RENTGENOVÁ POČÍTAČOVÁ TOMOGRAFIE PRO ANALÝZU ODLITKŮ, DEFEKTOSKOPII A KONTROLU ROZMĚRŮ X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY FOR CASTING ANALYSIS, DEFECTOSCOPY AND DIMENSIONAL INSPECTION T. Zikmund 1, M. Petrilak 1, J. Kaiser 1,2 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. Tuto metodu lze využít i pro analýzu šířky mezer. 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: tomas.zikmund@ceitec.vutbr.cz, 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