21
Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT Đananović Jasmin Rezime: Ovaj seminarski rad daje kratak pregled upotrebe kompjuterske tomografije u industriji za ispitivanje proizvoda bez njihovog razaranja (NDT). Dat je historijski pregled razvoja ove tehnike i njena primjena u industriji, kao i osnosni principi na kojima se zasniva sama metoda. Vidjet ćemo primjene same metode i njene prednosti u različitim poljima. Opisan je i sam način dobijanja digitalne slike nekog objetka kao i osvrt na različite faktore koji utječu na kvalitet i konačan rezultat procesa ispitivanja proizvoda pomoću kompjuterske tomografije u industriji. Ključne riječi: kompjuterska, tomografija, x-zrake, ispitivanje, NDT, bez razaranja, industrija; 1. Uvod Industrijsko kompjutersko tomografsko skeniranje predstavlja bilo koji oblik kompjuterski navođenog tomografskog procesa, obično kompjuterska tomografija x-zrakama koja se koristi zračenjem da bi proizvela trodimenzionalnu sliku skeniranog objekta, kako sa vanjske površine, tako i iznutra. Industrijski CT se koristi u mnogim područjima industrije za interni pregled komponenata. Osnovne primjene CT skeniranja su za otkrivanje grešaka, analizu otkaza, metrologiju, analizu sklopova i reverzibilno inženjerstvo. Industrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT te zauzima važno mjesto u industriji. 1.1. Historijski razvoj X-zrake je 1895. godine otkrio njemački fizičar Wilhelm Conrad Röntgen, koji je također dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1901. godine. Prvo kompjuterski upravljano zračenje je izvršeno 1972. godine, kada je naučnik Godfrey Newbold napravio prvi prototip medicinskog CT skenera, što se smatra začetkom kompjuterske tomografije. Nakon toga, CT je našao ogromnu primjenu u medicinskoj praksi sve do danas i smatra se najvećim otkrićem u radiologiji još od X-zraka. Počeci primjene CT u industriji se javljaju još u ranim 1980. godinama, u polju ispitivanja bez razaranja (NDT), gdje je izvršeno vizuelno ispitivanje nizom malih rezova. Prva 1

Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDTĐananović Jasmin

Rezime: Ovaj seminarski rad daje kratak pregled upotrebe kompjuterske tomografije u industriji za ispitivanje proizvoda bez njihovog razaranja (NDT). Dat je historijski pregled razvoja ove tehnike i njena primjena u industriji, kao i osnosni principi na kojima se zasniva sama metoda. Vidjet ćemo primjene same metode i njene prednosti u različitim poljima. Opisan je i sam način dobijanja digitalne slike nekog objetka kao i osvrt na različite faktore koji utječu na kvalitet i konačan rezultat procesa ispitivanja proizvoda pomoću kompjuterske tomografije u industriji.

Ključne riječi: kompjuterska, tomografija, x-zrake, ispitivanje, NDT, bez razaranja, industrija;

1. UvodIndustrijsko kompjutersko tomografsko skeniranje predstavlja bilo koji oblik kompjuterski navođenog tomografskog procesa, obično kompjuterska tomografija x-zrakama koja se koristi zračenjem da bi proizvela trodimenzionalnu sliku skeniranog objekta, kako sa vanjske površine, tako i iznutra. Industrijski CT se koristi u mnogim područjima industrije za interni pregled komponenata. Osnovne primjene CT skeniranja su za otkrivanje grešaka, analizu otkaza, metrologiju, analizu sklopova i reverzibilno inženjerstvo. Industrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT te zauzima važno mjesto u industriji.

1.1. Historijski razvojX-zrake je 1895. godine otkrio njemački fizičar Wilhelm Conrad Röntgen, koji je također dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1901. godine. Prvo kompjuterski upravljano zračenje je izvršeno 1972. godine, kada je naučnik Godfrey Newbold napravio prvi prototip medicinskog CT skenera, što se smatra začetkom kompjuterske tomografije. Nakon toga, CT je našao ogromnu primjenu u medicinskoj praksi sve do danas i smatra se najvećim otkrićem u radiologiji još od X-zraka.

Počeci primjene CT u industriji se javljaju još u ranim 1980. godinama, u polju ispitivanja bez razaranja (NDT), gdje je izvršeno vizuelno ispitivanje nizom malih rezova. Prva trodimenzionalna ispitivanja (3D) se javljaju u ranim 1990. godinama za jednostavnije zapreminske i analize udaljenosti. Danas, zahvaljujući napretku hardverskih i softverskih rješenja, CT je postala jedna od najšire primjenjivanih NDT metoda, kojom mogu da se vrše ispitivanja unutrašnjeg i vanjskog dijela strukture materijala bez oštećenja. Razvojem stabilnijih izvora X-zračenja i boljih detektora dovelo je do složenijih CT sistema, što je omogućilo tačnije geometrijske informacije do mikrometarske preciznosti. Koristi se za ispitivanje gustine, geometrije, i sastava materijala. Za relativno kratko vrijeme, CT može da načini 3D model realnog elementa čija tačnost dimenzija se sa lakoćom može provjeriti.[1]

1

Page 2: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 1. Conrad Röntgen (1845-1923) lijevo i Godfrey Newbold (1919-2004) desno [1]

Kao argument napretka tehnologije CT može poslužiti slika 2 gdje se vidi razlika u kvaliteti i rezoluciji slike dobivene tehnologijom iz 1974. godine i 20 godina poslije.

Slika 2. Na slici ljevo je CT snimak urađen sa tehnologijom dostupnom 1974. godine, a desno iz 1994. godine [2]

O najaktuelnijim dostignućima kompjuterskog tomografskog skeniranja danas biće riječi u narednim poglavljima ovog rada.

2. Industrijska kompjuterska tomografija- CT2.1. CT i ostale NDT metodeDa bi se u potpunosti shvatio značaj i položaj industrijskog CT-a u industriji potrebno je poznavati ostale NDT metode. Postoji mnogo metoda za testiranje, no za neki konkretni problem inženjer je ograničen na samo njih par, stoga je potrebno poznavati mogućnosti pojedinih metoda i način njihove primjene. Sve metode sa kojima se poredi CT su bez razaranja, kao što su: ispitivanje ultrazvukom, vrtložnim strujama, interferometrijska optika i dr. Na slici 3 može se vidjeti poređenje svih metoda za inspekciju grešaka na dijelovima, dok

2

Page 3: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

slika 4 upoređuje te metode kada se primjene za ispitivanje tačnosti dimenzija (metrologija). Glavni kriterij po kom je napravljeno poređenje na slici 3 jeste dubina penetracije pojedine metode te njihove rezolucije. Optička interferometrija postiže najveću rezoluciju slike ali ima slabu penetraciju, tj. mogućnost ispitivanja u dubinu je mala. Dok sa druge strane najbolju penetraciju daju x-zrake CT-a. Slično može da se zaključi i sa slike 4 gdje je kriterij složenost geometrije. Obično se skenirane komponente upoređuju sa CAD modelom. [3]

Zahvaljujući osobini dobre penetracije i relativno viskokoj rezoluciji slike, te činjenici da se pomoću CT tehnologije može, ne samo ispitati dio, nego i dobiti njegov 3D model čak i ukoliko je dio složen, CT u inženjerstvu daje mnogo mogućnosti i sa pravom spada u jednu od najvažnijih metoda za NDT.

Slika 3. Poređenje NDT medota na bazi dubine penetracije [3]

Slika 4. Poređenje NDT medota kompleksnosti geometrije skeniranog objekta [3]

3

Page 4: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

2.2. Podjela CT tehnologije u industrijiIndustrijski CT se može podijeliti na četiri skupine, a to su:

• Linearni akceleratori (LINAC),

• Makro CT,

• Mikro CT,

• Nano CT.

Podjela CT sistema je bazirana u zavisnosti od maksimalne moguće rezolucije snimka, tačnosti mjerenja i kapaciteta skenera. Makro CT sistemi se koriste za velike a mikro CT za dimenzijski relativno male objekte. Nivo mikro CT-a se može postići korištenjem cijevi za x-zrake koje imaju male fokalne presjeke (od 1-50m) tako što se objekat postavi unutar fokusa zračenja. Rezolucija slike kod mikro CT-a je tako ograničena veličinom fokalne tačke. Kod skenera iz grupe nano CT-a fokalne tačke su veličine <1m i podobne su za skeniranje dijelova veoma male veličine. Na slici 5 se vidi ovisnost najveće moguće rezolucije nasuprot opsega mjerenja.

Slika 5. Maksimalna moguća rezolucija u ovisnosti od opsega mjerenja [1]

2.3. Dijelovi CT uređajaSistem za CT u industriji se sastoji od jednog izvora x-zraka, rotacionog stola, detektora x-zraka na drugoj strani, te procesorske jedinice i jedinice za vizualizaciju podataka i predstavljanje rezultata, slika 6.

U suštini, CT pravi snimke objekta u više presječnih ravnina tako što projektuje zraku fotona kroz jednu ravan na objekat pod utvrđenim uglom pri čemu izvor zračenja rotira zajedno sa detektorom x-zraka. Prilikom prolaska zraka kroz objekat, neke od njih bivaju apsorbovane od strane tijela, neke se odbijaju a neke prolaze kroz tijelo. Fotoni koji prođu kroz objekat koji se skenira se detektuju i šalju računaru na obradu čime se stvara potpuna slika strukture objekta. Trodimenzionalna slika sa nijansama sive predstavlja dijelove materijala različite gustine unutar mjerenog objekta.

4

Page 5: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 6. Princip rada modernog industrijskog CT uređaja [5]

Standardni tok događaja prilikom skeniranja prema njemačkom standardu VDI/VDE 2630 dio 1.2 [1] je sljedeći:

• Prvi korak jeste tzv. akvizicija (skeniranje) objekta. Pri tome se trebaju podesiti parametri na mašini kao što su uvećanje, orjentacija objekta, jačina izvora x-zraka, vrijeme integracije detektora itd.

• Drugi korak jeste da se načini set ili grupa dvodimenzionalnih (2D) projekcija objekta. Svi ti snimci se onda rekonstruiraju u jedan 3D model sačinjen od matrica voxela (voxel je riječ nastala od eng. riječi volumetric pixel ili Volumetric Picture Element; vo+xel = voxel [4]), gdje svaki voxel predstavlja odgovarajuće slabljenje signala koji prolazi kroz objekat. Drugim riječima, svakom voxelu se dodjeljuje vrijednost sive boje koja odgovara odgovarajućoj lokalnoj apsorpciji x-zračenja. U ovom procesu se koriste odgovarajuće tehnike za korigovanje 2D projekcija da bi se smanjila posljedica rasipanja radijacije.

• Nakon toga definiše se granica praga, koja je jedina od najvažnijih za tačno razdvajanje pojedinih površina.

• Pošto se definiše granica praga, generišu se površinski ili volumni podaci. Površinski podaci se generišu u tzv. STL formatu i karakteriše ih poligonalna mreža u obliku trouglova na površini.

• Nakon što dobijemo konačan oblik dijela poredi se sa osnovnim elementima (kupa, kvadar...) i utvrdi se odstupanje što nas dovodi do željenog rezultata.

5

Page 6: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 7. Lanac toka događaja pri CT testiranju [6]

Danas u industriji se pronalaze dvije vrste CT sistema. To su tzv. 2D CT (slika 8 lijevo) i 3D-CT (slika 8 desno). Sistemi 2D-CT odašilju x-zrake u obliku lepeze (linijski) prema linijskom detektoru što omogućava dobijanje slike presjeka elementa kombinirajući transaltorno i rotaciono kretanje objekta. Taj proces rotiranja i translacije se ponavlja u zavisnosti koliki broj presjeka želimo postići. Skeniranje vremenski traje dugo pa je to nepovoljno. Sistemi 3D-CT prevazilaze ovaj problem tako što je detektor zraka u obliku ploče a ne linije, i izvoj x-zračenja je oblika konusa ili kupe (prostorni). Ovim se može dobiti 3D model objekta samo rotacijom bez translacije. Problem predstavlja prevelik broj zraka koje se odbiju od skenirani dio, kao i nemogućnost skeniranja dna i vrha dijela objekta dovoljno kvalitetno. No, ipak jasno je 3D metoda je znatno bolja i kvalitetnija od 2D metode zato što daje mnogo više informacija u sve tri dimenzije. Na slici 9 može se vidjeti kako broj i gustina površinskih tačaka ovisi od ravnine do ravnine kod 2D metode. Tako je za površine na objektu koje su paralelne pravcu zračenja gustina dobivenih tačaka veoma mala, dok 3D metoda daje dobar prikaz iz svih uglova.

Slika 8. Lijevo linijski 2D-CT, desno prostorni 3D-CT proces [6]

6

Page 7: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 9. Poređenje 2D-CT (lijevo) i 3D-CT (desno) tehnologije [7]

U osnovi, kvalitet rezultata skeniranja opada od centra objekta pa do granica prema detektoru zbog geometrijskih razloga. Primjer kao što je onaj na slici 10 pokazuje da je kvalitet dobivenog rezultata lošiji na rubu dijela nego u sredini. Noviji CT sistemi koriste helikoidno skeniranje, gdje, suštinski, imamo spiralnu (helikoidnu) rotaciju dijela po nekoj osi (slika 11).

Slika 10. 3D model mjernog štapa gdje se vidi razlika u kvaliteti zavisno od položaja [1]

7

Page 8: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 11. Prikaz skeniranja sa helikoidnim pomjeranjem objekta i rezultat skeniranja tom metodom [6]

Prednosti ovakve metode su očigledne. Kao prvo, nema ograničenja za maksimalnu moguću dužinu skeniranog objekta zato što nije potrebno da se u jednom trenutku cijeli dio nalazi unutar zračenja. Druga prednost jeste da se uz odgovarajuće pomjeranje dijela može dobiti mnogostruko bolja rezolucija skeniranog dijela koja je konstantna duž cijelog dijela. To znači da će i krajevi biti dovoljno dobro ozračeni i procesuirani kao i ostatak dijela jednake kvalitete.

2.4. Fizikalni principi rada CT-aX-zrake su elektromagnetni talasi, baš kao i mikrotalasi, infracrfeni talasi, vidljiva svjetlost, ultraljubičasta svjetlost i radio talasi. Talasna dužina x-zraka je od nekoliko pikometara do nekoliko nanometara. Energija svakog fotona jedne x-zrake E je proporcionalna njenoj frekvenciji koja je izražena sljedećom relacijom:

gdje je h Planck-ova konstanta i iznosi 6,63 •10-34 [Js], c je brzina svjetlosti i je talasna dužina x-zraka. Stoga, fotoni x-zraka sa dužim talasnim dužinama imaju manju energiju nego fotoni kraćih talasnih dužina. Tako se energija x-zračenja obično izražava u jedinici eV, elektronvolt (1 eV = 1,602 •10-19 J). Ovo je ona količina kinetičke energije sa kojom jedan elektron ubrzava do elektičnog potencijala od 1 V (stvarna energija je jednaka proizvodu napona elektrona i njegovog naboja). Pošto se fotoni x-zraka proizvode tako što se materijal bombarduje sa elektronima visokih brzina (kinetička energija se pretvara u elektromagnetsko zračenje), maksimalna moguća energija fotona x-zračenja jednaka je ukupnoj kinetičkoj energiji elektrona.

X-zraka sa talasnom dužinom unutar 10 nm (124 eV) do 0,1 nm (12,4 keV) se obično zove meka (eng. soft) x-zraka zbog toga što ne može da prodre u dublje slojeve materijala. Ovo zračenje ima malo značaja za radiologiju. Talasna dužina x-zračenja obično varira od 0,1 nm do 0,01 nm, što odgovara energiji od 12,4 keV do 124 keV. Iako x-zrake sa mnogo kraćom

8

Page 9: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

talasnom dužinom imaju visoku penetracijsku osobinu, one daju veoma male kontrast-informacije, i stoga su i one rijetko korištene. Važno je istaći da x-zrake koje su od značaja se nalaze na kraju elektromagnetskog spektra, slika 12.

Slika 12. Elektromagnetski spektar zračenja [8]

Ono što nas posebno zanima jeste prolazak x-zraka kroz materiju, odnosno različite materijale koji se ispituju. Tako je za medicinski CT tipična jačina fotona x-zračenja između 20 keV i 140 keV. Za tzv. transmisionu tomografiju, koja se koristi i u medicini i industriji, koristi se zakonitost poznata kao Beer-Lambert-ov zakon, ili zakon atenuacije. Donji izraz daje osnovnu experimentalnu postavku za transmisionu tomografiju unutar jednog reza:

,

gdje je N0 broj fotona koji se emituju od izvora, a broj N1 broj fotona poslanih kroz jednu

liniju prema uzorku što dozvoljava da se izračuna integral preko neke putanje.

,

Izraz (x,y) predstavlja vrijednost koeficijenta linearne atenuacije (slabljenja zračenja) u tački (x,y). Ponavljajući mjerenja duž prave linije dovoljan broj puta unutar istog reza daje Radon-ovu transformaciju objekta. Radon je 1917. godine predstavio način kako doći do rekonstrukcije mape (x,y) tog reza, slika 13.

9

Page 10: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 13. Fizikalna osnova prolaza zrake kroz materijal [11]

2.5. Procesuiranje podatakaKada se desi proces akvizicije podataka i skeniranje se završi, koriste se algoritmi za rekonstrukciju 3D volumena. Te rekonstruisane 3D slike su napravljene, kako je već pomenuto, od voxela (slika 14), koji predstavljaju primitivne elemente 3D objekta. Veličina voxela je u funkciji od veličine pixela i udaljenosti između objekta/izvora zračenja i izvora/detektora zračenja.

Slika 14. Grafička predstava voxela [1]

Kao što je to i opisano ranije, granica praga je veoma važan parametar u CT skeniranju i koristi se za tačnu rekonstrukciju segmenata slike i površine koje utječu na izgled rezultujuće geometrije objekta. Prag pretvara sivu vrijednost slike u binarnu i rezultujuća slika se onda sastoji od dva seta, jedan je pozadina, i druga je sam objekat. Granica praga predstavlja gdje se nalaze granice objekta i okoline, tako da se objektu može dodijeliti osobina neke površine. Dodjela praga se odigrava u svakom od voxela 3D modela, kao što se vidi na slici 15.

10

Page 11: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 15. Primjena granice praga. Zelena linija predstavlja liniju razdvajanja materijala i zraka [1]

Koliko je važno odrediti tačnu granicu praga pokazuje slika 16. Korištenjem posebno dizajniranih referentnih objekata, npr. štap sa rupama, dimenzije dobivene CT-om uveliko ovise od pragu. Može se primjetiti da dimenzije unutarnjih vrijednosti praga obrnuto ovise o vanjskom pragu. Kada se CT skeniranje izvrši i uporedi sa već definisanim vrijendnostima (npr. onim sa koordinatne mjerne mašine) može se ustanoviti tačna vrijednost datog praga. Ta granica onda određuje tačnu udaljenost između dijela i okoline. Na slici 16 (lijevo) može se vidjeti rezultat CT snimka koji se dobije primjenom dva različita praga (žura i crvena linija).

Slika 16. Prikaz obrnute zavisnosti praga za unutarnju rupu, i vanjski rub dijela. [1]

Još jedan od važnijih podataka pri snimanju CT metodom jeste veličina dobivenih podataka. U kasnim osamdesetim godinama, kada se CT tek pojavio u svijetu NDT-a, veličina dvodimenzionalne slike bila je rezolucije 256x256 piksela. Desetak godina nakon toga, kada se mogao dobiti 3D uzorak objekta, rezolucija se mogla povećati do 512x512 pixela. Vremenom je i tačnost CT uređaja postajala veća a samin tim je i količina memorije koja je potrebna za jedno skeniranje postajala veća. Kada su u upotrebu došli pločasti detektori signala, rezolucija se povećala do 1024x1024 pixela. Tako da, danas, detektor takve rezolucije

11

Page 12: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

zahtjeva minimalno 2 GB prostora za jedan sat rada. U zavisnosti od dijela koji se skenira ta cifra može narasti i do 8 GB. Sve veća količina podataka zahtjeva jaču procesnu jedinicu da bi se obradili podaci, što može da dovede do povećanja troškova procesa, ili ograničenja u veličini skeniranog volumena.

2.8. Primjena i mogućnosti CT-a

Osnovi cilj upotrebe CT u industriji je, kako je već rečeno, za NDT analizu grešaka unutar zapremine materijala objekta koji se testira, i najčešće se koristi prostorna emisija x-zračenja (kupa). Proces je najviše zastupljen u automobilskoj industriji za ispitivanje velikih dijelova dobivenih livenjem, kao što su blokovi motora, mjenjači i dr. CT je u mogućnosti da otkrije veoma male promjene gustine. Zahvaljujući napretku u tehnologiji CT sistemi ne samo da mogu otkriti defekte, nego mogu da otkriju i koliki su ti defekti i njihov položaj u prostoru što je jako važno u svrhu što ranijeg otkrivanja greške.

Zahvaljujući činjenici da podaci CT analize sadrže volumetrijske informacije o tijelu koje se ispituje, moguće je, generisanjem površine na skeniranom volumenu, odrediti koordinate mjerenog tijela. To znači da se CT može primjenjivati za dimenzionalna mjerenja poput koordinatnih mjernih mačina. Najčešće se koristi za otkrivanje grešaka kao što je promjena u debljini zida u odnosu na neki raniji referentni CAD model i sl. Metod kao ovakav ima primjene u:

• nauci o materijalima,

• elektronici,

• vojnoj indsutriji,

• medicini,

• prehrani,

• arheologiji,

• auto i avio industriji itd.

Osnovni pregled pojedinih mogućnosti primjene CT-a u poljima za NDT i metrologiju date su u tabeli 1.

Tabela 1. Primjena kompjuterske tomografije u industriji [1]

NDT Metrologija

Oktrivanje defekata Poređenje CAD modela

Otkrivanje pukodina Interna mjerenja

Pregled sklopova Reverzibilno inženjerstvo

Otrivanje poroziteta 3D volumna analiza

Raspored gustine materijala tzv. First article inspection (FAI)

Na slici 17. grafički je data primjena 3D CT tomografije u industriji, tj. lanac toka od skeniranja objekta do željenog cilja.

12

Page 13: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 17. Primjena i procesuiranje podataka kod 3D CT [9]

2.8.1 Otkrivanje defekata3D kompjuterska tomografija primjenjena u industriji za NDT ispitivanja ima potencijal da otkrije defekte unutar bilo koje geometrije. Ovi defekti se mogu otkriti ili analizom voxel podataka korištenjem softvera za 3D vizualizaciju ili generisanjem izopovršina iz voxel podataka i analizom površine u 3D površinskom softweru za analizu. Generacija izopovršina je zapravo dobivanje oblika površine (slika 17). Dobiveni podaci se čuvaju u STL formatukoji je najčešće korišten za razmjenu takve vrste površinskih podataka. Što se tiče oktrivanja defekata ili poremećaja unutar dijela, prikaz tih defekata se može izvršiti na razne načine uvođenjem presjeka i ravnina.

13

Page 14: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 18. 3D prikaz modela dobivenog industrijskim CT-om koji prikazuje virtuelni presjek aluminijskog odljevka [9]

Na slici 18 može se vidjeti 3D prikaz modela odljevka aluminijskog kućišta koji se može dobiti industrijskim CT-om. Prikazana je vanjska površina dijela sa virtuelnim presjekom na prednjoj strani. Presjek pokazuje unutarnju strukturu objekta i kako bi ona izgledala da se u stvarnosti isječe. Možese vidjeti poroznost koja je nastala od prisustva zraka. CT omogućava detaljan pregled greške što može da omogući inženjeru da poboljša proizvodni proces.

Iz 3D modela se uvijek može izvući 2D presjek objekta.

2.8.2 Ispitivanje geometrije (mjerenje)Mjerenje geometrije bazirane na 3D tomografiji može se vršiti ili direktno mjereći voxele ili mjereći površinu podataka koji su generisani iz voxela. U oba slučaja 2D ili 3D mjerenja mogu biti vršena. Na slici 19 (lijevo) dat je prikaz 2D dimenzionalnog mjerenja koje je bazirano na podacima iz voxela. Za tu potrebu može se iz 3D modela izvući 2D presjek. Primjer na slici 19 (lijevo) pokazuje kako se mogu mjeriti prečnici, udaljenosti i uglovi. Osim toga, svijetlije boje se može predstaviti materijal druge vrste, što pokazuje sposobnost CT-a da određuje varijacije materijala.

Na slici 19 (desno) prikazan je primjer trodimenzionalnog mjerenja koje se bazira na površinskim (STL) podacima. Struktura na vanjskoj kao i na unutrašnjoj se može mjeriti. Da bi se mjerila unutrašnjost objekta, dio se može virtuelno otvoriti da se pokaže 3D prikaz unutrašnjosti.

14

Page 15: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 19. Lijevo- mjerenje korištenjem 2D CT, desno- mjerenje pomoću 3D CT [9]

2.8.3 Upoređivanje geometrijeU fazi izrade prototipa veoma je važno da inženjer zna odstupanje geometrije dijela od geometrije date na crtežu (CAD modelu). To se može postići ili poređenjem voxel podataka sa površinom CAD modela, ili poređenjeme površine generisane voxelima sa površinom u CAD modelu. Da se demonstrira upoređivanje geometrije, dio se proizvede i skenira CT-om. Nakon toga se površinski podaci izvuku i pohrane u STL formatu. Slika 20 pokazuje kompjuterski obrađenu (rendered) sliku modela. Ukoliko je dostupan 3D CAD model, onda se on može uporediti sa STL podacima. Prvo se dvije geometrije moraju registrovati, tj. da se poklope odgovarajuće površine i koordinatni sistemi oba dijela. Odstupanje se može dokumentovati u tablicama koje statistički prikazuju maksimalnu, minimalnu i prosječnu grešku (odstupanje). Na slici (dolje) je također prikazan histogram svih odstupanja koji se sastoji od mjerenja u 250 000 tačaka.

15

Page 16: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

Slika 20. (Gore, lijevo) CAD model dijela; (Gore, desno) STL model; (Dolje) Poređenje tomografskih podataka sa CAD modelom [9]

3. ZaključakSeminarski rad je dao pregled primjene CT tehnologije u industriji i metrologiji, gdje je pažnja usmjerena na trenutne izazove na polju kompjuterske tomografije. Uz historijski pregled, data je i osnova nekih fizikalnih principa na kome se zasniva kompjuterska tomgrafija. Također vidjeli smo gdje i na koji način se x-zračenje može upotrijebiti kada je riječ o ispitivanju unutarnjih grešaka u dijelu, kao i vanjskih grešaka. Ispitivanje proizvoda bez razaranja metodom kompjuterske tomografije daje inženjeru mogućnost za smanjenje

16

Page 17: Industrijska kompjuterska tomografija u polju NDT 2013/Djananovic_Jasmin.docx · Web viewIndustrijska kompjuterska tomografija otvara velike mogućnosti za ispitivanje u polju NDT

grešaka uz ubrzanje i pojeftinjenje procesa proizvodnje nekog mašinskog elementa. Proces kompjuterske tomografije je veoma praktičan proces za primjenu, zahtjeva veoma malo vanjske intervencije i ispitivanje se može obaviti u minutama, imajući u vidu gotovo potpunu automatizaciju cijelog procesa skeniranja nekog dijela.

4. Literatura[1] A. Cantatore, P. Müller, (2011), Introduction to computed tomography, Department of Mechanical Engineering-Technical University of Denmark,

[2] http://epileptologie-bonn.de/cms/upload/homepage/lehnertz/CT1.pdf (dostupno novembar 2013.),

[3] R. B. Bergmann, F. T. Bessler, W. Bauer,(2006) , Non-Destructive Testing in the Automotive Supply Industry, Gerlingen-Schillerhöhe, Germany,

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Voxel (dostupno novembar 2013.),

[5] J. Noel, (2008), Advantages of CT in 3D Scanning of Industrial Parts, 3D Scanning Technologies Magazine,

[6] M. Franz, C. Funk, J. Hiller, S. Kasperl, M. Krumm, S. Schröpfer, F. Ezrt, (2009), Reliability of Dimensional Measurements by Computed Tomography for Industrial Application, 4th European-American Workshop on Reliability of NDE - Th.4.B.3, Fürth,

[7] A. Flisch, (1999), Industrial Computed Tomography in Reverse Engineering Applications, Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research (EMPA), CH-8600, Dübendorf, Switzerland,

[8] S. Lim, (2013), Automated Industrial Metrology CT Developments & Trends, Cairnhill Metrology, Jalan Kilang Barat Singapore,

[9] M. Simon, C. Sauerwein, I. Tiseanu, S. Burdairon, (2002), MULTI-PURPOSE 3D COMPUTED TOMOGRAPHY SYSTEM, 8th ECNDT Barcelona 2002,

[10] H. Jiang, (2009), Computed tomography : principles, design, artifacts, and recent advances /,2nd ed., Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, ISBN: 9780470563533, Bellingham, Washington USA,

[11] J. Baruchel, J.-Y. Buffiere, E. Maire, P. Merle, G. Peix, (2000), X-Ray Tomography in Material Science, ISBN 2-7462-01 15- 1, HERMES Science Publications, Paris,

17