Čo ponúka priemyselná počítačová tomografia?

V oblasti defektoskopie, kontroly montážnych celkov, merania rozmerov či spätného inžinierstva vie priemyselná tomografia ponúknuť to, čo je pre iné metódy nemožné. Na siedmych príkladoch sa pokúsime uviesť možnosti analýz, ktoré presvedčia o výhodách tejto technológie.

Priemyselné tomografy ponúkané na trhu majú poväčšine podobnú konštrukciu. Medzi zdrojom rtg žiarenia a detektorom, ktorý premieňa žiarenie na elektrický signál (čiže na informáciu), rotuje meraná súčiastka okolo zvislej osi. Počas jej rotácie sa v jednotlivých krokoch snímajú rtg obrazy, tzv. rentgénogramy. Z týchto obrazov (často niekoľko stoviek) vytvorí rekonštrukčný softvér trojrozmerný model reálnej súčiastky vo forme mračna bodov. Tieto body, nazývané voxely (odvodené od pojmu priestorový bod – volume pixel), sú v priestore usporiadané body, ktorým je priradená napr. 16-bitová informácia o absorpčných vlastnostiach reálnej súčiastky v tejto pozícii. Vo virtuálnom prostredí sa táto informácia zobrazuje ako určitý stupeň šedej farby.

Dnešné priemyselné tomografy sú navrhované pre snímanie s vysokou presnosťou. Vďaka tomu sa ich využitie rozšírilo z diagnostickej oblasti až do oblasti metrológie, kde ponúkajú pridanú hodnotu vo forme presných meracích prístrojov na kontrolu tvarovo veľmi komplikovaných súčiastok, ktoré doteraz nebolo možné merať inou metódou. Ide väčšinou o súčiastky s vnútornými oblasťami nedostupnými pre konvenčnú meraciu techniku. Vďaka týmto vlastnostiam sa využitie priemyselnej tomografie rozšírilo do oblastí strojárenstva, automobilového priemyslu, elektroniky, potravinárskeho priemyslu, materiálového inžinierstva a mnohých iných oblastí.

Počítačové tomografy sa najčastejšie triedia do troch základných skupín podľa výkonu žiariča – nanofokusovacie s vysokým rozlíšením a presnosťou určené prevažne pre materiálovú analýzu a metrológiu malých dielov s nízkou hustotou, mikrofokusovacie s univerzálnejším použitím vhodné pre metrologické účely prevažne pre plastové diely a diely z ľahkých zliatin a makrofokusovacie s vysokým výkonom, ktoré sa najčastejšie používajú pre detekciu materiálových chýb vo veľkorozmerných odliatkoch či zváraných dieloch.

V nasledujúcom prehľade sa pokúsime na praktických aplikáciách ukázať hlavné výhody počítačovej tomografie v oblasti nedeštrukčnej detekcie a metrológie.

Počítačová tomografia ponúka pohľad na vnútornú štruktúru, ktorú neponúkne žiadna iná detekčná technika. Vysoké rozlíšenie pri snímaní zobrazí detaily, ktoré jednoznačne rozhodnú o kvalite súčiastok a prinášajú technológom dôležité informácie o výskyte vzduchových bublín, pórov, trhlín, riedin, vmiešanin a ďalších chýb. Presný tvar, veľkosť a umiestnenie chýb v zosnímanom objeme je možné sledovať v ľubovoľnom rovinnom reze alebo v 3D virtuálnom priestore.

Kontrolovať geometriu jednotlivých dielov môže byť často jednoduché aj konvenčnými metódami. Čo však so zostavenými dielmi v montážnych celkoch? Aj keď sú jednotlivé diely vyrobené v stanovených tolerančných hraniciach, montážny proces môže byť zaťažený chybami, ktoré spôsobia zlú funkčnosť, prípadne aj nefunkčnosť zostaveného celku. Ako však pozrieť do vnútra zostavy a skontrolovať napríklad polohy elektrických kontaktov, polohy kinematických dvojíc či tesnosť spojov? Vďaka počítačovej tomografii môžeme skontrolovať takéto zostavy bez ich rozobratia či mechanického rozrezania.

Každý bod z vyrekonštruovaného mračna bodov nesie 16-bitovú informáciu o absorpcii materiálu, teda hlavne o hustote materiálu. V zosnímanej zostave je preto možné jednoducho identifikovať materiály s rôznou hustotou podľa škály sivých odtieňov. Rôzne prvky sa dajú od seba odseparovať a jednotlivé segmenty či prvky zostavy vizualizovať samostatne. Vybrané prvky je možné napríklad exportovať ako samostatné objemy alebo povrchové STL modely pre ďalšiu analýzu.

Ak je dôležité zaručiť konštantnú hrúbku steny pri škrupinových prvkoch, výraznou pomocou môže byť rýchla analýza hrúbky steny, ktorá vyobrazí vo farebnej škále hrúbky stien v normálovom smere a tým názorne označí miesta s odchýlkami, ktoré môžu spôsobiť zvýšenie napätostí v mieste so zúženým prierezom a následne porušenie štruktúry, prípadne zobrazí nevhodnú koncentráciu materiálu.

Pri výrobe prototypových dielov alebo zavádzaní nových dielov do výroby je často potrebné rýchlo analyzovať celkovú geometriu výrobku a jeho odchýlky od nominálnej geometrie. Skenovanie pomocou počítačového tomografu prináša stopercentnú informáciu o celom povrchu snímanej súčiastky v priebehu niekoľkých minút. Po stotožení získaného mračna bodov s nominálnym CAD modelom je možné získať rýchlu informáciu o kritických oblastiach. Oblasti v zelenom pásme sú zaťažené len malými odchýlkami, zatiaľ čo oblasti v modrom alebo červenom pásme naznačujú kritické odchýlky. Hodnotu odchýlky je možné jednoducho získať v akomkoľvek povrchovom bode a na základe tejto hodnoty vykonať napríklad korekcie vo vstrekovacej forme a v priebehu krátkej doby začať vyrábať korigované súčiastky. Stotožnenie mračna s CAD modelom je možné vykonať na základe best-fit vyrovnania alebo vyrovnania definovaného výkresovou dokumentáciou a tým analyzovať buď ochýlky v procese výroby alebo funkčnosť vyrobeného dielu po osadení v zostave.

Priemyselná počítačová tomografia ponúka snímanie s vysokou presnosťou. Táto presnosť je v súčasnej dobe definovaná nemeckou normou VDI/VDE 2630 časť 1.3, ktorá uvádza spôsoby stanovenia maximálnej dovolenej chyby pri meraní súradnicovými meracími strojmi s CT senzormi. So zreteľom na tieto limity sú priemyselné počítačové tomografy použiteľné ako plnohodnotné súradnicové meracie stroje, ktoré navyše prinášajú množstvo výhod. Najvýraznejšou výhodou je meranie rozmerov a geometrických odchýlok aj v ťažko prístupných miestach. Vnútorné oblasti, ktoré boli pre konvenčnú meraciu techniku či už s dotykovými, laserovými či optickými snímačmi nedostupné, sú pre počítačovú tomografiu snímateľné, a preto je často možné vyhodnotiť aj oblasti, ktoré sa doposiaľ vyhodnocovali iba deštrukčne. Deštrukčné metódy často ovplivnia geometriu výsledného dielu, sú nenávratné, zdĺhavé a často ani neponúkajú kompletné riešenie problému merania.

Sú situácie, kedy je potrebné získať CAD model reálneho objektu pre ďalšie digitálne spracovanie. Často je tento model vyžadovaný zákazníkmi z oblasti umenia, medicíny či archeológie, ale aj z technických oblastí. Ak je potrebné vyrábať totožný výrobok, či výrobok s určitými modifikáciami reálneho výrobku a nie sú dostupné žiadne informácie vo forme výrobnej dokumentácie či CAD modelu, je digitalizácia jedinou formou získania tejto informácie.

Rovnako ako každá metóda digitalizácie, aj počítačová tomografia má svoje výhody a na druhej strane aj limity. Hlavným limitom počítačových tomografov je priepustnosť rtg žiarenia snímanými objektmi. Na priepustnosť najviac vplývajú rozmery, tvar a hustota materiálov, cez ktoré rtg žiarenie musí preniknúť. Priemyselná počítačová tomografia je stále ešte pomerne mladou disciplínou a postupne sa jej možnosti a oblasti využitia rozširujú a limity posúvajú.
Príspevok bol vytvorený realizáciou projektu s názvom „Vytvorenie a podpora technológií v diagnostike súčiastok a uzlov počítačovou tomografiou“ (lTMS: 26220220038), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Peter Kaťuch, Jozef Živčák, Radovan Hudák
Technická univerzita v Košiciach
Ing. Peter Kaťuch, PhD.
peter.katuch@tuke.sk