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De la precisión, la repetibilidad y la realidad de la tomografía computarizada

Naiara Ortega, Iker Cerrillo y Asier Fernández, del Centro de Fabricación Avanzada en Aeronáutica (Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea)14/02/2017
La tomografía computarizada (CT, XCT o iCT) se emplea en la industria desde hace más de 30 años, principalmente por el interés de su aplicación en ensayos no destructivos. El desarrollo de herramientas más potentes con fuentes de rayos-X más estables y detectores impulsa su empleo en la industria, principalmente en fabricación y metrología con precisión de micrómetros. Uno de los mayores retos que aún están sin resolver en esta tecnología es la estimación o cuantificación de la incertidumbre de medida motivado, principalmente, por la dificultad de obtener trazabilidad.

Los rayos-X fueron descubiertos en 1895 por el físico alemán Wilhelm Conrad Rötgen (premio Nobel en Física en 1901). La aplicación en medicina de esta tecnología siempre ha sido evidente, pero en 1969, Godfrey Newbold Hounsfield construyó el primer escáner de tomografía computarizada para fines médicos. La primera aplicación de esta tecnología a nivel industrial data de 1980, en el campo de los ensayos no destructivos. El primer análisis 3D cuantitativo con medición de volumen y distancias se realizó en 1990 [1]. Sin embargo, la precisión no era superior a 0,1 mm. En 2005 apareció en la feria alemana Control (celebrada en Stuttgart) la primera máquina de tomografía especialmente diseñada para control metrológico, lo que supuso toda una revolución [2]. De hecho, hoy en día esta tecnología se perfila como seria competidora de sistemas convencionales como las máquinas de medir por coordenadas o los brazos articulados con tecnología de medición de contacto u ópticas. Esto ha sido posible gracias a las mejoras tanto en hardware como en software. Esta prometedora tecnología permite la caracterización geométrica de objetos, determinación de composición de material, inspección de variación de densidad, etc. Además, en ciertos casos y dependiendo de la precisión necesaria, esta técnica permite la construcción tridimensional completa de un modelo así como la verificación de las tolerancias de un componente.

1. Introducción

Desde la aparición de la primera máquina de General Electric destinada a metrología vía CT, muchos otros fabricantes como Nikon-Metrology, YXLON, Zeiss o Werth, entre otros, han ofertado sus propuestas en diferentes rangos de precisión [2-6]. Aunque la precisión de estas máquinas es variable en función de sus prestaciones, para tener un orden de magnitud podemos tener las siguientes referencias:

  1. Metrotom 800 130 kV de Zeiss, una máxima resolución espacial de 3,5 µm (ISO 15708) con una precisión MPESD= 2,9 µm + L/100 (VDI/VDE 2630).
  2. Phoenix Nanotom m de General Electric, una máxima resolución de 0,3 µm (ISO 15708)
  3. MCT225 de Nikon Metrology, con precisión MPESD=9 + L/50 µm conforme a la VDI/VDE 2630 1.3.
  4. FF20 CT de YXLON, con MPESD= 3,9 µm + L/75 µm conforme a la VDI/VDE 2630 1.3.
  5. Werth TomoScope 200 con 4,5 µm de precisión máxima.

Estas precisiones han hecho posible que la tomografía computarizada se abra hueco y sea demandada en controles de calidad del material de forma simultánea a los controles metrológicos. Las ventajas y desventajas de esta tecnología aparecen en la tabla 1.

VENTAJAS

DESVENTAJAS

  • No destructivo
  • Complejo y numerosas variables de influencia en los resultados cuantitativos
  • Determinación cuantitativa de geometría interna y externa
  • No hay estándares generales
  • Información sobre densidad del material
  • Pérdida de capacidad de medición por aparición de brillos no reales en las imágenes
  • Posibilidad de escanea cualquier superficie, color, forma o material hasta una densidad y espesor que sea penetrable por Rayos-X
  • Falta de trazabilidad

 

  • Problemas en el escaneo de múltiples materiales (difícil cuantificar mediciones)
  • El espesor máximo penetrable limita el tamaño del objeto a escanear

Tabla 1. Ventajas y desventajas de la CT.

El hecho de utilizar una tecnología no destructiva para la verificación de piezas tanto en su interior como en el exterior, amplía el rango de aplicaciones. Un resumen de las aplicaciones más demandadas aparece en la tabla 2.

NDT

Metrología dimensional

  • Análisis de defectos/fallos
  • Comparación contra CAD
  • Detección y medición de grietas
  • Mediciones internas no destructivas
  • Inspección de montajes
  • Ingeniería inversa
  • Detección y análisis de porosidad y vacíos
  • Análisis de volumen 3D
  • Determinación de densidad (composición de material)
  • Inspección de primera pieza (FAI)

Tabla 2. Aplicaciones demandadas de la tecnología de tomografía con Rayos-X.

Las ventajas y capacidades mencionadas hacen que la tecnología CT esté penetrando de forma importante en el mercado mundial. Según algunas fuentes, este año, en 2017, el mercado de inspección de rayos-X será de 591 M$. La distribución por países sería la que aparece en la figura 1.

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Figura 1. Tendencias de uso de inspección por rayos-X en diferentes mercados: distribución global y sistemas instalados [7-9] [Frost & Sullivan 2011-03-24.]

El mercado mundial de la metrología dimensional realizada mediante tomografía computarizada está en un estadio incipiente en términos de adopción del mercado. La TC se reconoce progresivamente como una solución prometedora para el control de calidad. Actualmente, los principales fabricantes de equipos originales (OEM) y centros de investigación (y universidades) están participando en el desarrollo de sistemas de CT y ampliando sus aplicaciones en el mercado. Se está realizando un análisis en profundidad del mercado potencial de la metrología por CT que cubre, por precisión, los sistemas CT de microfoco y nanofocus. Los mercados o sectores con mayores expectativas son automoción, aeronáutico y transporte por los cada vez mayores requisitos de aseguramiento de la calidad e integridad de las piezas unida a la seguridad. Se está hablando ya de la sustitución de las máquinas de medir por coordenadas por estos sistemas. Las ventajas de la tomografía son la mayor rapidez en la medición y una precisión relativa alta (y creciente). De hecho, Werth ya está comercializando máquinas híbridas multisensor con tomografía y palpador de contacto para asegurar la trazabilidad.

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Figura 2. (Izda.) Esquema de máquina de tomografía computarizada multisensor con probeta de contacto modelo Werth TomoScope 200 [werth] [2]; (dcha.) Tiempo de escaneado frente a número de características a medir en una pieza mediante diferentes tecnologías [9]

En la figura 2 (dcha.) se muestra una gráfica que, de forma cualitativa, compara el tiempo de escaneado de una pieza empleando diferentes tecnologías. El resultado muestra que, bajo condiciones de intensa inspección de pieza, la tomografía resulta mucho más rápida que las máquinas de medir por coordenadas aun cuando se empleen en éstas sistemas de medición óptica o de visión.

Además de los sectores mencionados, el sector de la electrónica y los microcomponentes también requiere de esta tecnología, sobre todo de cara a inspección de soldaduras de tipo oculto.

Los sectores emergentes detectados son la industria alimenticia. El futuro estará en la implementación de tomografía en inspecciones en líneas para verificar el correcto envasado, vacío, no impurezas o cuerpos extraños, etc., todo ello sin destrucción del componente (alimento) y sin parar la producción.

Otro de los sectores más prometedores son los relacionados con la seguridad, inspección e equipajes, contenedores de mercancías, o similares.

Por último, destacan los nuevos materiales como componentes de fibra de carbono donde se podrá inspeccionar aspectos como la delaminación en zonas no accesibles o problemas de fabricación.

Sin embargo, aunque las ventajas son evidentes y la tecnología ofrece suficiente resolución y precisión aún no está madura y adolece de falta de trazabilidad para las mediciones cuantitativas de geometría de materiales avanzados o compuestos.

2. Fundamentos de la tomografía computacional

Un sistema tipo de tomografía consiste en una fuente de rayos-X, una serie de ejes para el posicionamiento y movimiento del componente a estudiar (mesa rotativa, como mínimo), un detector de rayos-X y una unidad de procesamiento, visualización y análisis o medición de los resultados obtenidos. En principio, este sistema crea imágenes proyectando un haz de fotones a través de un plano de un objeto en diferentes posiciones angulares hasta completar una revolución. El haz de rayos-X (fotones emitidos) se emite hacia el objeto en estudio de modo que algunos de ellos son absorbidos, otros dispersados y otros se transmiten a través de la pieza. Solo los fotones trasmitidos a través de la pieza llegan a ser detectados por el detector y visualizados en la unidad de procesamiento. La escala de grises 3D se relaciona numéricamente con la distribución de la densidad de los fotones al atravesar la pieza [10].

En una medición mediante tomografía, se realizan 4 pasos fundamentales que se describen en la guía alemana VDI/VDE 2630 parte 1.2 [11]:

  1. Escaneado del objeto. Los parámetros seleccionados para esta tarea son: magnificación, orientación del objeto, energía de los rayos-X, tiempo de integración del detector, etc.
  2. Tras el escaneado y una vez obtenidas las proyecciones 2D de toda la pieza, se reconstruye el volumen. Este volumen se modela como una matriz 3D de voxels (abreviación del pixel volumétrico), donde cada voxel representa el coeficiente de atenuación local del objeto escaneado. Es decir, a cada voxel, se le asigna un valor de gris correspondiente a la densidad de absorción local de los rayos-X. En este punto se pueden aplicar diferentes técnicas de corrección sobre las proyecciones 2D para minimizar el efecto de la radiación dispersada y del denominado beam hardening.
  3. Se selecciona un valor para el threshold, parámetro de influencia fundamental en estos análisis, tanto a nivel cualitativo como cuantitativo [12].
  4. Se genera el volumen del modelo. Este modelo se crea en formato STL, caracterizado por una malla poligonal con forma de triángulos sobre la superficie del objeto.
  5. Medición directa del modelo (sobre su volumen o superficie).
  6. Obtención de resultados.

Existen dos variantes para el escaneado de los objetos: 2D-CT y 3D-CT. La diferencia fundamental reside en la forma de la fuente de rayos-X (abanico o cono) y en el detector (1D o 2D, respectivamente) (ver figura 2). La ventaja del sistema 3D reside en la disminución del tiempo necesario para el escaneo, mientras su desventaja proviene de los problemas derivados de que la fuente tenga forma de cono, como es la desviación de parte del rayo en las zonas superior e inferior del objeto a escanear, afectando a la calidad de la reconstrucción geométrica.

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Figura 3. Soluciones de detectores 2D y 1D para inspecciones 3D y 2D respectivamente [3].

En el caso de escaneo 1D se emplea movimiento vertical para el escaneo de toda la altura de la pieza. Así, aunque el tiempo de escaneo sea mayor, se pueden aprovechar las ventajas de estos sistemas como un ratio mayor de señal recibida frente al ruido recibido al captar mayor cantidad de energía de los rayos incidentes. Además, estos detectores pueden ser curvos con el centro de curvatura en el spot del haz de rayos-X reduciendo la deformación de la imagen cuando se mueve respecto del pixel central.

La calidad del escaneado se deteriora desde el centro hasta los bordes del detector por razones geométricas dando lugar a un mayor nivel de ruido en estas zonas. Este problema se puede minimizar empleando una trayectoria helicoidal de la pieza (giro de mesa y traslación vertical combinadas) [13-14]. Así, se obtienen un mayor número de cortes en la parte central del detector y una resolución más homogénea a lo largo del escaneo de toda la pieza, tanto en la zona central de la misma, como en los bordes superior e inferior.

2.1. Resolución de los sistemas CT

Existen multitud de factores que influyen en la resolución espacial de una pieza escaneada y, posteriormente, reconstruida en 3D. Estos factores son: el tamaño del foco de la fuente de rayos-X, tamaño de pixel del detector, magnificación, número de proyecciones (cortes 2D para la reconstrucción del 3D), algoritmos de reconstrucción para el 3D y el procesamiento de datos. En la calidad de la imagen, el que más influencia tiene de todos ellos es el tamaño del spot según el cual existe una clasificación de sistemas CT. Así, sistemas con tamaño de spot mayor de 0,1 mm se denominan sistemas macroCT, los que tienen tamaño de foco entre 0,1 y 0,001 mm se denominan microCT (o µCT) y por debajo de ese valor, nanoCT, con valores de tamaño de spot hasta de 0,4 µm [15-16].

Otros sistemas como los sincrotrón CT (sCT) alcanzan tamaños de hasta 0,2 µm y, en caso de aplicar óptica Kirkpatrick-Baez (sCT+KB) se pueden alcanzar tamaños de spot tan pequeños como 0,02 µm [17].

En la figura 4 se observa el campo de aplicación de estos tipos de sistemas CT en función de su resolución.

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Figura 4. Resolución obtenida en función del rango de medición en diferentes sistemas de CT [9].

2.2. Precisión de los sistemas CT

Al igual que sucede con otros sistemas de medición e inspección, la incertidumbre de medida de los sistemas CT depende, en gran medida, del objeto concreto a escanear/medir y de los parámetros seleccionados para ello. Tal y como se ha comentado anteriormente, aún existe una falta de estándares y de trazabilidad en las medidas realizadas mediante sistemas CT por lo que se está realizando un importante esfuerzo de investigación. En la bibliografía se encuentran multitud de estudios sobre la estimación de la incertidumbre de medida que nos pueden ayudar [18-20].

La necesidad de obtención de trazabilidad y estándares es tal que se ha creado un consorcio danés para ello ‘Center for Industrial Application of CT Scanning-CIA CT’, varios proyectos europeos, iniciativas Marie Curie o congresos específicos (New X-ray imaging Modalities for Safe and high Quality Food (NEXIM), INTERAQCT-international Network for the Training of Early stage Researches on Advanced Quality control by computed Tomography, international Conference on Industrial Computed Tomography en Wels, Austria).

También se han realizado comparaciones entre laboratorios para dar respuesta a este problema en la aplicación de la tomografía a la metrología dimensional. El último estudio, denominado CT Audit, data de 2011 [21]. Los resultados indican que se puede obtener información sub-voxel empleando artefactos de calibración (ver figuras 19 y 20) que permiten errores de medida por debajo de 1/10 del tamaño del voxel. Las mediciones de forma, sin embargo, están más afectadas por el ruido en los datos que por el tamaño del voxel.

En la figura 5 se puede encontrar una referencia de la incertidumbre expandida para sistemas CT en comparación con la de referencia de las CMM.

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Figura 5. Incertidumbre expandida estimada en función del rango de medición [22].

3. Aplicación industrial de la CT

La aplicación estrella de esta tecnología es el análisis no destructivo de cara a detección de grietas y poros internos, así como la determinación de la composición del material en todo el volumen del componente escaneado. Esta última demanda viene, principalmente, del sector de automoción que requiere de la inspección y control de calidad de grandes piezas fundidas como bloques motor o cajas de engranajes. Por lo tanto, permite detección y localización de defectos de forma cuantitativa.

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Figura 6. Ejemplos de componentes escaneados mediante CT: (izda) Inyector de 30 mm de altura fabricado por Additive Manufacturing, (dcha-superior) pieza fabricada por inyección de aluminio [23], (dcha-inferior) composite de fibra de vidrio [24]

Esta tecnología también se ha introducido con fuerza para metrología en sectores como el aeronáutico. En la figura 7 se observa un ejemplo del resultado de un análisis de un álabe de turbina.

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Figura 7. Resultados de la inspección de un álabe de turbina mediante CT [25].

En el caso de la aplicación metrológica, esta tecnología necesita un modelo CAD con el que comparar el modelo 3D escaneado (obtención del color mapping). Sin embargo, tal y como se ha comentado previamente, hay que ser precavidos con esta tecnología ya que, a día de hoy, aún es complejo determinar si una imprecisión de la pieza se debe al sistema de tomografía o a la propia pieza mal fabricada. Por ello, es necesaria una comparación con un sistema o equipo trazable. Lo más habitual es el empleo de equipos como las máquinas de medir por coordenadas.

No obstante, para establecer una buena comparación, se deben comparar exactamente los mismos puntos del objeto, ya que de otra forma podría haber diferencias de algunos micrómetros atribuibles al sistema de medición que realmente pertenecen a errores en la fabricación de la pieza. En resumen, se debe definir la estrategia de medición de forma similar con ambas tecnologías, cualesquiera que sean.

Otra aplicación habitual de esta tecnología es la detección de defectos en piezas fabricadas por Additive Manufacturing para determinar la geometría interna y la porosidad.

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Figura 8. Inspección mediante CT durante un ensayo de tracción de una probeta de fatiga fabricada por additive Manufacturing en acero inoxidable [26].
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Figura 9. Ejemplo de componente con estructura interna fabricado por Additive Manufacturing [9]

4. Factores que influyen en la CT

Existen numerosos factores que influyen en la CT. En la siguiente figura se pueden observar los que más importancia tienen. No obstante, en la guía VDI/VDE 2630 parte 1.2 se encuentran los factores de influencia para los resultados de medición con CT, así como recomendaciones para medición con CT [11] (ver figura 10).

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Figura 10. Esquema de los factores que influyen directamente en la incertidumbre de medida mediante CT.

A continuación se describen algunos de estos factores que limitan la trazabilidad de la tecnología y que deben tenerse en cuenta a la hora de emplearla.

4.1. Objeto de medición

El número de fotones transmitidos a través de un material, corresponde al coeficiente de atenuación lineal, éste depende del grosor, la densidad y número atómico del material y la energía de los fotones individuales, y generalmente se reduce de forma exponencial mientras viaja a través del material tal y como se muestra la figura 11.

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Figura 11. Dependencia entre el número de fotones transmitidos y emitidos [27].

Voltaje rayos-X

130 kV

150 kV

190 kV

225 kV

450 kV

Acero/cerámica

5 mm

<8 mm

<25 mm

<40 mm

<70 mm

Aluminio

<30 mm

<50 mm

<90 mm

<150 mm

<250 mm

Plástico

<90 mm

<130 mm

<200 mm

<250 mm

<450 mm

Tabla 3. Valores de penetración máxima para diferentes materiales [28].

Una imagen esquemática de la influencia del número atómico y de la densidad del material de la intensidad transmitida en forma de rayos X se muestra en la figura 12. Los círculos de mayor tamaño representan átomos individuales de alto número atómico mientras que los pequeños representan los átomos con número atómico menor. Los átomos de alto número atómico presentan mayor probabilidad de interacción con los fotones. La figura 12 (c) y (d) muestra que la menor cantidad de átomos que representan materia con baja densidad darán lugar a una menor atenuación. Por lo tanto, los rayos-X penetran mejor en materiales con menos densidad, ya que los materiales más densos ofrecen una mayor resistencia a la penetración de rayos-X, al absorber más energía.

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Figura 12. Esquema de la influencia del número atómico y de la densidad de material en la intensidad de energía trasmitida

4.2. Beam hardening

El haz de rayos-X que atraviesa el material consiste en unos rayos X con espectro de diferentes energías. Los rayos-X policromáticos con energías más bajas son absorbidas más fácilmente, ya que el coeficiente de atenuación lineal generalmente disminuye al aumentar la energía. Como consecuencia, los rayos-X con energías superiores permanecen en el haz al pasar por la materia, siendo menos propensos a ser atenuados. También, cuanto más tiempo pasen los rayos atravesando el material más fotones de baja energía serán absorbidos, lo cual provoca un haz más penetrante. En otras palabras, el haz se vuelve más duro, es decir, la energía aumenta, y de ahí proviene el nombre beam hardening. Por lo tanto, para la radiación policromática, la atenuación total de los rayos-X incidentes ya no es una función lineal dependiente del espesor de los objetos. Al ser este efecto no lineal, las imágenes reconstruidas en CT están alteradas por destellos no reales que pueden ser brillos en bordes, rayas, y fenómenos ambientales [44-45]. Por la aparición del beam hardening resulta a veces complicado interpretar cuantitativamente los datos medidos, ya que cambia la atenuación. Además, por el mismo motivo se complica la determinación del threshold (superficie de la pieza), así como las mediciones de densidad y resolución. Consecuentemente, es de esperar errores de medición más altos si no se aplica ninguna corrección al efecto del beam hardening. Es más, los mismos materiales pueden mostrarse con escalas de grises diferentes dependiendo del material que les rodee. A este efecto se le conoce como la distorsión de densidad del medio ambiente [29]. Una imagen típica del efecto generado por el beam hardening se puede ver en la figura 13.

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Figura 13. Efecto del efecto beam hardening debido a la falta de penetración [30].

Este problema también es frecuente en los análisis multi-material de componentes que incluyen partes metálicas y no metálicas (ver figuras 14 y 15).

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Figura 14. Imagen comparativa de escaneo de pieza de plástico con pins de metal: (Izda) 225 kV (tubo de 200 kV); (dcha) 450 kV (tubo de 300 kV) [31].
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Figura 15. Imágenes con diversos ejemplos de destellos originados por los insertos de metal en piezas no metálicas [31].

Se pueden reducir los efectos del beam hardening mediante:

  • El empleo de una corrección durante la reconstrucción de la imagen
  • El empleo de filtros de aluminio, cobre o latón
  • El empleo de tamaños de muestra pequeños

4.3. Orientación y posicionamiento de la pieza

La pieza de trabajo se coloca y se fija en la mesa giratoria para que no se mueva durante el escaneo. La orientación del objeto de medición influye en la variación de la longitud de los rayos que pasan a través del objeto durante la rotación del objeto en estudio. En la variación más grande de la longitud del objeto (como ocurre cuando hay grandes variaciones de secciones en piezas de trabajo durante la adquisición) se puede esperar una débil reconstrucción de la imagen, por una exposición no correcta de las proyecciones reconstruidas. Las imágenes pueden eclipsarse o aparecer demasiado oscuras por culpa de longitudes de rayos-X diferentes [32]. Ambas situaciones tienen que ser evitadas y se recomienda una proyección correcta para una reconstrucción adecuada del modelo volumétrico. En el caso de poder conseguirse, es posible que aparezcan destellos en el modelo volumétrico. Por todo esto, el usuario debe colocar el objeto de tal manera que los rayos se distribuyan homogéneamente en cualquier posición.

En [33] se indica que, para geometrías simples como cilindros huecos, la influencia de la posición del objeto sobre la mesa giratoria no es importante como en otros componentes e geometrías más complejas.

Este grupo de investigación estudió la influencia de la orientación de la herramienta, la ampliación, la distancia fuente-objeto-detector y el método de extracción de superficie sobre las actuaciones de los equipos de TC. En este estudio, se utilizó una referencia del tipo barra de step de 42 mm empleada para verificación de escáneres ópticos, el cual se utiliza para la verificación de un escáner óptico NanotomCT para GE Phoenix|X-ray situado en Novo Nordisk [34]. Las pruebas experimentales se realizaron orientando la pieza de trabajo en dos direcciones diferentes, una vertical y otra a 45 https://www.interempresas.net/FlipBooks/MR/, como se muestra en la siguiente figura. Se evaluó la precisión del sistema mediante un error de indicación de la medida del tamaño (E), como sugiere la VDI/VDE 2617-6.2 [35].

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Figura 16. Orientación del patrón de steps para su escaneo [34].

Todos los resultados muestran que mediante el posicionamiento del calibre a 45º es posible mejorar los valores de E en más de un 50% con respecto a la posición vertical, debido a una reducción significativa del ruido en las superficies planas.

4.4. Determinación del threshold y generación de la superficie

Como ya se ha mencionado anteriormente, el threshold es un parámetro crítico en CT y se utiliza para la determinación de superficies e imágenes influyendo de forma importante en el resultado de la reconstrucción del objeto escaneado [36]. El threshold convierte una imagen de escala de grises en binaria. Si se realiza una simplificación, la imagen resultante está compuesta de dos conjuntos: uno representa el fondo (representado en color negro) y el otro el objeto (representado en color blanco).

En la siguiente figura se muestra la importancia de seleccionar un correcto threshold. El valor del threshold responsable de determinar qué se considera material y qué se considera aire ISO-surface.

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Figura 17. Representación del valor del threshold [36].

Es necesario calibrar el valor del threshold con la ayuda de objetos especialmente diseñados para ello. Un ejemplo es el empleo de tubos calibrados del mismo material que el de la pieza a analizar mediante CT sobre el que se fija un threshold para la medición del diámetro interior y exterior de forma simultánea [34]. Dado que el valor del threshold influye de forma opuesta en el resultado obtenido para diámetros interiores y exteriores en este ejemplo, es imprescindible conocer su valor de antemano mediante certificado del tubo o mediante medición de los atributos empleando una máquina de medir por coordenadas. En [37] se pueden encontrar más información sobre el procedimiento de determinación del threshold y su discusión.

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Figura 18. (Izda) Las líneas rojas y amarillas representan los bordes para dos valores de threshold diferentes; (dcha) desviación de la dimensión medida en función de los valores del threshold seleccionados [38].

5. Patrones o artefactos empleados en CT

La determinación de los factores de escala en todas las direcciones del espacio se puede realizar utilizando objetos o artefactos de referencia que hagan la función de patrones (una barra con agujeros y una barra con esferas, por ejemplo) (ver figuras 19 y 20). Esto se consigue evaluando la distancia entre los centros de las bolas (barra con esferas) o los ejes de los agujeros (barra con agujeros), respectivamente. Simplemente, la distancia medida con CT se compara con la distancia calibrada. Usando estos objetos de referencia se consiguen ventajas como facilidad para medir las distancias entre esferas y agujeros. Con esta metodología, la obtención del factor de escala es prácticamente independiente del threshold aplicado [37]. De hecho, estos patrones no se emplean para la determinación del valor del threshold porque el material (rubí, acero, alúmina o zirconia) no suele ser el material de pieza analizado. Las mejores opciones de patrones entre las que poseen esferas, son aquellas que emplean fibra de carbono en el vástago o en su soporte de tipo placa, de modo que se evite la diferente absorción en caso de emplear vástagos de acero.

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Figura 19. Ejemplo de artefactos empleados como patrones en CT (b, h, i, k se emplean para la determinación del factor de escala) [31].

Otros estándares se puede observar en la figura 20 que, al igual que en la figura anterior, sirven para diferentes propósitos. En este último caso, se emplean en intercomparaciones.

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Figura 20. Artefactos empleados en intercomparaciones para CIA-CT audit [39].

En general, se recomienda escanear el objeto de referencia a la vez que la muestra en estudio, y conseguir así lo valores de errores de escala correctos ya que diversos estudios [39] han observado variaciones de este factor con el tiempo.

6. Ensayo de tomografía. Caso práctico realizado en el CFAA

A continuación se describe un caso práctico de TC en el que se ha inspeccionado el cuerpo de un cilindro y el pistón de un motor de combustión de 70 cc. Este ensayo se ha realizado en el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) perteneciente a la UPV/EHU, el cual cuenta con una instalación de radiografía digital de GE modelo X-CUBE compact 225.

En esta estación de radiografía digital se pueden obtener tomografías en 3D de, entre otras, piezas fundidas (donde la existencia de defectología como poros o inclusiones es bastante común) en componentes en los que se ha realizado alguna operación de soldadura o en piezas asociadas a procesos de fabricación aditiva y detectar, de esta forma, los posibles defectos asociados a cada proceso de fabricación.

Este modelo de máquina cuenta con un volumen de trabajo de 600 x 900 mm y peso máximo de 100 kg con una potencia de 195 kV. Dadas sus características, se trata de una máquina versátil enfocada a componentes pequeños del motor aeronáutico como los álabes de discos y tuberías auxiliares.

En este caso práctico, el material del cuerpo del cilindro y del pistón es una aleación de aluminio. En el caso del pistón incorpora un bulón de acero inoxidable que es el que conecta el conjunto biela-pistón, por lo que se trata de un componente multi-material.

Para realizar la tomografía es importante colocar el componente de tal forma que quede elevado de las garras de amarre del plato. Para ello, es habitual emplear poliestireno expandido u otro material de muy baja densidad, ya que a la hora de obtener imágenes este material no se verá reflejado en la tomografía. Como ya se ha mencionado anteriormente, la pieza también ha de estar inclinada cierto ángulo respecto al eje de giro del plato para evitar posible aparición de destellos no reales en los bordes.

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Figura 21. Colocación del cilindro en el plato de la máquina de radiografía digital.

A continuación, se muestran los parámetros del proceso empleados en cada uno de los componentes ensayados. En ambos casos se ha empleado un prefiltro de cobre de 0,5 mm de espesor. El empleo de este tipo de prefiltros consigue un efecto de homogenización de la energía de los fotones a la salida del tubo de Rx, permitiendo obtener imágenes nítidas de componentes con paredes de diferentes espesores o materiales de diferente densidad, es decir, para evitar el efecto de beam hardening.

 

Tensión (KV)

Corriente (mA)

Tiempo de adquisición (ms)

Ganancia

Cilindro

160

2,6

33

1.100

Pistón

172

3,0

33

1.100

Tabla 4. Parámetros de proceso empleados en cada componente.

Una vez realizada la tomografia y terminado el proceso de recontrucción de las imágenes obtenidas se ha empleado el software VG Studio Max2.2 para el tratamiento de las mismas.

El primer paso es la determinación de la superficie del componente (tambien denominado threshold value). Este paso es de gran importancia ya que se define, mediante un algoritmo interno, la superficie de nuestro componente en función de la escala de grises registrada en cada uno de los voxels que forman nuestro volumen 3D. El software nos permite definir la superficie de forma automática o manual, donde nosotros, sobre las vistas obtenidas del componente indicamos qué partes consideramos como material y cuáles no (aire).

Una vez definida la superficie, por defecto, se obtienen 3 vistas y la imagen 3D de nuestro componente, después se procede a realizar el alineamiento de las mismas. Para ello se define la posición del punto de coordenadas sobre nuestro volumen de trabajo de tal forma que tengamos una orientación óptima de las vistas para el posterior análisis de la tomografía.

El software VG Studio Max2.2 permite realizar diferentes operaciones como planos de corte sobre el volumen, medidas de radios o ángulos, medida de espesor de paredes y diversas opciones para el tratamiento de la imagen y análisis de la defectología de nuestro componente. Además, también ofrece la posibilidad de generar el fichero estándar STL para tener la posibilidad de visualizar la tomografía en otros programas de análisis y diseño y realizar color mapping contra CAD.

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Figura 22. Tomografía del cuerpo del cilindro (izda), y del pistón (dcha).

En la figura 22 se muestran las tomografías obtenidas del cuerpo del cilindro y del pistón. Para el caso del pistón (modificando el valor del threshold) se ha podido extraer la imagen 3D del bulón y del pasador de acero inoxidable, obviando el resto del material de aleación de Al. Esta opción es muy útil cuando se trata de análisis de componentes con diferentes materiales, a los cuales también se les puede asignar un color para diferenciarlos entre sí dentro de todo el conjunto.

En el análisis de la tomografía del se han detectado diferentes defectos como pequeñas zonas con poros de hasta 0,75 mm en ciertas paredes del cuerpo de cilindro así como una zona en la camisa de Nikasil donde se ha producido un desconchamiento. Este defecto puede derivar una notable disminución del rendimiento del motor e incluso en la posible rotura del mismo.

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Figura 23. Detalle de porosidad y desconchamiento de la camisa de Nikasil.
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Figura 24. Visualización del fichero STL en el software Siemens Nx.

7. Conclusiones

A día de hoy el número de aplicaciones industriales de la CT es amplio, como puede ser el caso del sector de electrónica y microcomponentes, en la industria alimentaria, sectores relacionados con la seguridad, equipajes, mercancía, etc. Al mismo tiempo está experimentando un rápido incremento de aplicación en diferentes sectores industriales como el de automoción, aeronáutico y de transporte. Este sistema llegará a ser imprescindible en los sistemas de calidad de estos sectores ya que permite alcanzar niveles superiores de seguridad en la fabricación de componentes y montajes críticos. La ventaja fundamental de esta tecnología es que unifica en una única medición la capacidad de realizar análisis realizados por métodos no destructivos (NDT) y metrología dimensional.

No obstante, existen aún retos que afrontar dentro de esta tecnología, retos que están siendo objeto de un importante esfuerzo en investigación. Uno de ellos es la falta de estándares, de trazabilidad y procedimientos en las medidas realizadas. Los últimos estudios al respecto, han detectado factores que afectan al valor de la incertidumbre en diferentes aspectos de la tecnología como el procesamiento de los datos, la influencia de las condiciones ambientales en las que se realiza la medición, los elementos que conforman el equipo de medición, así con en los parámetros empleados en la realización de una medida.

A pesar de todo ello, la tomografía computarizada se perfila como una tecnología de futuro y gran proyección tanto a nivel de laboratorio como de inspección en masa de todo tipo de componentes.

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Comentarios al artículo/noticia

#1 - Juan
19/11/2020 10:31:26
Muy interesante y completo vuestro artículo , he trabajado muy a fondo con el V|tome|x M de Baker Hughes , y el potencial de esta técnica es tremendo en muchos campos de aplicación . https://www.bakerhughesds.com/radiography-computed-tomography/industrial-metrology-solutions

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