Tomografia computerizzata a raggi X per il controllo

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26/06/2015
Sommario
A.D. 1222
• Introduzione: Tomografia computerizzata industriale
Convegno
Controlli innovativi per la costruzione e la manutenzione
di componenti meccanici ed opere infrastrutturali
Vicenza, 26 giugno 2015
• Potenzialità ed esempi applicativi:
– Metrologia 3D
– Analisi difetti interni
– Analisi assemblati
Tomografia computerizzata a raggi X
per il controllo dimensionale di prodotti meccanici
– Analisi prototipi
–…
• Limiti attuali, errori di misura, accuratezza
Simone Carmignato
Università degli Studi di Padova, DTG
• Conclusioni
[email protected]
Univ. Padova, S. Carmignato
Tomografia computerizzata a raggi X per il controllo dimensionale di prodotti meccanici
#1
#2
Gruppo Tecnologie e sistemi di lavorazione
23 ricercatori:
Laboratori (1600 m2) a
6 docenti,
Padova and Rovigo
2 tecnici,
con apparecchiature
15 dottorandi
allo stato dell’arte.
e post-doc.
5 aree di ricerca.
Polymer processing
Micro-manufacturing
Metrologia dimensionale
Metal forming
#3
Additive manufacturing
Tomografia a raggi X: applicazioni industriali
PND e analisi difetti interni
#4
Origini della tomografia a raggi X
Controllo di assemblati
● 1895: Scoperta dei raggi X
Wilhelm Conrad Röntgen
● 1930: Stratigrafia
Alessandro Vallebona
Analisi materiali (3D)
● 1971: Prima scansione TAC su paziente
Controllo dimensionale 3D
● 1990: CT per prove non distruttive
Godfrey Hounsfield
● 2005: CT per metrologia dimensionale
CT = Computed Tomography
#5
#6
1
26/06/2015
CT industriale: scanner 2D e 3D
Dalla TAC medica al CT industriale
Scanner 2D
Medicale
Industriale
Caratteristiche dei sistemi CT industriali metrologici:
•
•
•
•
Sorgente e detector non ruotano; l’oggetto è su tavola rotante (asse verticale)
Energie elevate: ad es. 200 KeV o 450 KeV
Sorgenti microfocus, risoluzioni micrometriche
Attenzione all’accuratezza e riferibilità delle misure (temperatura, verifica prestazioni, ...)
Scanner 3D
#7
 Detector 1D
 Detector 2D
 Acquisizione lenta: una sezione per giro
 Acquisizione rapida: intero volume
#8
CT: dalla scansione alle ricostruzioni 3D
Processo di elaborazione dati CT
Modello CAD
Oggetto
Difetto
Tomografia
Computerizzata
Sezioni 2D
(livelli di grigio)
Proiezioni radiografiche
Riconstruzione volume 3D
Determinazione superficie
Dati di misura 3D
Nuvola p.ti
Visualizzazione di
difetti (CND)
Modello stl
Prototipazione
Pixels:
Voxels:
Coordinate di
punti sulla
superficie
Confronto
(Controllo dimensionale)
#9
Metrologia dimensionale: Confronto CAD-CT
#11
Reverse
Engineering
Simulazione
#10
Analisi spessore pareti
#12
2
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Analisi assemblati
Analisi dell’usura
• Studio dell’usura di protesi ortopediche
• Misura locale e globale del volume usurato
[mm] -0.50
-0.25
Protesi d’anca
0
+0.05
+0.10
[Carmignato S., CIRP Annals 2011]
#13
#14
Misura del volume di microcavità
Analisi dell’usura
• Studio dell’usura di utensili da taglio
• Confronto tra utensile nuovo e usurato
• Stent coronarici a rilascio di farmaco
500 µm
[Carmignato S., CIRP Annals 2011]
#15
Fibrorinforzati: Analisi orientazione fibre
#17
#16
CT for Additive Manufacturing
#18
3
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CT per l’Additive Manufacturing
• Fase 3: Analisi porosità
Ruoli della CT nella produzione industriale
Esempio: CT per l’Additive Manufacturing (AM)
• Controllo qualità e metrologia dimensionale :
AM
Report
CT

• Sviluppo prodotto e ottimizz. processo:
AM
CT
Esempio AM: Microvalvola in titanio
• Reverse engineering per l’AM:
CT
Object
#19
AM
Ingrandimento
#20
Spot size
Oggetto
Immagine sul
detector
Sorgente raggi X
Detector
Asse
rotante
Oggetto
DSO
DSD
Sorgente
raggi X
Fascio di raggi X
Ingrandimento = DSD / DSO
DSO
DSD
Ingrandimento = DSD / DSO
Spot size
DSD = Distanza Sorgente-Detector
DSO = Distanza Sorgente-Oggetto
#21
#22
Determinazione della superficie
Determinazione della superficie
(valore di soglia)
(valore di soglia)
Valore di soglia crescente
[Fonte: CIRP Keynote 2011]
#23
#24
4
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Beam hardening
Beam hardening
• Radiazione non monocromatica
• Le radiazioni a energia più bassa sono attenuate maggiormente
• Solo i raggi a energia più elevata riescono a penetrare spessori maggiori
• Attenuazione non lineare
Radiazione a bassa energia
Radiazione ad alta energia
Filtrato
Non filtrato
Rimedi:
• Filtraggio
Sorgente
• Correzioni software
Detector
Oggetto
• Sorgenti monocromatiche (Sincrotrone)
#25
#26
Sviluppo di campioni e procedure per la verifica e
il miglioramento dell’accuratezza
Raggi X
Spessore di materiale
Source
(kV)
100 kV
160 kV
225 kV
320 kV
450 kV
Max. thickness (mm)
Alumin.
Steel
Lead
40
8
0.5
100
15
1
150
50
4
250
60
7
350
75
8
CT Tetrahedron
Pan Flute Gauge
Hourglass standard
Maximum material thickness versus power. Given values may
vary 70 mm depending on type of source, frequency, current,
exposer time, etc.) [Source: X-TEK]
#27
Determinazione errori sistematici:
soglia ed errori di scala
#28
Progetto CT Audit
Progetto internazionale coordinato da Università di Padova
 Correzione degli errori di scala impiegando una barra a fori cilindrici
(diametri e interassi tarati):
L
Fattore di scala =
L riferimento (da taratura)
L misurato da CT
L misurato da CT non è influenzato dalla soglia!
‘CT Audit’ è stato il primo confronto internazionale
di sistemi CT per la metrologia dimensionale
 Correzione soglia utilizzando una barra a fori cilindrici (diametri e interassi tarati):
Deviation from calibrated
dimension [mm]
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
-0.05
4000
5000
6000
7000
8000
Threshold lev el
[grey v alues, 16 bit]
9000
10000
Outer feature
Inner feature
CT Audit Workshop – Padova, ottobre 2011.
[Carmignato, AITEM 2007]
#29
#30
5
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CT Audit: Risultati
CT Audit: Partecipanti
Partner con sistemi CT per metrologia dimensionale in Europa, America e Asia.
AIST/NMIJ – National Metrol. Inst. (J),
BAM, Federal Inst. Mater.&Test. (D),
Elettra Sinc. S.C.p.A (I),
Human Tech. Reas. Inst. at AIST (J),
ITC of Tochigi (J),
Katholieke Universiteit Leuven (B),
Nikon Metrology XTek Systems (UK),
Novo Nordisk – Device R&D (DK),
-
Deviation from ref. value [µm]
-
20
Novo Nordisk – DMS (DK),
Pratt&Whitney Austin (USA),
RayScan Technologies GmbH (D),
RWTH Aachen University WZL (D),
Univ. Erlangen – QFM (D),
Univ. Padova (I),
Univ. Zaragoza (E),
Werth Messtechnik GmbH (D).
15
10
5
0
Inner Diameters
-5
Outer Diameters
-10
-15
-20
0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9101011111212131314141515
Participant Number
#31
Incertezza di misura
[Carmignato, CIRP Annals, 2012]
#32
ISO TC 213 WG 10 test study - material influence in CT
 CT Audit
 CIA-CT (DTU): recente confronto su prodotti industriali
Developing new ISO standard on
performance verification of CT systems.
(equivalent to ISO 10360 – CMM)
[De Chiffre, Carmignato et al., CIRP, 2014]
#33
#34
E-mail: [email protected]
Conclusioni
Vantaggi della tomografia:
Grazie!
 Misura tridimensionale e navigabile della struttura interna ed esterna;
Domande?
 Analisi di prodotti assemblati, multi-materiale e materiali compositi;
 Da un’unica scansione: misura dimensionale e controllo non distruttivo;
 Tempi di scansione indipendenti dalla complessità della geometria;
 Consente una forte riduzione dei tempi di sviluppo di nuovi prodotti.
Sfide:
 Riduzione di tempi e costi di scansione;
 Molti parametri influenzano la qualità dei risultati;
 Accuratezza e riferibilità delle misure dimensionali.
#35
#36
6

Tomografia computerizzata a raggi X per il controllo

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