سی‌تی اسکن صنعتی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از سی تی اسکن صنعتی)
پرش به ناوبری پرش به جستجو
فارسیEnglish

مقطع‌نگاری رایانه‌ای یا برش‌نگاری رایانه‌ای یا توموگرافی رایانه‌ای صنعتی (به انگلیسی: Industrial Computed Tomography) یا به اصطلاح سی‌تی اِسکَن صنعتی، روشی نوین است که در تشخیص عیوب مواد و علم اندازه‌گیری کاربرد فراوانی دارد. در این روش، ماده به صورت لایه‌به‌لایه برانداز (اسکن) می‌شود و بدین ترتیب بخش‌های درونی آن نیز برای محققان قابل رؤیت می‌گردد. این روش برای قطعات مختلف صنعتی از جمله فلزات کاربرد دارد.

پیشینه[ویرایش]

پایه‌های ریاضی مقطع‌نگاری رایانه‌ای به ابتدای قرن بیستم بازمی‌گردد. کاربرد عملی این روش در دهه ۶۰ میلادی بنیان‌گذارده شد. در سال ۱۹۶۳، آلن کرماک از دانشگاه تافتز از افرادی بود که نخستین بار نظریه یک سیستم سی تی اسکن را مطرح کرد. اما عملاً اولین اسکنر تجارتی در سال ۱۹۷۲ توسط گودفری هاونسفیلد از آزمایشگاه‌ای ام آی (EMI) در انگلستان انجام گردید.[۱]

تفاوت با سی تی اسکن پزشکی[ویرایش]

به دلیل تخلخل کمتر استخوان به نسبت فلزات، انرژی پرتو ایکس مورد استفاده در سی تی اسکن پزشکی پایین‌تر از سی تی اسکن صنعتی است.

نحوه عملکرد[ویرایش]

عملکرد سی تی اسکن صنعتی دارای شباهت‌های بسیار به سی تی اسکن پزشکی است. دستگاه متداولی که این روش را جهت تصویربرداری به کار می‌برد سی تی اسکن نام دارد و متشکل از تعداد انبوهی آشکارساز کوچک از نوع شمارنده درخششی(Scintillator) است که به صورت چندین ردیف درون دستگاه قرار داده شده‌اند که پرتوهای ایکس عبوری از درون ماده را آشکارسازی می‌کنند. سپس سیگنال‌های دریافت شده توسط الگوریتم‌های مخصوصی همانند از نوع بازتابی فیلتر شده (filtered backprojection) و بازسازی تکراری (iterative reconstruction) تصویر را بازسازی می‌کنند. سیر تکاملی این دستگاه‌ها اغلب در هفت نسل توسعه (generation) بررسی می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در ساختمان دستگاه تصویر برداری، تکنولوژی آشکارسازی، آرایه‌های آشکارساز چندگانه و طراحی تیوب پرتوایکس، زمان اسکن را به کسری از ثانیه تقلیل داده‌است. کامپیوترهای مدرن قدرت محاسباتی ارائه می‌دهند که اجازهٔ بازسازی عمدهٔ اطلاعات تصویر را به صورت (real time) می‌دهد. با وجود پیشرفت‌های مکرر و زیادی که امروزه در صنعت سی تی اسکن‌ها مشاهده می‌شود، آرتیفکت در سی تی اسکن همچنان یکی از موضوعات مهم در کیقیت تصویر این سیستم‌ها محسوب می‌گردد.

کاربرد سی تی اسکن در پرینت سه بعدی و پارامترهای مؤثر در انتخاب نوع دستگاه[ویرایش]

صنعت ساخت افزایشی یا AM در سال‌های اخیر پیشرفت قابل‌ملاحظه‌ای داشته‌است. یکی از حوزه‌های مهم این صنعت، ساخت افزایشی فلزی است که امکان سخت قطعات پیچیده را به‌صورت لایه به لایه و با خواص متالورژیکی مطلوب فراهم می‌سازد. بااین‌حال، قطعات ساخته شده با این روش، ممکن است دارای عیوب متنوع با اندازه و مقیاس مختلف باشند که این می‌تواند تأثیرات اساسی بر روی خواص مکانیکی قطعه بگذارد. در سال‌های گذشته، استفاده از سی تی اسکن که نوعی تست غیر مخرب است و باگذشت زمان از تصویربرداری کیفی به یک روش اندازه‌گیری کمی تبدیل‌شده، تحولی اساسی در این صنعت به وجود آورده و امکان استفاده از آن در کاربردهای مختلف مهندسی فراهم‌شده‌است. درروش سی تی اسکن، امکان تست غیر مخرب آلیاژهای مختلف وجود دارد. هم چنین، تشخیص عیوب مختلف در این روش ممکن است، درحالی که به دلیل پیچیدگی هندسی، اندازه عیوب و شکل و محل قرارگیری آن‌ها درون قطعه، با روش‌های دیگر تست غیر مخرب امکان تشخیص آن‌ها وجود ندارد. در کنار تشخیص عیوب، این روش امکان محاسبه چگالی مواد را میسر می‌سازد. به علاوه، تخلخل قطعات ساخته‌شده که نقش اساسی بر روی خواص مکانیکی آن‌ها دارد با روش سی تی اسکن قابل‌محاسبه‌است.

در پژوهش‌های مختلف، بررسی‌هایی بر روی قطعات، قبل و بعد از تست سی تی اسکن انجام‌گرفته و امکان کاربرد آن در قطعات ساخته شده به روش AM ثابت گردیده‌است. با این حال، محدودیت‌هایی در استفاده از این روش وجود دارد و ابعاد، جنس قطعه، تراکم و نیز دقت اندازه‌گیری موردنیاز در امکان استفاده از روش سی تی اسکن و نیز انتخاب مدل دستگاه نقش اساسی دارند.

در جدول زیر تعدادی از سازندگان دستگاه‌های سی تی اسکن صنعتی آورده شده‌اند:

جدول ۱، سازندگان مطرح دستگاه سی تی اسکن صنعتی
وب‌سایت محل شرکت نام شرکت
www.zeiss.com berkochen, Germany Carl Zeiss AG
www.bruker.com Billerica, Massachusetts, United States Bruker
www.rxsolutions.fr France RX Solutions
www.4nsi.com Glenview, Illinois, United States NSI
www.yxlon.com Hamburg, Germany YXLON
www.gemeasurement.com Boston, Massachusetts, United States GE

مدل‌های مختلف دستگاه سی تی اسکن با ویژگی‌های متنوع توسط شرکت‌های مختلف تولید می‌شود که با توجه به‌اندازه قطعه موردبررسی، چگالی قطعه، دقت لازم اندازه‌گیری و قیمت موردنظر، در گزارش نهایی پروژه معرفی خواهند شد. به‌عنوان‌مثال، مدل X7000 که توسط شرکت NSI معرفی و عرضه شده، می‌تواند با ولتاژ ۱۰ تا ۴۵۰ کیلوولت، اشعه x تولید نماید. هم‌چنین امکان بزرگنمایی بیش از ۲۰۰۰ برابر دارد و قطعات با ابعاد حداکثر قطر ۱۵۲ و حداکثر ارتفاع ۱۵۲ سانتی‌متر را تصویربرداری می‌نماید. بنابر اطلاعات درج‌شده در کاتالوگ محصول، امکان بهره‌برداری از این مدل برای تست قطعات ساخته‌شده در AM وجود دارد.

به‌وسیله این دستگاهامکان تصویربرداری سی تی اسکن دوبعدی سه‌بعدی و نیز چهاربعدی (سه‌بعدی همراه با حرکت) وجود دارد. در شکل ۱، نمونه‌ای از تصویر برداشته‌شده توسط این دستگاه از یک مهره شطرنج ساخته‌شده به روش ساخت افزایشی (AM آورده شده‌است:

شکل ۱- تصویر برداشته شده از دستگاه سی تی اسکن صنعتی از مهره شطرنج ساخته شده با روش AM

آرتیفکت[ویرایش]

به‌طورکلی هرگونه خطا در تصویرگری یا پردازش تصویر در علوم عکس‌برداری آرتیفکت (Artifact) نامیده می‌شود. در سی تی اسکن نیز به هرگونه ساختار یا الگو که در تصویر دیده شود ولی غیرواقعی بوده و وجود خارجی نداشته باشد آرتیفکت گویند. آرتیفکت همیشه از کیفیت تصویر می‌کاهد و گاهی می‌تواند باعث تشخیص اشتباه و کاذب نیز شود.

انواع آرتیفکت[ویرایش]

با توجه به بروز عوامل مختلف، آرتیفکت به شکل‌های مختلفی ممکن است در تصویر سی تی اسکن نمایان شود که به‌هم‌ریختگی‌هایی را ایجاد کرده و تشخیص صحیح از وضعیت درونی قطعه را با مشکلاتی مواجه خواهد کرد. شکل‌های مختلف آرتیفکت عبارت‌اند از:

  • سخت شدگی پرتو (Beam hardening)
  • آرتیفکت حرکتی (Motion artifact)
  • آرتیفکت مخطط (Streak artifact)
  • آرتیفکت حلقوی (Ring artifact)
  • آرتیفکت Partial volume

سخت شدگی پرتو (Beam hardening)[ویرایش]

این آرتیفکت بر اثر افزایش میانگین انرژی دسته اشعه ایکس حین عبور از لایه‌های مختلف قطعه به وجود می‌آید. همانند سایر دستگاه‌هایی که در آن‌ها از اشعه برای تولید تصویر استفاده می‌شود، در دستگاه‌های سی تی اسکن نیز دسته اشعه ایکس مورد استفاده تک انرژی نبوده و شامل طیفی از انرژی‌ها است؛ بنابراین وقتی در سی تی اسکن از اشعه‌ای باانرژی مشخص استفاده می‌شود در واقع دسته اشعه حاوی انرژی‌های متفاوت (به‌صورت طیفی) است. پرتوهای ایکس باانرژی کمتر، بیشتر جذب می‌شوند بنابراین، حین عبور از مواد جاذب، نسبت فوتون‌های با انرژی بالاتر افزایش خواهد یافت که در تصویر سی تی اسکن به شکل نواحی تیره نمایان می‌شوند.

این آرتیفکت در زمانی که اشعه ایکس مسیرهای متفاوتی را طی می‌کند نیز به وجود می‌آید، مثلاً زمانی که ناحیه بررسی کروی شکل باشد اشعه‌های مرکزی بیشتر از پرتوهای کناری تضعیف می‌شوند که به‌صورت نوارهای تیره یا خط‌هایی در تصاویر مشاهده می‌شود.

برای کاهش یا حذف این آرتیفکت می‌توان از پالایه‌های اشعه ایکس (bowitefilter) که یکنواختی دسته اشعه را افزایش می‌دهند استفاده کرد (bowiitefillter نوعی فیلتر است که لبه‌های آن ضخیم‌تر از قسمت مرکزی آن بوده و موجب افزایش Dynamic Range دتکتور می‌شود) یا از تکنیک‌هایی با kvp بالا (اشعه با طیف انرژی بالا) استفاده کرد. امروزه نرم‌افزارهایی عرضه‌شده‌اند که اثرات این آرتیفکت را در تصاویر کاهش داده‌اند.

آرتیفکت حرکتی (Motion artifact)[ویرایش]

این آرتیفکت در نتیجه جابه‌جایی و تکان خوردن قطعه حین تست ممکن است ایجاد شود که به‌صورت خط‌ها یا رگه‌های مستقیم در تصویر مشاهده می‌شوند. برای پیش‌گیری از این مشکل می‌توان زمان اسکن را تا حد امکان به حداقل رساند تا احتمال بروز کاهش یابد، همچنین با استفاده از نرم‌افزار نیز می‌توان تا حدودی آن‌ها را برطرف کرد. کارخانه‌های سازندهٔ دستگاه سی‌تی‌اسکن نیز امکاناتی برای کاهش این آرتیفکت در نظر گرفته‌اند:

  • Cardiac gating Over scan - software correction (MAC) -

به‌عنوان‌مثال شرکت shimatzu از نرم‌افزار MAC3 برای کاهش آرتیفکت ناشی از حرکت استفاده می‌کند.

آرتیفکت مخطط (Streak artifact)[ویرایش]

هنگامی‌که یک جسم با دانسیته بالا شدت اشعه را به‌شدت کاهش دهد، ممکن است آشکارساز هیچ سیگنالی را تولید نکند. از طرفی، یک فرض در دستگاه سی‌تی‌اسکن این است که هر آشکارساز در هر موقعیت، مقداری اشعه را دریافت خواهد کرد؛ بنابراین هنگامی‌که آشکارساز، سیگنال تولید نکند، در بازسازی تصویر اشتباه رخ می‌دهد و در نتیجه آن، خطوطی روی تصویر پدیدار خواهد گشت. با بالا بردن رزولوشن و نیز ارتقای انرژی اشعه این آرتیفکت کاهش داده خواهد شد.

آرتیفکت حلقوی (Ring artifact)[ویرایش]

یکی از عیوب عمده دستگاه‌های سی‌تی‌اسکن نسل سوم، احتمال به وجود آمدن آرتیفکت‌های حلقوی هست. این آرتیفکت زمانی به وجود می‌آید که یک یا چند آشکارساز معیوب باشند. در دستگاه‌های سی‌تی‌اسکن نسل چهارم، درصورتی‌که یک یا چند آشکارساز معیوب باشند، آرتیفکت حلقوی به وجود نمی‌آید، زیرا تعداد آشکارسازها زیاد است و هنگام اسکن، فقط تعدادی از آشکارسازها فعال هستند (در نسل سوم، در هرلحظه تمام آشکارسازها در حال کار هستند). برای برطرف کردن این آرتیفکت دتکتورها باید کالیبره شوند و در صورت معیوب بودن باید تعویض شوند. همچنین می‌توان از الگوریتم‌های خاص بازسازی تصویر که به این منظور تهیه‌شده‌اند برای کاهش اثر این نوع آرتیفکت استفاده کرد.

آرتیفکت Partial volume[ویرایش]

این آرتیفکت مربوط به اشیائی با چگالی بالا است که به‌طور جزئی به داخل مقطع اسکن برجسته می‌شوند. چون این شیء تنها به‌طور ناقص در مسیر اشعه قرار می‌گیرد، دانسیته آن پایین‌تر از حد واقعی آن نمایش داده می‌شود. زمانی که دو یا چند شیء به‌طور جزئی به داخل مقطع اسکن برجسته شوند، باعث ایجاد آرتیفکت خطی می‌شوند که علت آن است که خطای اندازه‌گیری غیرخطی است. اگر فقط یک شیء موجود باشد، خطای اندازه‌گیری در تمام مقطع یکسان دیده می‌شود. زمانی که دو یا چند شیء باشند، منجر به خطاهایی می‌شود که ازنظر نمایشی به‌طور قابل‌توجهی متفاوت بوده و به‌صورت شعاع‌هایی که از این اشیاء عبور می‌کند، دیده می‌شود. این اطلاعات غیریکنواخت باعث streak artifact می‌شوند. از طرفی دیگر بالا بردن رزولوشن، به دلیل کاهش سایز ووکسل باعث کاهش این آرتیفکت می‌شود. همچنین با به کار بردن دیتکتور با کمترین پهنا و عرض ممکن می‌توان رزولوشن را ارتقا داد. علاوه بر این با افزایش انرژی میانگین اشعه ایکس به‌کار رفته می‌توان این آرتیفکت را به دلیل کمرنگ‌تر کردن اثر اجسام و نواحی چگال‌تر، کاهش داد.[۲][۳][۴]

نرم‌افزارهای سی تی اسکن[ویرایش]

1phoenix datos|x CT software (شرکت GE)[ویرایش]

مزایا[ویرایش]

  • بازبینی حجم ۱۴ برابر سریع‌تر برای افزایش سرعت نمونه‌سازی
  • بهبود عملکرد خودکار برای استفاده بسیار مؤثرتر سیستم
  • نظارت بر عملکرد سیستم CT تحت دستورالعمل ASTM 1695
  • پشتیبانی از متدولوژی اختیاری و پیکربندی سیستم سی تی اسکن برای اندازه‌گیری دقیق 3D با توجه به دستورالعمل VDI 2630
  • بازرسی خودکار اتمام کار
  • حالت تولید به کمک تنها یک دکمه، قابلیت و رابط کاربری بصری برای بهبود سهولت استفاده در سی تی اسکن
  • کاهش قابل‌توجه آموزش‌های موردنیاز و زمان یادگیری اپراتور
  • صحت و دقت عالی

2efX-CT (شرکت NSI)[ویرایش]

مزایا[ویرایش]

  • ساده‌ترین، سریع‌ترین و جامع‌ترین نرم‌افزار در بازار
  • صحت و دقت بسیار خوب

Volume Graphics Studio Max(Jesse Garant Metrology Center)[ویرایش]

مزایا[ویرایش]

  • اندازه‌گیری مختصات
  • مقایسه نامی و واقعی
  • تحلیل ضخامت دیواره
  • تجزیه‌وتحلیل تخلخل و درون قطعه
  • تجزیه‌وتحلیل مواد فیبر کامپوزیت
  • شبیه‌سازی پدیده
  • تجزیه‌وتحلیل ساختار فومی
  • قابلیت ورود پَروَنجا CAD
  • بازسازی در CT
  • صحت و دقت خوب

CIVA (شرکت EXTENDE)[ویرایش]

مزایا[ویرایش]

  • امکان تشخیص و انتخاب بهینه‌ترین روش انجام تست.
  • به کاربر اجازه می‌دهد تا با توجه به مبدل، هندسه یا مواد نمونه موردبررسی، بیشترین پارامترهای تأثیرگذار را در نظر بگیرد.
  • از طریق تثبیت تمام پارامترهای ورودی کاربر، امکان تعیین مناسب‌ترین روش برای بازرسی یا برای ارزیابی عملکرد وجود دارد.
  • کاربر بر تمام پارامترها از ابتدای شبیه‌سازی تا انتها و نیز بر شناسایی بهینه‌ترین مقادیر برای پارامترهای مختلف.

پانویس[ویرایش]

  1. اصول سیستم‌های تصویرگر پزشکی. ترجمه دکتر منصور وفادوست. انتشارات دانشگاه صنعتی امیر کبیر
  2. http://orbit.dtu.dk/files/9616521/OS3A%207_%20Muller.pdf
  3. http://diglib.eg.org/handle/10.2312/8220
  4. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900203023428
Animated set of computed tomography transmission images of a Logitech C500 webcam

Industrial computed tomography (CT) scanning is any computer-aided tomographic process, usually X-ray computed tomography, that uses irradiation to produce three-dimensional internal and external representations of a scanned object. Industrial CT scanning has been used in many areas of industry for internal inspection of components. Some of the key uses for industrial CT scanning have been flaw detection, failure analysis, metrology, assembly analysis and reverse engineering applications.[1][2] Just as in medical imaging, industrial imaging includes both nontomographic radiography (industrial radiography) and computed tomographic radiography (computed tomography).

Types of scanners

CT Scanner Beamline
Line beam scanner

Line beam scanning is the traditional process of industrial CT scanning.[3] X-rays are produced and the beam is collimated to create a line. The X-ray line beam is then translated across the part and data is collected by the detector. The data is then reconstructed to create a 3-D volume rendering of the part.

In cone beam scanning, the part to be scanned is placed on a rotary table.[3] As the part rotates, the cone of X-rays produce a large number of 2D images that are collected by the detector. The 2D images are then processed to create a 3D volume rendering of the external and internal geometries of the part.

CT Scanner Beamline
Cone beam scanner

History

Industrial CT scanning technology was introduced in 1972 with the invention of the CT scanner for medical imaging by Godfrey Hounsfield. The invention earned him a Nobel Prize in medicine, which he shared with Allan McLeod Cormack.[4][5] Many advances in CT scanning have allowed for its use in the industrial field for metrology in addition to the visual inspection primarily used in the medical field (medical CT scan).

Analysis and inspection techniques

Various inspection uses and techniques include part-to-CAD comparisons, part-to-part comparisons, assembly and defect analysis, void analysis, wall thickness analysis, and generation of CAD data. The CAD data can be used for reverse engineering, geometric dimensioning and tolerance analysis, and production part approval.[6]

Assembly

One of the most recognized forms of analysis using CT is for assembly, or visual analysis. CT scanning provides views inside components in their functioning position, without disassembly. Some software programs for industrial CT scanning allow for measurements to be taken from the CT dataset volume rendering. These measurements are useful for determining the clearances between assembled parts or the dimension of an individual feature.

An industrial computed tomography (CT) scan conducted on an aluminum casting to identify internal failures such as voids. All color coordinated particles within casting are voids/porosity/air pockets, which can additionally be measured and are color coordinated according to size.

Void, crack and defect detection

Flight through a 3D reconstruction of a disposable pepper grinder. Glass in blue.

Traditionally, determining defects, voids and cracks within an object would require destructive testing. CT scanning can detect internal features and flaws displaying this information in 3D without destroying the part. Industrial CT scanning (3D X-ray) is used to detect flaws inside a part such as porosity,[7] an inclusion, or a crack.[8]

Metal casting and moulded plastic components are typically prone to porosity because of cooling processes, transitions between thick and thin walls, and material properties. Void analysis can be used to locate, measure, and analyze voids inside plastic or metal components.

Geometric dimensioning and tolerancing analysis

Traditionally, without destructive testing, full metrology has only been performed on the exterior dimensions of components, such as with a coordinate-measuring machine (CMM) or with a vision system to map exterior surfaces. Internal inspection methods would require using a 2D X-ray of the component or the use of destructive testing. Industrial CT scanning allows for full non-destructive metrology. With unlimited geometrical complexity, 3D printing allows for complex internal features to be created with no impact on cost, such features are not accessible using traditional CMM. The first 3D printed artefact that is optimised for characterisation of form using computed tomography CT [9]

Image-based finite element methods

Image-based finite element method converts the 3D image data from X-ray computed tomography directly into meshes for finite element analysis. Benefits of this method include modelling complex geometries (e.g. composite materials) or accurately modelling "as manufactured" components at the micro-scale.[10]

See also

References

  1. ^ Flisch, A., et al. Industrial Computer Tomography in Reverse Engineering Applications. DGZfP-Proceedings BB 67-CD Paper 8, Computerized Tomography for Industrial Applications and Image Processing in Radiology, March 15–17, 1999, Berlin, Germany.
  2. ^ Woods, Susan. "3-D CT inspection offers a full view of microparts", November 1, 2010.
  3. ^ a b Hofmann, J., Flisch, A., Obrist, A., Adaptive CT scanning-mesh based optimisation methods for industrial X-ray computer tomography applications. NDT&E International (37), 2004, pp. 271–278.
  4. ^ Zoofan, Bahman. "3D Micro-Tomography – A Powerful Engineering Tool". 3D Scanning Technologies. July 5, 2010.
  5. ^ Noel, Julien. "Advantages of CT in 3D Scanning of Industrial Parts. August 18, 2010.
  6. ^ "Reducing Preproduction Inspection Costs with Industrial (CT) Computed Tomography." Micro Manufacturing Magazine for the global micro manufacturing technology industry, August 2010.
  7. ^ Lambert, J.; Chambers, A. R.; Sinclair, I.; Spearing, S. M. (2012). "3D damage characterisation and the role of voids in the fatigue of wind turbine blade materials". Composites Science and Technology. 72 (2): 337. doi:10.1016/j.compscitech.2011.11.023.
  8. ^ Bull, D. J.; Helfen, L.; Sinclair, I.; Spearing, S. M.; Baumbach, T. (2013). "A comparison of multi-scale 3D X-ray tomographic inspection techniques for assessing carbon fibre composite impact damage" (PDF). Composites Science and Technology. 75: 55–61. doi:10.1016/j.compscitech.2012.12.006.
  9. ^ Shah, Paras; Racasan, Radu; Bills, Paul (2016-11-01). "Comparison of different additive manufacturing methods using computed tomography". Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation. 6: 69–78. doi:10.1016/j.csndt.2016.05.008. ISSN 2214-6571.
  10. ^ Evans, Ll. M.; Margetts, L.; Casalegno, V.; Lever, L. M.; Bushell, J.; Lowe, T.; Wallwork, A.; Young, P.; Lindemann, A. (2015-05-28). "Transient thermal finite element analysis of CFC–Cu ITER monoblock using X-ray tomography data". Fusion Engineering and Design. 100: 100–111. doi:10.1016/j.fusengdes.2015.04.048.