Zobaczyć niewidzialne – przemysłowa tomografia komputerowa

 

Pomiar geometryczny skomplikowanych kształtów od dawna stanowił wyzwanie dla tradycyjnych metod pomiarowych – nie mówiąc już o badaniach powierzchni ukrytych, np. wymiarów wewnętrznych silnika samochodowego. Do niedawna jedynym sposobem ich przeprowadzania był demontaż całego układu, a następnie złożenie go od nowa. Dziś coraz częściej sięga się po metody tomografii komputerowej – jedynej techniki umożliwiającej nieniszczące badania niewidocznych części maszyn.

Przemysłowa tomografia komputerowa (ang. computed tomography – CT) ma wiele wspólnego z tą stosowaną w medycynie. Z niej się zresztą wywodzi. W odróżnieniu od swojej prekursorki nie jest jednak dedykowana do konkretnej aplikacji, wręcz przeciwnie: dzięki wyposażeniu w elastyczne zespoły pomiarowe oraz zaawansowane oprogramowanie CAD/CAM znajduje zastosowanie zarówno w badaniach pomiarowych i defektoskopii, jak i w projektowaniu modeli CAD, stanowiąc alternatywę dla współrzędnościowych maszyn pomiarowych.

Tomografia, w której lampa jest zbyteczna
Przemysłowe tomografy komputerowe wykorzystują zwykle promieniowanie pochodzące z zewnętrznego względem badanego obiektu źródła. Metoda ta, zwana tomografią transmisyjną (ang. transmission computed tomography – TCT), pozwala na badanie materiałów nieemitujących własnego promieniowania. Natomiast do analizy obiektów radioaktywnych (np. odpadów), które same stanowią źródło promieniotwórcze, wykorzystuje się niekiedy tomografię emisyjną (ang. emission computed tomography – ECT), w której właściwym przedmiotem badania jest rozkład gęstości i aktywności radionuklidu na przekroju odpadu. Zgromadzone dane pomiarowe – po przetworzeniu przez komputer – dostarczają informacji o rodzaju, naturze i strukturze materiału (gęstość), a także rodzaju i postaci składników radioaktywnych (aktywność). Pokrewną metodą analizy radiograficznej jest pozytronowa tomografia emisyjna (popularny PET), w której jako źródło promieniowania wykorzystuje się podaną pacjentowi substancję promieniotwórczą.

 

Od pojedynczej projekcji do obrazu 3D
Tradycyjnie stosowane współrzędnościowe techniki pomiarowe opierają się na tworzeniu geometrycznych modeli analizowanych przedmiotów w oparciu o równoległe badanie ich powierzchni w trzech płaszczyznach: X, Y, Z. Tomografia komputerowa potrafi coś więcej: tworzy dokładne odwzorowanie mierzonego przedmiotu włącznie z powierzchniami niewidocznymi z zewnątrz oraz wadami materiałowymi. Pozwala tym samym na dogłębne przeskanowanie całego elementu bez konieczności rozkładania go na części.

Możliwość taką uzyskano dzięki wykorzystaniu właściwości promieniowania X oraz różnic w poziomie jego absorpcji przez poszczególne materiały. Emitowane przez lampę rentgenowską promienie, przechodząc przez badany obiekt są przez niego częściowo pochłaniane, co prowadzi do osłabienia natężenia wiązki promieniowania adekwatnie do grubości i rodzaju badanego materiału. Owe różnice w natężeniu, rejestrowane przez detektor panelowy znajdujący się po drugiej stronie naświetlanego obiektu, pozwalają na wyznaczenie liniowego współczynnika pochłaniania promieniowania dla każdej jednostki badanej powierzchni, zwanej voxelem (odpowiednik piksela w 3D). Informacja ta, przetworzona następnie na światło widzialne, daje podstawę do stworzenia cząstkowego obrazu badanej struktury, a konkretnie – jego dwuwymiarowej projekcji radiograficznej. Uzyskanie obrazu trójwymiarowego możliwe jest przez nałożenie na siebie od kilkuset do kilku tysięcy podobnych projekcji. Jego rekonstrukcją zajmuje się specjalistyczne oprogramowanie komputerowe, które na podstawie chmury punktów identyfikuje kontury oraz kształt obiektu.

Cztery projekcje na każdy stopień obrotu
Zasada działania tomografów komputerowych jest wspólna dla wszystkich tego typu maszyn – zarówno tych stosowanych w przemyśle, jak i w medycynie oraz innych aplikacjach. Tym, co decyduje o różnorodności ich zastosowań jest z jednej strony wykorzystywany układ projekcji, a z drugiej dostępne oprogramowanie.

W tomografii medycznej badany obiekt (pacjent) jest bowiem ułożony nieruchomo na stole badawczym, a lampa rentgenowska i detektory wykonują obroty wokół jego osi, przeprowadzając serię projekcji pod rożnym kątem. Natomiast w tomografii przemysłowej  lampa i detektory zajmują zazwyczaj stałą pozycję, a elementem ruchomym jest obiekt umiejscowiony na obrotowym stole roboczym. Ruch przedmiotu pozwala na równomierne naświetlanie jego struktury dla każdego stopnia kątowego obrotu (układ ze stożkową wiązką promieniowania) lub dla każdego stopnia kątowego obrotu i poszczególnych punktów ścieżki przemieszczeń wzdłuż osi Z (układ z wiązką równoległą).

W pierwszym przypadku rekonstrukcja trójwymiarowego obrazu realizowana jest z wykorzystaniem transformaty Radona, a uzyskany wynik jest sumą projekcji poszczególnych pozycji obrotowych badanego przedmiotu. W przypadku układu projekcji z wiązką równoległą, w którym lampa z przesłoną emituje płaskie, kierunkowe promieniowanie X, obraz przestrzenny uzyskiwany jest przez połączenie dwóch składowych: ruchu okrężnego i liniowego obiektu, co znacznie wydłuża i komplikuje komputerowy proces przetwarzania danych. Z tego względu oraz z uwagi na wyższy stopień złożoności konstrukcji najczęściej stosowanym obecnie typem układu projekcji jest ten z wiązką stożkową, wyposażony w lampę mikrofocus o napięciu 150-450 kV oraz matrycowy detektor scyntylacyjny o rozdzielczości 1024 × 1024 px odpowiadającej ponad 1 mld voxeli.

Lampy mikro- i nanofocus
Wymienione wyżej parametry głównych zespołów tomografu pozwalają na tworzenie przestrzennych obrazów przedmiotów o średniej i dużej pochłanialności. Stąd też urządzenia tego typu znajdują najczęściej zastosowanie w przemyśle maszynowym, lotniczym, a także w produkcji sprzętu gospodarstwa domowego.

Do pomiarów elementów małych i/lub o niskiej pochłanialności promieniowania X wykorzystywane są specjalne lampy o stosunkowo niewielkiej mocy (15- -20 W), ale dużym powiększeniu i konstrukcji niwelującej wielkość plamki w ognisku. Urządzenia te, zwane lampami nanofocus, wyposażone są standardowo w dodatkowe soczewki powiększające, przesłonę ograniczającą szerokość wiązki promieniowania, a także system skupiający wiązkę.

Precyzja liczona w mikroradianach
Badanie nanostruktur wymaga również zastosowania szczególnie czułych detektorów matrycowych o rozdzielczości nawet 2048 × 2048 px, wysokiej kontrastowości obrazu oraz dużej wydajności detekcji. Tomografy do pomiaru tego typu przedmiotów są zwykle mniejsze (ze względu na mniejszą odległość przedmiotu od lampy i detektorów), a znajdujące się w nich stoły obrotowe mają niewielkie rozmiary i udźwig  do 1 kg. Parametry te sprawiają, że są one szczególnie przydatne np. w badaniach układów elektronicznych.

Coraz częściej jednak małe urządzenia zastępowane są uniwersalnymi tomografami wyposażonymi w dwie lampy rentgenowskie: nano- i mikrofokus. Taka kompilacja sprawia, że maszyny tego typu łączą w sobie bardzo dobrą rozdzielczość z możliwością prześwietlania materiałów o dużej pochłanialności wymagających lamp o największym natężeniu i mocy promieniowania (np. 240 kV/320 W w modelu v | tome | x s firmy GE Pheonix), a tym samym mogą być stosowane w całym szeregu rożnych aplikacji.

Oprócz parametrów lampy i detektorów o precyzji rekonstrukcji obrazu 3D badanego przedmiotu decyduje również dokładność układu pozycjonowania, składającego się ze stołu i prowadnic pozycjonujących stół obrotowy względem źródła promieniowania i detektorów. W przypadku stołu dopuszczalna dokładność waha się w przedziale od kilku do kilkunastu μrad. przy rozdzielczości 0,2-10 μrad. Dla prowadnic wartość ta może być mniejsza i wynosić ok. 0,025 mm przy powtarzalności ± 0,003 mm. Zachowanie wyżej wymienionych przedziałów – przy założeniu odpowiedniego doboru parametrów lampy i detektorów – pozwala na uzyskanie bardzo dokładnych pomiarów o maksymalnym błędzie pomiarowym rzędu pojedynczych μm.

Kolorowe modele odchyłek
Duża dokładność, szybkość i jakość rekonstruowanego obrazu sprawiają co prawda, że tomograf komputerowy może śmiało konkurować ze współrzędnościowymi maszynami pomiarowymi, ale nie stanowią jeszcze o jego przewadze. Tym, co naprawdę wyróżnia CT na tle innych metod pomiarowych jest uniwersalność oraz użyteczność w badaniu zarówno struktur widzialnych, jak i niewidzialnych, stanowiąca pochodną właściwości promieni rentgenowskich oraz zastosowanego oprogramowania. Dedykowane programy komputerowe, dzięki kompatybilności z większością standardowych systemów CAD/CAM, znacznie poszerzają bowiem zakres możliwych zastosowań tomografu, włączając w niego – oprócz standardowej analizy wymiarowej obiektu – także geometrię wymiarów wewnętrznych, analizę odchyłek od modelu CAD, defektoskopię, a nawet inżynierię odwrotną. Zwłaszcza te ostatnie wymagają specjalistycznych programów tworzonych często na potrzeby własne przez producentów tomografów, m.in. firmy Zeiss, Metris Nikon czy Werth Messtechnik. W efekcie oprogramowanie tomografu przemysłowego składa się zwykle z kilku kompatybilnych ze sobą programów: własnych, uniwersalnych (np. VGStudio Max firmy Volume Graphics GmbH) lub ich połączenia.

Wyposażony w rozbudowane funkcje graficzne software jest w stanie z jednej strony tworzyć wierne obrazy 3D badanego materiału, uwzględniające jego wymiary zewnętrzne i wewnętrzne (analiza wymiarowa), a z drugiej strony – dzięki porównaniu z jego modelem CAD – w przejrzysty sposób przedstawiać zmiany wymiarów w stosunku do zadanych parametrów obróbki. Co więcej, pozwala na dokładny pomiar wartości odchyłek oraz ich klasyfikację pod względem stopnia odchylenia od wartości modelowych. Rozbieżności te oznaczane są bezpośrednio na modelu za pomocą rożnych odcieni kolorów (patrz ilustracja poniżej). Taki sposób wizualizacji umożliwia z jednej strony natychmiastową ocenę precyzji wykonania danego obiektu, a z drugiej – dzięki wskazaniu kierunku odchyłki – ułatwia określenie sposobu korekty stwierdzonych błędów.

Od obiektu do modelu CAD
Ta ostatnia funkcja stanowi element łączący operację porównania obrazu z modelem CAD – oferowaną również przez nowoczesne współrzędnościowe maszyny pomiarowe – z elementami defektoskopii, stanowiącej unikatową wartość dodaną CT. Dzięki połączeniu penetrujących właściwości promieniowania X oraz możliwości nowoczesnego oprogramowania komputerowego tomografy pozwalają bowiem na przeprowadzenie niemal każdego rodzaju pomiaru z zakresu szeroko pojętej defektoskopii bez uszczerbku dla badanego obiektu – zarówno dla metali, jak i tworzyw sztucznych. Ich paleta obejmuje zarówno wykrywanie nieciągłości materiału, pęknięć, rozwarstwień, porów, pęcherzyków powietrza i wtrąceń innych pierwiastków, jak i wad montażowych wynikających np. ze zbyt dużej ilości lutu na łączeniach elementów obwodów elektronicznych.

Najbardziej zaawansowaną operacją przeprowadzaną z wykorzystaniem oprogramowania CT jest jednak tzw. inżynieria odwrotna umożliwiająca wtórne stworzenie modelu CAD dla przedmiotów, dla których nie istnieją takie schematy. Funkcja ta ma istotne znaczenie zarówno w procesach produkcyjnych, jak i operacjach prototypowania. Stworzony model CAD jest bowiem wykrywany przez większość standardowych programów CAD/CAM i może być z łatwością powielany, np. na drukarkach 3D. Pozwala to na ulepszanie już istniejących rozwiązań przez modyfikację ich modeli CAD i tworzenie wirtualnych lub drukowalnych prototypów pozbawionych wad swoich pierwowzorów.

Podstawą ich opracowania jest trójwymiarowy obraz danego obiektu stanowiący chmurę punktów. Program najpierw optymalizuje chmurę, filtrując punkty według kryteriów obszaru krzywizny. Pozostałe punkty łączone są w siatkę trójkątów, na bazie której wyznaczane są krawędzie przedmiotu w ujęciu przestrzennym. Etap ten trwa zwykle najdłużej, zwłaszcza w przypadku skomplikowanych kształtów. Powstały w jej efekcie trójwymiarowy model po dalszym wygładzeniu powierzchni może być przesłany do programu obsługującego modele CAD lub zapisany w pamięci komputera.

MM KOMENTARZ
Dariusz Brzozowski, product manager w firmie ITA
Dokonując wyboru tomografu przemysłowego, powinno się zwrócić uwagę na szereg parametrów, które w przyszłości będą stanowiły o przydatności urządzenia. W pierwszej kolejności należy sobie odpowiedzieć na pytanie, jakiego typu – a dokładniej z jakich materiałów – części chcemy skanować. Od odpowiedzi na to pytanie zależy wybór odpowiedniej mocy lampy, czyli niejako całego systemu. Oczywiście, na rynku dostępne są też rozwiązania wyposażone w dwa źródła promieniowania, z których jedno to lampa nanofocus, a drugie to lampa mikrofocus. Kolejne pytanie dotyczy wielkości poszukiwanych wad. Od niej zależy bowiem dobór odpowiedniego modelu maszyny. Wreszcie nie możemy zapominać, że każdy materiał ma określoną pochłanialność niezależną od wielkości samego detalu: nie sztuką jest więc zmieścić przedmiot w komorze, lecz dokonać jego prześwietlenia na wskroś.

Agata Świderska