X-ray computed tomography for coordinate metrology and industrial applications

La tomografia computerizzata a raggi-X (CT) si è affermata negli ultimi anni come tecnologia di misura innovativa per la metrologia dimensionale nel settore industriale. L’utilizzo di un sistema CT industriale comporta una serie di importanti vantaggi nei confronti di altri sistemi di misura a coordinate (CMSs). In particolare, il CT consente di ottenere un modello tridimensionale completo dell’oggetto scansionato e di condurre misure non distruttive e non a contatto di geometrie e caratteristiche sia esterne sia interne e di difficile accesso. Tuttavia, alcuni svantaggi rilevanti limitano una più estesa diffusione di questa tecnologia nel settore industriale. Uno dei problemi più critici risiede nella riferibilità metrologica delle misure CT, complicata dalla difficoltà nel determinare l’incertezza di misura e nel valutare le prestazioni metrologiche dei sistemi CT. Inoltre, uno standard internazionale dedicato ai test per l’accettazione e per la verifica delle prestazioni dei sistemi CT è tuttora in via di sviluppo. Le attività sperimentali presentate in questo lavoro di tesi sono state focalizzate principalmente sulla valutazione e sul miglioramento delle prestazioni metrologiche del CT. L’influenza del materiale sugli errori di misura di lunghezza è stata studiata mediante indagini basate su due campioni di riferimento: una hole plate di alluminio, caratterizzata da un’influenza significativa del materiale e una ball plate di rubino, caratterizzata da un’influenza del materiale trascurabile. I risultati ottenuti hanno contribuito alla campagna sperimentale incentrata su questo argomento organizzata dal working group dedicato allo sviluppo del futuro standard ISO per il CT. La qualità d’immagine delle proiezioni radiografiche bidimensionali acquisite mediante CT è fondamentale per ottenere una buona qualità nella ricostruzione del modello tridimensionale dell’oggetto scansionato. Essa è connessa al concetto di blurring o sfocatura dell’immagine e, di conseguenza, alla qualità della macchia focale da cui viene emesso il fascio di raggi X. All’interno di questa tesi vengono descritti nuovi metodi sviluppati per valutare l’effettiva dimensione della macchia focale e l’eventuale drift che essa può subire durante una scansione tomografica. Considerando l’intera procedura di misura CT, una caratteristica metrologica molto importante da considerare è la risoluzione strutturale metrologica (MSR). Nonostante siano stati proposti diversi metodi per la valutazione della MSR, un test univoco da includere nel futuro standard ISO dedicato al CT deve ancora essere definito. In questa tesi, il metodo ‘Hourglass’ – sviluppato dall’Università di Padova - è stato selezionato per valutare la MSR. Questo metodo è stato migliorato mediante la misura di un elevato numero di distanze e applicando una definizione di MSR simile a quella proposta dalla linea guida tedesca VDI/VDE 2617-13. Inoltre, il concetto alla base di tale metodo è stato confrontato con quello di altri metodi e i principali fattori che possono influenzarne i risultati sono stati identificati e valutati. Essendo la tomografia computerizzata a raggi-X una tecnica di misura molto versatile, il suo potenziale può essere sfruttato da un gran numero di applicazioni industriali. Tuttavia, l’accuratezza dei risultati di misura CT è spesso ignota. Per questa ragione, la determinazione dell’accuratezza di misura e il confronto con altri metodi di misura consolidati sono cruciali per una piena accettazione del CT in ambito industriale. In questa tesi sono stati affrontati due casi di rilevanza industriale: (i) analisi di porosità su componenti metallici realizzati mediante produzione additiva e (ii) determinazione dell’usura di componenti protesiche in polietilene. Per quanto riguarda il primo studio, il CT è stato confrontato con altre tecniche d’indagine: metodo di Archimede, picnometro a gas e analisi microscopica di sezioni di taglio. In aggiunta, una macchina di misura a coordinate (CMM) multi-sensore è stata utilizzata per ottenere valori di riferimento per l’area di un certo numero di pori distribuiti su alcune sezioni di taglio selezionate. Nel secondo studio, il metodo CT proposto è stato validato mediante confronto con il metodo gravimetrico, che è l’attuale metodo di riferimento utilizzato per la determinazione del grado di usura.