X-ray computed tomography for coordinate metrology and industrial applications

X-ray computed tomography (CT) has emerged as innovative measuring technique for dimensional metrology in industry over the last years. Thanks to unique capabilities, CT provides several advantages in comparison with other well-established coordinate measuring systems (CMSs). In particular, CT allows obtaining a holistic three-dimensional model of the scanned workpiece and performing non-destructive and non-contact measurements of outer as well as inner features and geometries difficult to access. However, important drawbacks limit a wider acceptance of this technology in industry. One of the most critical problems is the complexity of metrological traceability establishment due to difficulties in evaluating the task-specific uncertainty, as well as specification and determination of metrological performances of CT systems. In fact, a dedicated international standard for CT acceptance test and performance verification is still under development. In this thesis, experimental activities were mainly oriented at evaluating and improving CT metrological performances. The material influence on length measurement errors was studied by investigations based on two reference objects: aluminium hole plate, with significant material effect and ruby ball plate, with negligible material influence. The obtained results contributed to the test survey organized on this topic by the ISO working group that is developing the future ISO standard for CT. The image quality of the 2D projections acquired by CT is fundamental for achieving a good reconstruction quality. It is directly connected to the image blurring content and, consequently, to the focal spot quality. In this thesis, new methods developed to assess the focal spot drift and size are presented. Considering the entire CT measurement procedure, an important metrological characteristic to be evaluated is the metrological structural resolution (MSR). Despite several methods for MSR evaluation have been proposed, a standard test to be included in the ISO standard for CT has still to be defined. In this thesis, the ‘Hourglass’ method –developed by the University of Padova– was selected to evaluate the MSR. The method was improved by measuring a high number of distances and by applying a definition of MSR similar to the one proposed by the guideline VDI/VDE 2617-13. Moreover, the method concept was compared with concepts of other proposed methods. Finally, the main influence quantities affecting the method were identified and evaluated. Since CT is a multi-purpose measuring technique, it has become attractive for many industrial applications. However, the accuracy of CT measurement results is often unknown. For this reason, the evaluation of CT accuracy for specific measurement tasks as well as the comparison with other well-established evaluation methods is crucial for the acceptance of CT in industry. In this thesis, two industrial case studies were addressed: (i) porosity analysis for metal additive manufactured parts and (ii) wear evaluation of polymeric prosthetic components. In the first study, CT was compared with other inspection techniques such as Archimedes method, gas pycnometry and microscopic analysis of cross-sections. A multisensory CMM was used as well in order to get reliable reference area values for pores lying on selected cut sections. In the second study, the proposed CT-based method was validated through comparison with the gravimetric method, which is the current reference method used for wear assessment.

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.