Få den indre historie om produkter med computertomografi

Det er ofte sådan, at en værdifuld ny industriel kapacitet bringer et helt nyt sæt udfordringer med sig for målevidenskab – og dermed, uundgåeligt, for NIST.

Et aktuelt eksempel er den spirende vækst af additiv fremstilling (AM) - den industrielle ækvivalent til 3-D-print, hvor komplekse strukturer opbygges ved successiv tilføjelse af lag, i stedet for enten at samle dem fra separate komponenter eller starte med en solid blok af materiale, hvorfra materiale successivt fjernes, nogle gange ved hjælp af en række bearbejdningsværktøjer, at producere den sidste del.

AM er allerede i brug til fremstilling af en bred vifte af enheder fra medicinske implantater til multi-materiale elektroniske komponenter, præcisionsvæskerør, lampebestanddele, fiberoptiske stik, og mere. Men metoden giver problemer for defektdetektion og kvalitetskontrol:De nøjagtige dimensioner og pasformen af ​​en enheds interne funktioner kan ikke uden videre vurderes uden at ødelægge enheden.

Som resultat, mange producenter har vendt sig til en teknologi kaldet røntgencomputertomografi (CT), længe brugt i medicinsk billedbehandling, men i stigende grad brugt i løbet af de sidste 15 år til at undersøge de dimensionelle karakteristika af kommercielle produkter. På nuværende tidspunkt imidlertid, der er meget få aftalte standarder til at evaluere et CT-instruments ydeevne eller verificere nøjagtigheden af ​​dets billeder.

Det er derfor, NIST indgik en Cooperative Research and Development Agreement (CRADA) med North Star Imaging (NSI) i Minnesota, en producent af industrielle digitale røntgen- og CT-systemer, som har lånt en CT-enhed til NIST i den treårige varighed af CRADA. I det tidsrum, NIST-forskere kan bruge CT-systemet til at teste målinger af kandidat-referenceartefakter, der i sidste ende kunne anvendes i standardiseret test og kalibrering; på samme tid, NSI-systemet kan karakteriseres ved krævende procedurer på landets standardlaboratorium.

"Lige nu, vi er hovedsageligt involveret i at udvikle meget velbeskrevne referenceartefakter, " siger projektforsker Meghan Shilling fra NIST's Physical Measurement Laboratory. "Vi tager en artefakt designet til at evaluere ydeevnen af ​​et CT-system og måle det ved hjælp af vores taktile-probe-koordinat-målemaskiner, som har særdeles veletableret målenøjagtighed.

"Så sætter vi artefakterne i CT-systemet, måle dem, og se, hvordan dataene sammenlignes. En person på vores team, som er en del af Engineering Laboratory på NIST, laver metalteststrukturer ved hjælp af additiv fremstilling, hvori han med vilje efterlader nogle tomrum, som også kan afbildes ved hjælp af CT-systemet. På samme tid, vi arbejder også på at karakterisere North Stars maskine, give dem teknisk feedback, der kan hjælpe med at forbedre deres systemdesign."

"CRADA har været ekstremt værdifuldt for NSI ved at karakterisere systemet til brug i forfining og forbedring af vores CT-systemdesign, " siger Tucker Behrns, Ingeniørchef hos NSI. "Vi har været i stand til at samle et væld af informationer ved at arbejde sammen med NIST-teamet, samtidig med at vi har fået upartisk feedback med fokus på metrologiske implikationer. Den unikke måleviden og -færdigheder, vi har adgang til som et resultat af denne aftale, har givet os mulighed for at opnå stor dybde i vores forståelse af de kritiske aspekter af maskinens funktion og ydeevne."

Et sideløbende mål er at hjælpe med udviklingen af ​​præstationsevalueringsstandarder, der kan offentliggøres over hele verden. "Både NIST og NSI er aktive i standardiseringsorganisationer, herunder International Organization for Standardization (ISO) og American Society of Mechanical Engineers, "Siger Shilling.

"Begge er i gang med at sammensætte standarder for specificering af CT-systemer. Det eneste præstationsevalueringsdokument, der findes nu for CT-dimensionel metrologi, er en tysk retningslinje, og holdet, der har sammensat retningslinjen, er også med til at udarbejde ISO-standarden. Til sidst, vi håber også at være i stand til at formidle bedste praksis og erfaringer om teknikker og artefakter."

CT virker ved at projicere røntgenstråler af passende energier gennem et objekt i successivt varierende vinkler. Forskellige slags materialer absorberer eller spreder flere eller færre røntgenstråler; så måling af røntgenstrålerne transmitteret gennem et objekt med flere funktioner i forskellige vinkler afslører dens indre struktur. I en typisk medicinsk CT-scanning, en røntgenkilde roterer kontinuerligt rundt om kroppen, opbygning af 2-D eller 3-D billeder, som afslører kredsløbsproblemer, tumorer, knogleuregelmæssigheder, nyre- og blæresten, hovedskader og mange andre tilstande.

Røntgen-CT for fremstillede genstande bruger nøjagtig de samme principper. I NSI-instrumentet på NIST, en prøve/testobjekt placeres på en scene mellem røntgenkilden og en detektorplade. Prøven drejer i en række små vinkeltrin omkring sin lodrette akse, og røntgenstrålen passerer gennem den, tage en dataramme på hver position. Hver måling producerer en enkelt 2-D skive. Computersoftware integrerer alle skiverne og opbygger et 3D-billede.

Imidlertid, der er mange komplicerende faktorer. For én ting, prøver kan indeholde både bløde polymerdele og flere hårde metalliske sektioner lagt i lag af smeltet eller sintret pulver. Hver type materiale har en iboende dæmpningskoefficient (den lethed, hvormed røntgenstråler passerer gennem materialet), som er afhængig af materialesammensætning og tæthed samt røntgenkildens energispektrum. NIST giver tabeller over røntgenmassedæmpningskoefficienter for grundstoffer med atomnumre fra 1 til 92 for specifikke røntgenenergier. Men ved at beregne dæmpningskoefficienten for multi-element forbindelser, såsom plastik kombineret med metal, ved at bruge et spektrum af røntgenenergi, er en udfordring.

"Vi er i stand til at variere spændingen og strømmen i røntgenkilden, "Shilling siger, "og vi kan placere forskellige filtre foran strålen for at justere røntgenspektret, der bevæger sig videre til måltestobjektet. Så systemet er meget i stand til at måle materialer fra plast til stål." Afhængig af kundens behov og den ønskede detaljeringsgrad, en målekørsel kan variere fra en halv time til fire timer eller mere.

Men hvordan kan nøjagtigheden af ​​disse billeder vurderes objektivt? Og hvad er de optimale måder at måle forskellige materialer og konfigurationer på? Svarene dukker langsomt op fra snesevis af forsøg, og "at udvikle de rigtige indstillinger er lidt af en kunst, " siger Shilling. Udover at justere spændingen og strømmen i røntgenstrålen og filtermaterialet, både afstanden mellem røntgenkilden og prøven, og prøven og detektoren, kan justeres for at opnå forskellige effekter.

På samme tid, Shilling og kolleger undersøger også aspekter af instrumentet, der potentielt kan føre til målefejl. "For eksempel, " hun siger, "når den lodrette akse af det roterende bord drejer, vi ønsker at se, hvor meget prøven kan bevæge sig i andre retninger - op og ned eller fra side til side. Det kan påvirke kvaliteten af ​​resultaterne. Det, vi senest har gjort, er at karakterisere disse bevægelser på maskinens vigtigste akser."

Denne indsats kræver følsomme kapacitansmålere og laserinterferometre, der kan registrere ekstremt små ændringer i position. Disse og andre målinger vil fortsætte i omkring et år mere under CRADA's betingelser.

"Hos NSI, " siger Behrns, "Vi har set en væsentlig stigning i brugen af ​​additiv fremstilling til produktionskomponenter på tværs af mange af de store markeder, vi betjener. Efterhånden som vores kunder fortsætter med at udvide anvendelsen af ​​denne teknologi, vi mener, at CT vil spille en afgørende rolle i identifikation og måling af interne strukturer, hvilket ikke er muligt med traditionelle metoder. Arbejdet med NIST har givet os mulighed for at fremskynde udviklingen af ​​CT-målingsteknologi, så vi kan fortsætte med at forbedre vores evne til at betjene dette hurtigt voksende marked."