最初の記事では、人間の目の解像度とCTスキャンの解像度を結び付けて考えました。インターネットで軽く調べたところ、「人間の目の光学解像度は、良くても15 lp/mm程度である」とのことでした。私としては7 lp/mm程度ではないかと考えています。

ISO 19232-5（EN 462-5またはASTM E2002）のデュプレックスIQIを使用したイメージングチェーンの2D解像度テストでは、D15（32 µm）で20%を超える変調が示され、これは16 lp/mmに相当します。このような高倍率では、ほぼ焦点サイズのみに依存します。

ASTM E2698の式を使用すると、公称60 µmの焦点と150 µmの検出器SRbに対する最適倍率は12になります。倍率9であっても、30 µm（17 lp/mm）の解像度に到達する可能性があります。倍率5.1でのASTM E1695に準拠したCTテストでは、14 lp/mmで10%のMTFを示しました。大型の出射窓フレームを備えたCOMET 450コンパクトバージョンのチューブケース構造と、最初のセットアップにおける倍率のわずかな不足により、あと5 µm高い解像度を示すための改善の余地がまだ残されています。

図1：積層造形された銅製冷却デバイス

最後のブログでは、銅で作られた3Dプリント部品の検査結果いくつかをご紹介したいと思います。こうした製造および検査アプリケーションの専門家ではない私でも、品質チェックにおいて高解像度化がより重要な情報をいかに明らかにするかということがわかります。

図1に示されている部品は冷却デバイスであり、内部ではフラットな部分や円錐状の部分の周囲を水が流れる構造になっています。そのため水密性が必要となりますが、肉厚が薄すぎたり、造形プロセスで何らかの不具合が生じたりした場合、3Dプリントではこれが困難になることがあります。

銅製部品の外径の最大部分は140 mmで、上部ディスクの直径は100 mmです。ISO 15708-2の表1によると、450 kVの電圧と多数のフィルタを使用した場合、制動放射の90%はわずか20〜25 mmのソリッド銅によって吸収されます。これを超える厚みからその倍の厚みにかけては、フラットパネル検出器を使用したCTに困難が生じ、ビームハードニングアーチファクトやノイズが画像で支配的になり始めます。

ディスク面がビームに整列した際には、放射線が100 mmの銅によって遮断されるため、例外には当たりません。MesoFocusチューブによって提供される450 kVの最大加速電圧を使用することは、大きな強みであることが判明しました。しかし形状が平坦であるため、材料の厚みは急激に減少します。

後ほど示す通常の連続360°CT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、焦点・検出器間距離900 mm、倍率3.6です。サンプルの一部分のみが、0.8 Hzの1800方向からの投影で撮影されました。

比較のため、この部品は450 kVのミニフォーカスチューブ、同じく450 kV、2 mm Snフィルタ、675 Wでもスキャンされています。

図2：公称・実測値比較

低解像度のミニフォーカスの結果でも、対応するstlファイルとの公称値と実測値の比較や偏差解析を行うには十分です。これにより、入口および出口付近のセクションが公差から大きく外れていることがわかります（図2のピンク色の部分）。部品内部の断面（図3参照）を見ると、材料を公称寸法まで仕上げ加工すると開口してしまうことがわかります。

図3：ミニフォーカスCTスキャンの断面図

水密性を確保するため、推奨されていた構造の肉厚は少なくとも1.2 mmでした。これまでに積層造形されたいくつかの鋼製部品から、さらに薄い壁であっても欠陥がないことは知っています。しかし銅の場合は、それがより困難になる可能性があります。とはいえ、ミニフォーカスCTのスキャンを見ても、なぜこの肉厚が必要なのか私にはまだ理解できません。もっとも、左側に高倍率の切り出し画像がある図4を見ると、わずかに異なる濃淡値を持つ点が均一に分布しているのがわかります。解像度の限界により、これら欠陥の実態や深さを確認することはできません。それでも、ミニフォーカスCTによって積層造形部品の亀裂を検出できることは確認できます。

図4：左側に切り出し拡大画像を表示したミニフォーカスCTの結果

MesoFocusの450 kV仕様で利用可能になった高解像度でこの部品をスキャンした場合、結果は大きく異なります。

図5：左側に切り出し拡大画像を表示したMesoFocus CTの結果

微小な指示兆候のほとんどは三次元すべてにおいて小型であり、最も小さな欠陥は未溶融金属が原因で発生した可能性があります。しかし、中には肉厚の半分を貫通するチャネル状のものもあり（図6参照）、これは収縮に起因するアーチファクトである可能性があります。多くの場合、こうした深いチャネルは、部品に機械的応力が加わった際に亀裂の起点となる可能性があります。

図6：材料を貫通するチャネルを示す450 kV MesoFocusの深さ断面図

私たちが確認した点の1つは、今回の解像度が、このような部品の表面粗さよりもさらに微細な領域まで捉えているということです。表面粗さを定量化することは容易ではありません。部品の表面と基準面を指で触って比較することにより分類されることもありますが、積層造形でよく見られる内部表面に対してこの方法でテストを行うことは不可能です。

MesoFocusでスキャンされたCTボリュームの表面測定により、中空部の後にレーザーが未焼結の粉末に照射されて最初の層を形成した際に生じた微小な突起や溝が明らかになります。公称400 µmの焦点を持つミニフォーカスを使用した低解像度CTでは、イメージングチェーンの不鮮明さにより、こうした詳細が平滑化されてしまいます（サンプルの3D表示と1:1の比較については図7の左側を参照してください）。

図7：2つの異なる解像度の比較と、内部表面の表面粗さに与える影響（インセットは小規模な表面領域の高さ分布）

MesoFocusの解像度を使用することで、ボリュームのボクセル解像度で表面粗さをサンプリングできるようになりました（図7のインセットを参照）。より小さな領域をプローブすることが可能であり、分布の標準偏差（この場合は54 µm）や特定パーセンテージの算出（62 µmにおける90%）が表面粗さの尺度となります。

本ブログシリーズの締めくくりとして、この優れた新しいCTソリューションによって近いうちに何が可能になるのかをご紹介してきました。450 kV MesoFocus管球により、これまで密閉型X線源では到達不可能であった「非常に高いエネルギー」と「極めて高分解能」の領域が切り拓かれます。金で包まれた内部の極小のディテールが可視化されるほか、アディティブマニュファクチャリング（積層造形）によって、スチール、ニッケル、銅部品における、安全上のリスクとなり得るごく小さな欠陥も検出できるようになりました。

楽しいクリスマスをお迎えください。健康にお過ごしください。
MesoFocus CTでお会いしましょう。
Daniel Stickler