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Los datos generados por la tomografía computarizada se emplean cada vez más para la medición y la reproducción de piezas y herramientas complejas

La TC para mediciones de precisión dimensional ya está en producción

Florian Knigge, director técnico de CT y metrología, Waygate Technologies

17/11/2020
En los últimos años, la tomografía computarizada industrial se ha desarrollado en términos de velocidad, grado de automatización y precisión. Gracias a su capacidad para visualizar y analizar las estructuras internas de los objetos de forma no destructiva, en alta resolución y en tres dimensiones, además de para los análisis de errores clásicos, es cada vez más interesante como tecnología de medición 3D precisa para investigación, desarrollo y producción.
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Tiempos de escaneo y evaluación significativamente más cortos, medición y calibración automatizadas, así como una precisión de medición considerablemente mayor y reproducible. En los últimos años, la tomografía computarizada industrial ha logrado avances notables. Como resultado, esta tecnología que ya hace tiempo que se había establecido en los laboratorios de investigación y calidad, ahora también ha alcanzado el nivel de la producción. Los datos de volumen generados ya no se utilizan solo para las pruebas no destructivas clásicas (es decir, para la búsqueda de defectos como grietas o poros), sino que también se emplean con más frecuencia para la medición y la reproducción de piezas y herramientas complejas. Con las máquinas de medición por TC, las geometrías internas, las cavidades y las muescas se pueden registrar rápida y fácilmente. En cambio, a menudo las máquinas de medición de coordenadas ópticas o táctiles solo proporcionan un resultado causando destrucción o con costosos dispositivos de registro individuales y una gran inversión de tiempo.

Además de las industrias de moldeo por inyección de plástico y fundición de metales, las industrias aeroespacial y automotriz, así como la tecnología médica, son pioneras en el uso de la TC como instrumento de medición. Los componentes típicos incluyen, por ejemplo, conectores, conjuntos de múltiples materiales, boquillas de inyección, álabes de turbinas o implantes. El uso cada vez mayor de métodos de fabricación aditiva también está dando lugar a componentes con geometrías internas complejas que eran inaccesibles con otros métodos de medición. La TC se puede utilizar para optimizar y acortar los procesos de desarrollo e inspección inicial, así como para acelerar la producción y llevar a cabo controles de calidad y optimización de procesos durante la producción.

Registro de geometría completo y alta densidad de información

Gracias a la posibilidad de capturar la geometría completa de una muestra de forma tridimensional y con alta densidad de información, así como todas las funciones de prueba en una sola tomografía computarizada para, por ejemplo, crear cualquier sección virtual, la tecnología de la TC abre nuevas posibilidades de análisis y permite ahorrar tiempo al efectuar monitorizaciones de calidad. Por ejemplo, un análisis de porosidad automático (imagen de abajo) puede mostrar el tamaño de las inclusiones tabulares o de color en un componente. De esta manera, se pueden sacar conclusiones sobre la calidad del proceso de moldeo por inyección o sobre la estabilidad de la pieza de trabajo.

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La figura 2 ilustra otros usos posibles de la TC, como el dimensionamiento clásico de geometrías estándar y espacios abiertos, incluidas todas las tolerancias de forma y posición conocidas. Con una comparación objetivo/real, no solo se pueden representar completamente en una escala de colores fácil de interpretar las desviaciones geométricas de una muestra. En este caso, la comparación con los datos CAD de la pieza de trabajo también muestra que los grupos de poros más grandes detectados se encuentran en áreas que se eliminarán en el transcurso del mecanizado posterior.

Cómo se convierte un sistema de TC en un instrumento de medición 3D

Antes de que un tomógrafo se pueda utilizar para tareas de medición de precisión, se requieren mediciones por parte del fabricante. De esta manera, se puede lograr y mantener la precisión de medición especificada, que está en el rango de unos pocos micrómetros. Para evitar que las fluctuaciones de temperatura influyan en la medición, el sistema se lleva a una temperatura definida en una cámara climática durante varios días. Solo entonces comienza la medición de los componentes del sistema central, como el detector de área, el manipulador y el tubo de rayos X.

En los sistemas de TC, la medición física real consiste en registrar una serie de imágenes de proyección de rayos X en 2D. Para ello, el objeto de prueba se coloca en un sistema de manipulación muy preciso y, durante la medición, se gira 360° con la ayuda de un eje giratorio de precisión. Las imágenes de proyección 2D se registran en pasos angulares, típicamente de < 0,5 º. La calidad de los datos sin procesar la determinan, sobre todo, la nitidez de las imágenes de rayos X, que depende en gran medida de la calidad de la fuente de rayos X y el detector, así como la precisión y estabilidad de la geometría del sistema.

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El conjunto de datos de volumen del cuerpo de prueba se genera a partir de los datos sin procesar con la ayuda de una reconstrucción numérica de la retroproyección filtrada. Para un resultado de medición óptimo, el algoritmo de reconstrucción debe tener en cuenta las mediciones geométricas de los componentes del sistema previamente determinadas por el fabricante, así como los efectos físicos que se producen, p. ej. considerar y corregir el llamado endurecimiento del haz o la expansión térmica.

Después de leer los datos de la superficie del cuerpo de prueba extraídos del conjunto de datos de volumen en el software de evaluación 3D se pueden llevar a cabo los siguientes pasos de la medición. Éstos incluyen, entre otros, una comparación objetivo/real entre los datos de superficie y el modelo CAD con análisis de varianza y mediciones del espesor de la pared o mediciones con la ayuda de la adaptación de geometrías estándar o espacios abiertos.

Cadena de proceso mejorada para una precisión constante según VDI2630

Hasta hace unos años, apenas existía la posibilidad de comparar la precisión de los sistemas de TC de alta resolución individuales entre sí. Hace una década, cuando se publicó la norma VDI 2630, por fin se definió una norma industrial vinculante que obliga a que todos los fabricantes determinen la incertidumbre de medición y, por lo tanto, la idoneidad del proceso de prueba de los sistemas de TC.

Las incertidumbres de medición se obtienen de la cadena de proceso descrita anteriormente para la medición 3D con sistemas TC. La calidad de los datos sin procesar (datos de proyección de TC) determina enormemente la precisión de todas las evaluaciones posteriores. Además de una estructura de sistema estable optimizada para la aplicación respectiva, la combinación correcta de herramientas de hardware y software para minimizar las desviaciones geométricas es la clave para llevar a cabo mediciones de precisión exitosas con la tomografía computarizada.

Durante mucho tiempo, la laboriosa medición y la calibración regular del sistema por parte del cliente, necesarias para usar la TC como instrumento de medición de alta precisión correctamente, se consideró un obstáculo para su adquisición, especialmente en el entorno relacionado con la producción. En este aspecto, algunos dispositivos de TC también han evolucionado mucho en términos de manejo y esfuerzo.

Máximo rendimiento y fiabilidad para la tecnología de medición de TC: V|tome|x M

A continuación, el ejemplo del escáner Phoenix V|tome|x M300 de Waygate Technologies (anteriormente GE Inspection Technologies) muestra cómo el avance tecnológico de los sistemas de TC industriales asegura que logren constantemente la precisión requerida, con escaneos rápidos y alto rendimiento de muestras al mismo tiempo. El potente sistema de TC de microenfoque de 300 kV se desarrolló para la tecnología de medición 3D y el análisis de errores, y reúne una gran cantidad de innovaciones de TC patentadas para llevar a cabo mediciones de precisión reproducibles en un tiempo comparativamente corto.

El Phoenix V|tome|x M está equipado de serie con un detector de rayos X de 4 MP altamente dinámico patentado de última generación. Con un tamaño de píxel de 200 µm, el detector ofrece una sensibilidad 10 veces mayor que los detectores DXR convencionales. Una aceleración de los ciclos de escaneo de 2 a 3 veces, manteniendo la misma calidad de imagen, hace que las inspecciones y mediciones sean más eficientes y productivas.

La propia tecnología Scatter|Correct de la empresa, por ejemplo, elimina automáticamente los artefactos de radiación dispersos y con un escaneo de pocos minutos logra una calidad de imagen significativamente mayor, especialmente con muestras altamente absorbentes, que de otro modo solo se lograría con una tomografía de línea significativamente más lenta en aproximadamente una hora.

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Waygate Technologies, que cuenta con líneas de productos de rayos X, como Seifert y Phoenix|x-ray, así como con 125 años de experiencia en el desarrollo de sistemas de rayos X 2D y de TC 3D, es el líder mundial del mercado de aplicaciones industriales de TC. La empresa es conocida por la excelente calidad de sus datos de imagen y volumen, así como por la fluida integración de sus hardware y software patentados, como detectores, generadores y tubos de rayos X con software avanzado de escaneo, calibración y corrección. La amplia variedad de sistemas de TC cubre diferentes requisitos según el tamaño y el peso de las muestras, su transparencia o el nivel de reconocimiento de detalles requerido.

Soluciones fáciles de usar para escaneos totalmente automatizados

El software Datos|x, desarrollado por Waygate Technologies, contiene todas las funciones de control y procesamiento necesarias para verificar y calibrar el sistema de tomografía, registrar datos de proyección, realizar una reconstrucción rápida y optimizada de volúmenes, generar datos de superficie geométricamente correctos del objeto escaneado y llevar a cabo mediciones con paquetes de software adecuados. Todo es muy intuitivo y está totalmente automatizado con solo pulsar un botón. Estas funciones básicas se pueden complementar con soluciones de automatización a medida para cambiar muestras y filtros.

La tecnología patentada para reducir artefactos Scatter|correct minimiza la cantidad de radiación dispersa para cada vóxel. De esta forma, el método aumenta el rendimiento de la inspección y la precisión de las aplicaciones, especialmente cuando se escanean muestras difíciles de penetrar con un número atómico relativamente alto, p. ej., metales. En muchas aplicaciones, esto permite utilizar escáneres TC de 300 kV para tareas de inspección que normalmente requerirían una inversión en equipos TC de alta energía de 450 kV más costosos o detectores de línea significativamente más lentos.

Medición rápida y sencilla

Al igual que con cualquier otra tecnología de medición, para garantizar la precisión especificada del sistema general es esencial llevar a cabo mediciones regulares. Con Ruby|plate, Waygate Technologies ha desarrollado un cuerpo de calibración extremadamente preciso y eficaz para determinar la posición exacta del punto focal y, por lo tanto, la geometría correcta del sistema.

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Ruby|plate es un objeto de prueba calibrado en un laboratorio de calibración certificado con una precisión de entre 0,5 y 0,7 micrómetros. El sistema lo tomografía y lo mide automáticamente con dos distancias al detector definidas. Al hacer una comparación con los valores objetivo calibrados, cualquier desviación en la escala se puede reconocer y corregir de forma totalmente automática. La tecnología de posición True|position, única en el mundo, extiende la precisión especificada a todas las posiciones de medición que se pueden verificar con Ruby|plate.

Gracias a las últimas optimizaciones de software y hardware, el tiempo de medición del Phoenix V|tome|x M se ha reducido drásticamente, pasando de los 40 minutos originales a tan solo 8-15 minutos (dependiendo de la configuración). El propio operador puede realizar y registrar esta medición rápida en cualquier momento con solo unos pocos clics. Asimismo, con la ayuda del cuerpo de prueba Ruby|plate, se puede llevar a cabo una validación completa y completamente automática para la supervisión del equipo de medición de acuerdo con VDI 2630.

TC: una alternativa real para la medición de precisión

Gracias al alto grado de automatización de las rutinas de calibración y validación, ahora los operadores de sistemas de TC necesitan mucho menos tiempo y conocimientos especializados para poder medir de forma reproducible. Con una precisión de medición de hasta (3,8+L/100) µm (desviación del punto central de la bola de acuerdo con VDI 2630 hoja 1.3), Phoenix V|tome|x M cumple hasta los requisitos de precisión más exigentes. Sin embargo, en la práctica de medición diaria es aún más importante que, gracias a Ruby|plate y True|position, Waygate Technologies es el primer proveedor capaz de lograr una precisión de medición destacable (5,5+L/50) µm en todas las demás posiciones del volumen de medición. Si se utiliza una calibración automatizada adicional, la precisión puede ser incluso de (3,8+L/100) µm. Además de esta extraordinaria precisión, los tiempos de exploración significativamente más cortos y las opciones de evaluación ampliadas significan que la tecnología TC es ahora una alternativa real para las mediciones de precisión en el entorno de producción.

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