rentgenová počítačová tomografie pro analýzu odlitků, defektoskopii

RENTGENOVÁ POČÍTAČOVÁ TOMOGRAFIE PRO
ANALÝZU ODLITKŮ, DEFEKTOSKOPII
A KONTROLU ROZMĚRŮ
X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY FOR CASTING
ANALYSIS, DEFECTOSCOPY AND DIMENSIONAL
INSPECTION
T. Zikmund1, M. Petrilak1, J. Kaiser1,2
1
Středoevropský technologický institut (CEITEC),
Vysoké učení technické v Brně
2
Ústav fyzikálního inženýrství,
Fakulta strojního inženýrství,
Vysoké učení technické v Brně
Anotace:
V článku jsou prezentovány možnosti využití rentgenové počítačové
tomografie s vysokým prostorovým rozlišením – rentgenové mikrotomografie
(µCT) v průmyslu. Pro demonstraci použití µCT techniky ve stavebnictví byl
analyzován kalibrační vzorek drátkového betonu.
Annotation:
In this paper we present the utilization possibilities of X-ray computed
tomography with high spatial resolution - X-ray microtomography (µCT). For
demonstrating the possibilities of µCT in civil engineering, an analysis of an
Steel-fiber-reinforced concrete sample (calibration standard) was carried
out.
Klíčová slova: počítačová tomografie, µCT, metrologie, nedestruktivní
defektoskopie, reverzní inženýrství.
Keywords: Computed tomography, µCT, metrology, non-destructive
defectoscopy, reverse engineering.
1
1. – 2. října 2013, FAST VUT v Brně
1. Úvod
Rentgenová počítačová tomografie je moderní zobrazovací metoda
sloužící k nedestruktivní vizualizaci a analýze předmětů. Název tomografie
pochází z řeckých slov tomos (řez) a grafó (kreslím), což znamená, že
tomografie je technika schopná zobrazování v řezech, tedy umožňuje
zobrazování vnitřní struktury bez fyzického narušení objektu [1].
Výstupem této trojrozměrné zobrazovací metody je série 16 bitových
obrazů, které představují virtuální řezy vzorkem (tomografické řezy).
Tomografické
řezy
jsou
matematicky
počítány
(tomografická
rekonstrukce [2]) z rentgenových snímků objektu vytvořených během
otáčení vzorku o 360°. Otáčení vzorku je typickým znakem pro
průmyslové a vědecké laboratorní CT stanice. Naopak u lékařských
„CTček “ se otáčí zdroj s detektorem kvůli stabilizaci pacienta.
Mikrotomografie (µCT), neboli počítačová tomografie s voxelovým
rozlišením na úrovni jednotek až desítek mikrometrů, dovoluje snímání
vnitřní struktury trojrozměrných předmětů s vysokým prostorovým
rozlišením. Pomocí µCT lze z velké škály typů materiálů získat kompletní
informaci o celém objemu předmětu, což je vhodné pro zjištění tvaru
vnějších a vnitřních struktur, nehomogenit, prasklin či porozity materiálu
(Obr. 2). Mikrotomografie tak nachází kromě různých vědných oborů
uplatnění i v celé řadě průmyslových odvětví, včetně strojírenství,
elektrotechniky a stavebního průmyslu.
V tomto článku demonstrujeme možnosti µCT analýzy pro metrologii,
defektoskopii, detekce vnější/vnitřní mikrostruktury a reverzní inženýrství
a aplikujeme na analýzu kalibračního vzorku drátko-betonu.
2. Laboratoř rentgenové mikro a nano počítačové
tomografie
Prvotní impulz pro započetí výzkumu a užívání µCT a podobných technik
na Ústavu fyzikálního inženýrství, FSI VUT v Brně vycházel z potřeby
nedestruktivně identifikovat vhodné roviny řezu pro prvkové mapování
různých vzorků, především technikou LIBS (Laser-induced breakdown
spectroscopy). Laboratoř Laserové spektroskopie [4] se zabývá vývojem
2
metod LIBS už více jak 15 let a disponuje všemi potřebnými přístroji pro
použití základní, jednopulzní techniky LIBS a také jejích dalších variant:
dvoupulzní LIBS (se zvýšenými detekčními limity), LIBS+LIFS
(spektroskopie laserem buzené fluorescence), LIBS kapalin, a dálkových
technik: remote LIBS (optickými vlákny) a stand-off LIBS (vzduchem). Co
se týče 3D zobrazování, výzkumná skupina se začala zabývat vývojem
µCT techniky v návaznosti na spolupráci se Synchrotronem Elettra v Itálii.
Spolupráce probíhá od roku 2005. Její hlavními oblastmi jsou rentgenová
mikroradiografie a µCT, vývoj pokročilých nedestruktivních RTG
zobrazovacích technik (dvouenergiová počítačová µCT, µCT s fázovým
kontrastem) a aplikace této techniky v různých odvětvích. Také na
základě této, ale i dalších spoluprací a výzkumných projektů
realizovaných na dalších synchrotronech v Evropě bylo přistoupeno k
vytvoření nové laboratoře v rámci struktur vědeckého centra CEITEC.
Laboratoř rentgenové mikro- a nanotomografie je vybavena unikátní
mikrotomografickou stanicí GE v|tome|x L 240, která je v plném provozu
od září 2012.
Tomografická stanice má následující základní parametry:
• maximální velikost vzorku – Φ500 x 800 mm, (tzn. velikost opsaného
válce),
• maximální váha vzorku - 50 kg,
• dosažitelné voxelové rozlišení < 2 µm pro 240kV mikrofokální RTG
trubici ~1 µm pro 180 kV nanofokální RTG trubici.
Systém
• přesný granitový sedmiosý manipulační systém
• otevřené mikro- (240 kV / 320 W) a nanofokální (180 kV / 15 W)
rentgenové trubice s dlouhou životností
• detektor DXR250 typu „flat-panel“, který má velký aktivní oblast (410 x
410 mm) 2048 x 2048 pixelů (rozměr pixelu 200 x 200 µm) a dynamický
rozsah 10 000 : 1,
• vestavěný počítačový klastr a softwarové vybavení s moduly pro
rychlou a vysoce kvalitní tomografickou rekonstrukci.
K analýze dat se využívá 3D visualizační software-u Volume Graphics
Studio Max 2.2, který je vybaven metrologickým modulem pro:
• souřadnicové měření,
• měření tlouštěk stěn,
• analýzu defektů/porozit,
3
1. – 2. října 2013, FAST VUT v Brně
• porovnání nominálních a skutečných dat,
• rozšířenou analýzu pórovitosti/inkluzí.
3. Analýza tomografických dat
3.1. Studium vnitřní struktury
Jednou z hlavních výhod tomografie je záznam vnitřní struktury materiálu
vzorku. Jestliže je vzorek složen z odlišně hustých materiálů zobrazí se
v CT datech odlišnou intenzitou pixelu. Tomografická data jsou
reprezentována sérií 16 bit obrázků, které představují virtuální řezy
vzorkem. Vhodnou volbou funkce upravující histogram těchto obrázků lze
zvýraznit vnitřní strukturu materiálu.
Obrázek 1:Tomografický řez vzorku vápenné malty (o rozměrech 20x20x8mm).
CT data byla získána s voxelovým rozlišením (13µm).
3.2. Analýza pórů/defektů
Tato analýza automaticky detekuje a vizualizuje póry/inkluze (defekty)
v materiálu součástky. Pro každý individuální detekovaný defekt je určen
objem, pozice, velikost a povrch. Podle objemu jsou objekty barevně
kódovány. K výstupům je přidána statistika velikosti defektů, celkové
procento porozity a histogram objemu defektů.
4
Obrázek 2: 3D vizualizace transparentního povrchu odlitku a distribuce
detekovaných defektů.
3.3. Analýza pórů/inkluzí dle průmyslových standardů
P 201/VW 50097
Tento nástroj dovoluje analyzovat součástky podle standardů P201
definovaných asociací VDG (German Association of Foundry Specialists)
na základě vnitřních norem Volkswagenu VW/50097. S pomocí tohoto
nástroje se rentgenová tomografie stává rychlou nedestruktivní metodou
nahrazující tradiční, destruktivní a časově náročné procedury analyzování
pórovitosti.
Obrázek 3: Tomografický řez odlitku hliníkové slitiny. Žlutými oblastmi jsou
zobrazeny detekované póry. Porozita této části je D10/2.5 dle normy VW50097.
5
1. – 2. října 2013, FAST VUT v Brně
3.4. Měření rozměrů, geometrických tolerancí
Modul souřadnicového měření nabízí algoritmus umožňující určit povrch
objektu na základě prahovacích hodnot adaptujících se dle lokálních
stupňů šedi. Je tedy schopen zabývat se spolehlivě i skeny s multimateriálovým složením vzorku. Extrahovaný povrch lze exportovat jako
množinu bodů (point cloud) nebo STL (STereoLithography) soubor, které
lze následně importovat do dalších softwarů. STL formát 3D modelu je
používán i 3D printery, což umožnuje vytvořit zpětně reálný objekt.
Pro měření rozměrů a geometrických tolerancí jsou k dispozici fitovací
nástroje prokládající objemovými daty geometrické útvary jako například
kružnice, roviny, válce, kužele and koule. Výhodou měření rozměrů na
tomografických datech oproti tradičním metodám jako souřadnicový
měřící stroj (CMM), mechanické 3D skenery nebo optické 3D skenery je
možnost měřit i rozměry či tvary nepřístupných míst součástky, např.
výška a průměr osazení v díře, jak je ukázáno na obrázku 4.
Obrázek 4: Inspekce vnitřního průměru díry pomocí fitovaného válce.
3.5. Měření tlouštěk
Analýza tloušťky stěny dokáže zkoumat objekty v oblastech, v nichž je
tloušťka stěny v definovaném intervalu mezi minimální a maximální
přípustnou tloušťkou. Výsledky analyzovaných komponent jsou barevně
kódovány dle naměřených vzdáleností mezi stěnami a zobrazeny
6
v tomografických řezech i 3D modelu.
analýzu šířky mezer.
Tuto metodu lze využít i pro
Obrázek 5:Kovový rám modelu Fábie vyšetřený pomocí analýzy tloušťky stěn.
Červenou barvou je zobrazen zeštíhlený profil rámu.
3.6. Srovnání nominálního (CAD) a skutečného (povrch z CT dat)
modelu
Funkce srovnávání modelů poskytuje unikátní nástroj pro přímé srovnání
skutečných rozměrů objektu (vygenerovaných pomocí tomografických
dat) a navržených rozměrů (CAD model). Povrch objektu tomografických
dat a CAD model jsou na sebe sesazeny buď pomocí referenčních ploch
specifikovaných technickou dokumentací, nebo např. algoritmem best-fit.
Menší nebo větší rozměry jsou určovány po celém extrahovaném
povrchu. Rozdíly jsou barevně kódovány dle velikosti.
7
1. – 2. října 2013, FAST VUT v Brně
Obrázek 6: Srovnání CAD modelu příruby s STL modelem. Modely jsou na sebe
sesazeny metodou best-fit.
4. Aplikace
4.1. Kalibrační vzorek drátko-betonu.
V laboratoři rentgenové mikro a nano počítačové tomografie v Brně bylo
ve spolupráci s Fakultou stavební, VUT Brno realizováno tomografické
měření betonu obsahující objemově 0,89% ocelových drátků (o průměru
1 mm a délce 30 mm). Cílem tomografického měření bylo zobrazit
distribuci drátků a vyextrahovat objemová data drátků.
Pro tuto příležitost byl vyroben testovací vzorek tvaru válce o průměru
100 mm a výšce 150 mm. Tomografické měření bylo provedeno se 100
µm voxelovým rozlišením. V tomografickém řezu (obrázek ) je tmavšími
hodnotami pixelu zobrazena směs betonu a světlejšími hodnotami
ocelové dráty. Drátky byly segmentovány pomocí modulu analýzy inkluzí
a zobrazeny ve 3D modelu (obrázek 7). Časová náročnost kompletní
analýzy byla 4 hod. (1 hod kalibrace přístroje, 1 hod tomografické
měření, 2 hodiny zpracovaní dat).
8
Obrázek 7: Vizualizace ocelových drátků kalibračního vzorku drátko-betonu. Na
dvou spodních obrázcích je vidět nerovnoměrná distribuce drátků (vlevo) a
shluky drátků (vpravo).
9
1. – 2. října 2013, FAST VUT v Brně
5. Závěr
V článku byly demonstrovány možnosti využití techniky µCT pro měření
rozměrů, defektoskopii odlitků, detekce vnitřní mikrostruktury a reverzní
inženýrství v podobě vytvoření STL modelu, který lze vytisknout na 3D
printeru. Na uvedených příkladech bylo ukázáno, že µCT je technika, která
se dá výhodně využít v řadě aplikací, kde je žádoucí získat nedestruktivně
informaci o vnitřní struktuře, rozměrech, případně kvalitě vzorku.
Tato technika byla aplikována na kalibrační vzorek drátko-betonu. Tvar a
rozměry testovacího vzorku demonstruje možné využití rentgenové
tomografické analýzy pro vyhodnocení koncentrace ocelových drátků
jádrových vývrtů, které jsou v praxi realizovány pro testování kvality betonu.
Poděkování
Autoři projektu by rádi poděkovali VUT v Brně, Fakultě strojního inženýrství
za podporu prostřednictvím grantu FSI-S-11-22 Fondu vědy FSI a
Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy České republiky za projekt
“CEITEC - Středoevropský technologický institut” (CZ.1.05/1.1.00/02.0068) z
Evropského fondu regionálního rozvoje.
Literatura
[1] MALINA, R., KAISER, J., LIŠKA, M., Rentgenová mikroradiografie a
mikrotomografie. Jemná Mechanika a Optika 2009, 7-8, s. 203-205.
[2] KAK, A. C., SLANEY, M., Principles of Computerized Tomographic
Imaging, IEEE Press, 1988.
Kontakt
Ing.
Tomáš
Zikmund,
tel:
00420 541 142 875,
e-mail:
[email protected], CEITEC - Středoevropský technologický
institut, STI VUT v Brně, Technická 3058/10, 616 00 Brno.
Článek je součástí sborníku konference Zkoušení a jakost ve stavebnictví
2013. ISBN 978-80-214-4777-6. V elektronické podobě je k dispozici na
www.zkouseniajakost.cz
10