Průmyslové CT – Řešení pro náročné aplikace

Analýza defektů může být provedena buď pomocí multipozičního 2D příčného řezu, nebo pomocí 3D prostorového pohledu. Kompletní 3D mapování znamená, že CT může být také použito pro nedestruktivní 3D měření výlisků nebo dalších dílů, které nemohou být kontrolovány pomocí běžných souřadnicových měřicích strojů (CMM) z důvodu jejich složité vnitřní geometrie. Samozřejmě, takto lze kontrolovat i komplexnější sestavy z dalších výrobních oblastí.

PRAKTICKÉ VYUŽITÍ V PRŮMYSLU
S úspěchem se tento postup využívá například při průběžné kontrole a ladění procesů ve slévárně hlav motorů v závodě firmy Volkswagen v Hannoveru (zařízení speed|scan atlineCT). Proto má CT četné praktické využití, kdy kromě nedestruktivní kontroly jakosti může být použito pro optimalizaci a snížení času potřebného pro tvorbu prvních vzorků dílů – optimalizaci forem, pro porovnání dílů s CAD modelem nebo v reverzním inženýrství, kde jsou 3D dílčí data využívána k tvorbě třírozměrného CAD modelu.
Plně automatizované snímání a analýza procesů (díky softwaru phoenix datos|x 2.3) znamená, že vytvoření kontrolní zprávy, a to i pro složité součástky, je možné za méně než hodinu.

Obr. 1

Obr. 2

PRINCIP FUNGOVÁNÍ
Základním principem je nasnímání zkoumaného předmětu v rentgenovém záření z mnoha směrů. V průmyslu se převážně setkáváme s rotací předmětu, jak je vidět na obrázku č. 1, označovaného jako snímání v kuželovém svazku (cone beam CT). V lékařské praxi je naopak výhradně používán princip snímání okolo ležícího pacienta, čili snímání po šroubovici (helical CT). Toto řešení pak jako jediná firma na světě přenesla i do průmyslu firma GE v zařízeních speed|scan atlineCT a speed|scan CT 64 (obr. 2). Získané obrovské množství 2D rentgenových snímků (někdy i přes 2 600 pro jeden díl), tvořených jednotlivými body (pixely), je pak pomocí matematických operací zrekonstruováno do 3D modelu. Ten je tvořen voxely (prostorovými body, obrázek č. 3), které mají svůj rozměr a nesou informaci o úrovni šedi v daném místě v prostoru. Rozměr voxelu je určujícím údajem dosažitelného maximálního rozlišení nasnímaného dílu.

FYZIKÁLNÍ OMEZENÍ
Jak je uvedeno v předchozím odstavci, získáváme obraz dílu pomocí průchodu rentgenových paprsků materiálem. I když je pro nás rentgenové záření neviditelné, uplatňují se zde principy, které známe z klasické optiky. Základem je pořídit kvalitní jednotlivé 2D snímky, které budou ostré, a mít co největší rozsah stupňů šedi (co nejširší histogram). Zároveň nebudou ani „přeexponované“ či „podexponované“, a to při různém natočení snímaného dílu. A v neposlední řadě s dostatečným zvětšením, které zajistí co nejmenší velikost voxelu = nejlepší rozlišení.
Základním předpokladem je proto sladit celý řetězec jednotlivých prvků v CT zařízení do ideálně funkčního celku – mechanika, rentgenový zdroj, digitální detektor, řídicí software zařízení atd. Pohlcování rentgenového záření v materiálech je přibližně přímo úměrné postavení prvku v periodické soustavě prvků (čím vyšší protonové číslo, tím více záření pohltí). Na průchod kovovými materiály je proto nutné dodat vyšší energii záření, než u plastů. To pak vede k vytvoření většího ohniska na terčíku trubice a snížení rozlišení. V reálném světě však zkoumáme často i celé sestavy, složené z různých materiálů. Zde je nutno najít kompromisní nastavení, které zajistí dostatečně kvalitní obraz.
Průmyslové CT v současnosti pracují pouze s intenzitou záření zachycenou na detektoru, která je ovlivněna vším výše uvedeným. Proto je výstupem jen různá úroveň šedi, jež může jen nepřímo vypovídat o materiálovém složení. Z toho vyplývá, že pro získání kvalitních výstupů z CT je nutná dlouhodobá zkušenost a získávání dalších znalostí neustálým vzděláváním obsluhy. Pro podrobnější informace můžete využít kontakt na konci článku.

KVALITA OBRAZU PŘEDEVŠÍM
Protože se v rámci CT pracuje s několika převody informace o dílu a konečným zpracováním obrazu, je důležité, jak získáme co nejlepší výsledky. Bohužel, nežijeme v ideálním světě, často snímáme v CT díly, které obsahují kombinace různých materiálů. Případně díly tvořené jedním materiálem, ale s vyšší pohltivostí pro rentgenové záření. A protože i rentgenové záření se umí odrážet (obr. 4), dochází už ke zkreslení informace, která dopadá na plošný detektor. Tuto zkreslenou informaci je možno odstranit za použití řádkového detektoru (obr. 4 vpravo), ale za cenu neúměrného prodloužení snímacího času (na jednu otáčku dílu nezískám objemovou informaci o celém dílu, ale jen v rovině snímání řádkového detektoru).

Obr. 4

Protože jednou získaná nekvalitní obrazová data je možné v následujících krocích zpracování již jen minimálně opravit, přichází GE s novou konstrukcí CT zařízení, doplněnými o funkci scatter|correct. Zde se díky jiné konstrukci detektoru při snímání pořizují navíc korekční data, která se uplatní v následné rekonstrukci obrazu. Dochází tak k určitému prodloužení celkové doby snímaní, která se však vyplatí. Zvláště pokud se má zpracovat série stejných dílů (korekční data stačí pořídit pouze jednou). I v případě snímání jediného kusu se prodloužení času vrátí díky porovnatelným výsledkům se snímáním pomocí řádkového detektoru, ale za zlomek času. Výsledný vliv na kvalitu pořízených dat je zřejmý i z ukázkových snímků jak v řezu, tak i prostoru (výrazně lepší určení povrchu na rozhraní jednotlivých materiálů – ocelový šroub s plastovou podložkou, zašroubovaný v hliníku – obr. 5).

NEDESTRUKTIVNÍ 3D ANALÝZA
Průmyslová výpočetní tomografie udělala během několika posledních let velký pokrok ve stále se zvyšujícím rozlišení a rychlosti zpracování 3D dat. Díky použití až několika GPU (Graphics processing unit) pro rekonstrukci obrazu jsou nyní výsledky z CT k dispozici během několika minut. Trojrozměrné snímání vzorků a možnost vytváření příčných řezů ze všech úhlů otevírá zcela nový, časově úsporný potenciál pro kontrolu kvality v průmyslu. S automatickou analýzou poréznosti (obr. 6) může být například velikost vad zobrazena v tabulce, nebo mohou být póry označeny různými barvami přímo v 3D modelu, čímž indikují kvalitu procesu při výrobě dílů. Trojrozměrné snímání vzorků může být rovněž použito k ověření správné montáže či k určení vzájemné polohy součástí.

Obr. 6

MĚŘENÍ ROZMĚRŮ S VYUŽITÍM CT S VYSOKÝM ROZLIŠENÍM
Kvůli nedosažitelnosti míst a časové náročnosti, či z důvodu velkého množství vnitřních obrysů není možné pro některé díly vyrobené z plastu nebo lehkých slitin (s jinými modely CT i pro náročnější materiály) použít běžné měřicí metody. Skutečnost, že CT poskytuje mimořádně přesné a kompletní 3D zobrazení objektů, otevírá nové pole působnosti, jelikož je vhodné i pro metrologické operace. Je to proto, že na rozdíl od běžných dotekových nebo optických měřicích metod, jsou CT měřicí systémy schopny obsáhnout mimo skryté vady vzorků, jako jsou dutiny a vnitřní praskliny i jinak nedostupná místa pro měření. Kromě toho CT skenuje vysoký počet měřicích bodů, zpravidla se pohybující v řádech od 105 do 106, které pak vyhodnocuje prostřednictvím aplikace statistických metod, a tím dosahuje rozlišení měření obvykle až na úrovni rozměru 1/10 voxelu (voxel = objemový pixel). To znamená, že v závislosti na velikosti objektu je dosaženo přesnosti měření v rozsahu méně než desítky mikrometrů.

PROCES 3D MĚŘENÍ ROZMĚRŮ S VYUŽITÍM CT – SBĚR DAT
Efektivní fyzikální měření se provádí naskenováním řady 2D rentgenových snímků. Proto je vzorek umístěn na přesném žulovém manipulačním systému a během měření se otočí typicky o 360°. 2D obraz je běžně snímán při otočce o <0,5°. Kvalita pořízených dat, a samozřejmě i přesnost všech následných vyhodnocení, je významně ovlivněna ostrostí rentgenových obrazů, která je kromě přesnosti a stability manipulačního zařízení silně závislá na kvalitě rentgenového zdroje a detektoru. Je proto nutno říci, že čím efektivněji CT měřicí systém provede tento první krok, tím je měření přesnější.

REKONSTRUKCE PROSTOROVÉHO OBRAZU
Prostorová data snímaného dílu jsou generována z nezpracovaných dat pomocí číselné metody rekonstrukce filtrované zpětné projekce (obr. 7). Pro dosažení optimálních výsledků měření musí algoritmus rekonstrukce brát v úvahu a opravit fyzikální jevy, jako jsou zesílení rentgenového záření nebo tepelná roztažnost, přítomné během získávání prvotních dat, popsaném v předchozím textu.

GENERACE DAT PRO VYTVÁŘENÍ POVRCHU
Protože získaná objemová data ještě nemají nijak definovaná rozhraní jednotlivých povrchů, je nutné je pro následné měření získat. Povrch může být získáván z objemových dat jako společný ASCII mrak bodů, nebo STL povrch pro import do 3D kontrolního softwaru. Nejspolehlivější metodou je pak práce přímo s objemovými (voxelovými daty), kdy dochází automaticky ke generování ISO povrchu, což zajistí zvláště u drobných dílů s malými radiusy nejpřesnější výsledky. Špičkou v této oblasti jsou softwarová řešení firmy Volume Graphics VGStudioMAX a VGMetrology (s certifikací PTB Německo – ekvivalent ČMI).

HODNOCENÍ A ANALÝZA (VIRTUÁLNÍ SOUŘADNICOVÝ MĚŘICÍ STROJ)
Po získání dat o povrchu vzorku v softwaru pro 3D analýzu mohou být provedeny jednotlivé kroky měření. Tyto kroky zahrnují vyrovnání v prostoru (nejčastěji metodou Best Fit, ideální díky obrovskému množství dat), srovnání nominálních/aktuálních hodnot mezi povrchem a CAD modelem s analýzou odchylek, popřípadě měření pomocí měrového plánu. To je v případě CT často zbytečně časově náročný postup, odpovídající metodologii, nutné při měření na klasickém CMM (souřadnicovém měřicím stroji). Výsledkem srovnání nominálních/aktuálních je přehledný barevný model s vyjádřenými odchylkami na barevné škále (obr. 8). Tento výstup je srozumitelný pro každého a dává celkový obraz o kvalitě provedeného kusu v nejkratším možném čase. Jak platí už léta, a v poslední době tlačené hesly „Just in Time“ ještě více, čas jsou peníze. Za vším jsou samozřejmě čísla, takže je možné získat odchylky zapsané i v klasické tabulkové podobě.

POTVRZENÍ PŘESNOSTI MĚŘENÍ CT
Stejně jako u CMM, i u CT je kladen požadavek na Reliability a Repeatability (spolehlivost a opakovatelnost). U CT však platí mnohem více, že dosažitelná přesnost je ovlivněna mnohem více faktory, než u CMM, jak bylo zmíněno již v úvodu. U CMM trvalo mnoho let, než došlo k vytvoření ISO norem, pokrývajících většinu oblastí měření (stále ještě zbývají určitá místa k dokončení). Každému je jasné, že papírově sebepřesnější CMM nezajistí správné výsledky, pokud se použije nevhodně (např. k měření pružných materiálů, jako třeba guma). U CT vstupuje do hry mnohem více faktorů (materiálové složení dílu, jeho rozměry, celková prostorová geometrie, parametry zdroje rtg záření – trubice + generátor, použitelný výkon pro daný díl, nejmenší možná velikost použitelného ohniska atd.).
V současnosti se mezinárodní ISO normy pro CT teprve připravují (ISO/ TC 213/WG 10). Zatím se vychází z doporučení, která vznikla rozšířením požadavků, známých u CMM na CT v rámci VDI/VDE 2630. Na základě tohoto doporučení se už nyní uvádějí dosažitelné nejistoty měření pro jednotlivé CT modely. Tato uváděná nejistota však nemá žádnou vypovídací hodnotu přímo k měřenému dílu, jak jsme zvyklí například u CMM. Díky množství vlivů – viz. odstavec FYZIKÁLNÍ OMEZENÍ, bohužel platí, že správně vyjádřit nejistotu měření pro konkrétní díl je na CT velmi složité (zvláště, když zatím není žádná mezinárodní norma). Stav bez naměřených hodnot, včetně nejistoty, je z pohledu metrologie jako bych „neměřil“.
Proto vzniklo rozšíření VDI/VDE 2630 2.1, které umožňuje pro konkrétní díl nejistotu určit, ale jen za pomoci opakování měření (minimálně 20 x), při nezměnění všech dalších nastavených parametrů CT. Tento postup je velmi časově náročný a je tak uplatnitelný jen pro sériovou výrobu, kde se vložená práce má šanci vrátit (po získání hodnoty nejistoty měřím další stejné díly za úplně stejných podmínek). Proto se CT díky výši pořizovací hodnoty i provozním nákladům uplatňuje převážně v defektoskopii a pro měření pak tehdy, kdy neexistuje jiná levnější, ekonomicky výhodnější varianta.

TEXT/FOTO DANIEL STRIČEK, PBT ROŽNOV P. R., S. R. O.