titNaše tomografické laboratoře již od roku 2012 úzce spolupracuje zejména s odvětvím automotive. Účastníme se různých mezinárodních vědeckých projektů.


Za zmínku stojí například výzkum vývoje embryí realizovaný ve spolupráci s Institutem Karolinska ve Stockholmu.

 

Představení laboratoře
Pro většinu měření je využíván tomograf GE phoenix v|tome|x L240 s dosažitelnou velikostí voxelu až 1 μm. Dále formou sdílených laboratoří používáme přístroj GE phoenix v|tome|x m300 s vyšším urychlovacím napětím ve výzkumném centru AdMas, které je rovněž součástí VUT, a také další GE phoenix v|tome|x L240 v Akademii věd v Banské Bystrici. Výčet našeho vybavení prozatím uzavírá nano tomograf Rigaku nano3DX s dosažitelnou velikostí voxelu až 270 nm.
Větší počet přístrojů nám kromě větší kapacity umožňuje také adresování měření vždy na ten nejvhodnější z nich.
Primárním softwarem pro práci s CT daty je pro nás software VGStudio MAX 3.1, který je certifikován německým metrologickým institutem PTB. Kromě pěti licencí tohoto programu dále využíváme též softwary Avizo, Mavi nebo Pore3D.
Kromě samotného rozměrového měření, kterému se podrobněji věnují následující strany, umožňují tomografická data realizovat mnoho dalších nedestruktivních analýz. Mezi nejpoužívanější patří objemová analýza pórů či inkluzí, případně obdobná analýza realizovaná v konkrétních tomografických řezech dle průmyslových standardů P201/VW 50097.
Dalšími možnostmi mohou být například analýza tloušťky stěn, srovnání s nominálním modelem (CAD) nebo analýza orientace vláken v kompozitech. Nové analyzační moduly VGStudia umožňují mimo jiné také počítat pevnost vzorku v tahu nebo tlaku, kdy jsou do výpočtu zohledněny i detekované vnitřní vady materiálu.

obr1
Obr. 1: Vnitřní prostor tomografu GE phoenix v|tome|x L240. Vlevo čtvercový detektor rentgenového záření o straně 40 cm (2024 px), vpravo dvě rentgenové trubice.

 

Využití CT v metrologii
Rozvoj rentgenové počítačové tomografie v současnosti umožňuje její využití i v přesném měření rozměrů. Mezinárodní standardy popisující využití CT v metrologii se stále vyvíjejí, např. německá řada norem VDI/VDE 2630[1].
Oproti optickým nebo dotykovým souřadnicovým měřicím přístrojům nabízí počítačová tomografie několik výhod. Zásadní je schopnost měření rozměrů vnějších i vnitřních struktur součástí bez jejich nutné demontáže nebo destrukce. Tato schopnost nabývá na významu s rozvojem 3D tisku, který umožňuje výrobu součástí s komplikovanou vnitřní strukturou, nedosažitelnou konvenčními metodami.
Zásadní omezení při měření představují rozměry a hustota měřeného předmětu, neboť rentgenové záření má omezené schopnosti průchodu materiálem. Naměřená data lze jednoduše vizualizovat a provádět různé analýzy i po delší době, není nutné vzorek uchovávat a opakovaně měřit. CT měření nejsou oproti dotykovým měřením zatížena chybami z deformace materiálu silovým působením, lze tak měřit i velice lehké a měkké materiály. Dotyková CMM však ve většině případů stále nabízejí lepší přesnost a preciznost při měření vnějších struktur a hůře prozářitelných součástí.
Samotné měření na CT je ovlivněno mnoha různými faktory, které popisuje obr. 2. V tomografických datech se objevují obrazové artefakty (tvrdnutí svazku, šum, kovové artefakty, …), které mohou zásadně zhoršovat možnosti analýzy.

obr2
Obr. 2: Schéma ukazující faktory ovlivňující tomografické měření

 

Negativní vlivy znemožňují při měření fyzikální veličiny získat její přesnou hodnotu. Proto je nutné k výsledku měření vždy přiřadit nejistotu. Podle definice je nejistota měření základným parametrem výsledku měření, charakterizujícím rozsah hodnot, které je možné měřené veličině racionálně přiřadit. Určování nejistot CT měření je vzhledem k velkému množství ovlivňujících faktorů poměrně problematické. Používají se tři základní metody, případně jejich kombinace.

Analytické metody
Jedním ze základních dokumentů popisujících analytické vyhodnocování nejistot měření je směrnice GUM. Základem je popsání měření matematickým modelem, měřená veličina je pak popsána jako funkce různých vstupů. Nejistota těchto vstupů pak má za následek nejistotu měřené veličiny, kterou lze spočítat ze zákona šíření nejistot. Pro měření na CT v současnosti neexistuje přesný analytický model, který lze využít pro výpočet nejistoty touto metodou.

Počítačová simulace
Využívají počítačové simulace měření na CT přístroji pomocí Monte Carlo metod. Použití těchto metod popisují dokumenty Suppl. 1 to GUM (JCGM 101:2008), VDI/VDE 2617-7 a ISO/TS15530-4. V současnosti již neexcituje model, který by dostatečně přesně obsáhl všechny fyzikální aspekty tomografického měření. Proto je použití těchto metod zatím limitované.

Experimentální metody
Pro odhad nejistoty se porovnává výsledek většího počtu měření kalibrovaného vzorku na CT s kalibrovanou hodnotou měřené veličiny. Tento přístup popisuje norma VDI/VDE 2630/2.1. [1], která vychází z normy ISO 15530-3 pro určování nejistot měření na souřadnicových měřících přístrojích pomocí kalibrovaných obrobků nebo etalonů.
Experimentální metody zjišťování nejistot nabízí v současnosti nejrelevantnější výsledky. Rozměry vzorku se nejprve naměří konvenčními metodami, většinou na přesných dotykových souřadnicových měřicích přístrojích. Poté se provede několik měření na CT a následná analýza dat. Norma VDI/VDE 2630/2.1 doporučuje k získání dostatečného statistického souboru alespoň 20 měření na CT, což může být časově velmi náročné (měření trvají až několik hodin).

obr3
Obr. 3: Rubinové kuličky používané ke
kalibraci

Metrologická měření v CT laboratoři
Výzkumem na poli využití CT v metrologii, měření a výpočtu nejistot se zabývá mnoho laboratoří po celém světě [3]. Využitím CT v metrologických aplikacích se zabývá i Laboratoř počítačové tomografie na CEITEC VUT.
Ve spolupráci s Českým metrologickým institutem byla laboratoř koncem roku 2016 akreditována dle standardu ČSN EN ISO/IEC 17025 Českým institutem pro akreditaci. Laboratoř je jako první zkušební laboratoř v České republice autorizována provést zkoušku pomocí rentgenové počítačové tomografie.
K metrologickému výkonu byla posouzena metodika kalibrace tomografického měření pro přístroje GE phoenix v|tome|x L240 a GE phoenix v|tome|x m300. Tato metodika využívá metodu korekce systematických chyb pomocí kalibrů v podobě rubínových kuliček. V závislosti na zvoleném postupu se kalibr buď naměří přímo se vzorkem v rámci jednoho tomografického měření, nebo se nasnímá před měřením zkoumaného vzorku, a to v identické pozici. Z naměřených dat se poté analyzuje vzdálenost mezi středy kuliček. Po jejím porovnání s referenční hodnotou se následně zkoriguje velikost voxelu.
Následující obrázky ukazují příklady měření různých součástek na stanici GE phoenix v|tome|x L240. Samotné rozměrové měření nemusí představovat pouze lineární kótu.
Povrch snímaného vzorku může být například proložen různými geometrickými obrazci, jejichž rozměry jsou následně vyhodnoceny, lze měřit jejich tolerance apod.

obr4
Obr. 4: Příklad měření na CT – hliníkový štít elektromotoru:
a) definování válce v ložiskovém uložení
b) měření tolerance válcovitosti ložiskového uložení [2]
obr5
Obr. 5: Měření redukce objektivu:
a) tomografický řez s měřenou hloubkou závitu,
b) vizualizace rozdílů skutečných rozměrů vůči CAD modelu v programu VGStudio MAX,
c) měření geometrických tolerancí v softwaru GOM Inspect [7]

 

Zdroje
[1] VDI/VDE 2630 BLATT 2.1.: Computed tomography in dimensional measurement - Determination of the uncertainty of measurement and the test process suitability of coordinate measurement systems with CT sensors, 2015.
[2] BUDIŠ, Marek: Srovnání možností uplatnění rentgenové mikrotomografie v metrologii s konvenčními přístupy [online]. B. m. [vid. 2018-02-10]. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. Dostupné z: http://hdl.handle.net/11012/24726
[3] CARMIGNATO, Simone: Accuracy of industrial computed tomography measurements: experimental results from an international comparison. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 61(1), 491– 494, 2012.
[4] KRUTH, J. P.; M. BARTSCHER; S. CARMIGNATO; R. SCHMITT; L. DE CHIFFRE a A. WECKENMANN: Computed tomography for dimensional metrology. CIRP Annals, 2011. 60(2), 821 – 842, ISSN 0007-8506.
[5] VILLARRAGA-GÓMEZ, Herminso; ChaBum LEE a Stuart T. SMITH: Dimensional metrology with X-ray CT: A comparison with CMM measurements on internal features and compliant structures. Precision Engineering, 2018. 51, 291 – 307. ISSN 0141-6359.
[6] CARMIGNATO, Simone; Wim DEWULF a Richard LEACH: Industrial X-Ray Computed Tomography. B.m.: Springer, 2017. ISBN 978-3-319-59573-3.
[7] ZIKMUND, T.; BRADA, M.; ZATOČILOVÁ, A.; PETRILAK, M.; KAISER, J.: Kontrola rozměrů redukce objektivu a kamery pomocí rentgenové počítačové tomografie. Jemná mechanika a optika, 2014, roč. 59, č. 6 – 7, s. 186 – 189. ISSN: 0447-6441

TEXT/FOTO: Pavel Blažek, Martin Kareš, CEITEC VUT, Brno