层检测，该系统能有效显示复合材料与复合材料接头(包括芯材拼接处)的粘合剂分布情况，而传统超声技术在表征能力上存在局限性。

“如果你真的想看清粘合剂在胶接或芯材拼接处是否实际连接，没有其他方法能做到这一点，”贝内特表示。“全球航空航天客户专门为了这项功能采购了我们的系统。”

行业影响

Omni NDE的层析成像系统使航空航天工程师能够可视化实际的缺陷复合材料形态，并据此做出明智的接收/拒收决策，而不是依赖可能模棱两可的超声指示，或进行破坏性测试并报废昂贵的部件。

分层感兴趣区域扫描检测策略在吞吐量与保真度之间实现了平衡。隐形航空航天结构在复杂内部特征的应用中尤为突出，这些特征需要精确的几何控制，而基于表面的无损检测方法无法对其进行验证。“当我们进入国防领域，开始讨论具有更复杂内部结构的隐形结构时，这一点变得至关重要，”贝内特指出。