A menudo ocurre que una nueva y valiosa capacidad industrial trae consigo un conjunto completamente nuevo de desafíos para la ciencia de la medición y, por lo tanto, inevitablemente, para NIST.

Un ejemplo actual es el floreciente crecimiento de la fabricación aditiva (AM), el equivalente industrial de la impresión 3-D en la que se construyen estructuras complejas mediante la adición sucesiva de capas, en lugar de ensamblarlos a partir de componentes separados o comenzar con un bloque sólido de material del que se elimina material sucesivamente, a veces utilizando una serie de herramientas de mecanizado, para producir la pieza final.

AM ya se utiliza para fabricar una amplia gama de dispositivos, desde implantes médicos hasta componentes electrónicos de múltiples materiales, conductos de fluidos de precisión, componentes de la lámpara, conectores de fibra óptica, y más. Pero el método plantea problemas para la detección de defectos y el control de calidad:las dimensiones exactas y el ajuste de las características internas de un dispositivo no se pueden evaluar fácilmente sin destruir el dispositivo.

Como resultado, muchos fabricantes han recurrido a una tecnología llamada tomografía computarizada de rayos X (TC), Se ha utilizado durante mucho tiempo en imágenes médicas, pero se ha utilizado cada vez más durante los últimos 15 años para examinar las características dimensionales de los productos comerciales. En el presente, sin embargo, Existen muy pocos estándares acordados para evaluar el desempeño de un instrumento de TC o verificar la precisión de sus imágenes.

Es por eso que NIST celebró un Acuerdo de Investigación y Desarrollo Cooperativo (CRADA) con North Star Imaging (NSI) de Minnesota, un fabricante de sistemas digitales industriales de rayos X y TC, que ha prestado una unidad de TC al NIST por los tres años de duración del CRADA. Durante ese tiempo, Los investigadores del NIST pueden usar el sistema CT para probar las mediciones de los artefactos de referencia candidatos que eventualmente podrían emplearse en pruebas y calibraciones estandarizadas; al mismo tiempo, el sistema NSI se puede caracterizar por procedimientos rigurosos en el laboratorio de normas de la nación.

"Ahora, estamos principalmente involucrados en el desarrollo de artefactos de referencia muy bien descritos, ", dice la científica del proyecto Meghan Shilling del Laboratorio de Medición Física del NIST." Tomamos un artefacto diseñado para evaluar el rendimiento de un sistema de TC y lo medimos utilizando nuestras máquinas de medición de coordenadas de sonda táctil, que tienen una precisión de medición extremadamente bien establecida.

"Luego colocamos los artefactos en el sistema CT, medirlos, y vea cómo se comparan los datos. Una persona en nuestro equipo, que forma parte del Laboratorio de Ingeniería del NIST, está fabricando estructuras metálicas de prueba mediante fabricación aditiva, en el que intencionalmente deja algunos vacíos, que también se pueden obtener con el sistema CT. Al mismo tiempo, también estamos trabajando en la caracterización de la máquina de North Star, dándoles retroalimentación técnica que puede ayudar a mejorar el diseño de su sistema ".

"El CRADA ha sido extremadamente valioso para NSI en la caracterización del sistema para su uso en el refinamiento y mejora de nuestros diseños de sistemas de TC, "dice Tucker Behrns, Gerente de Ingeniería en NSI. "Hemos podido recopilar una gran cantidad de información trabajando junto con el equipo del NIST mientras obtuvimos comentarios imparciales con un enfoque en las implicaciones metrológicas. El conocimiento y las habilidades de medición únicos a los que tenemos acceso como resultado de este acuerdo nos han permitido obtener grandes beneficios profundidad en nuestra comprensión de los aspectos críticos de la función y el rendimiento de la máquina ".

Un objetivo simultáneo es ayudar en el desarrollo de estándares de evaluación del desempeño que puedan promulgarse en todo el mundo. "Tanto NIST como NSI están activos en organizaciones de estándares, incluyendo la Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos, "Dice Chelín.

"Ambos están en el proceso de elaborar estándares para especificar sistemas de TC. El único documento de evaluación del desempeño que existe ahora para la metrología dimensional de TC es una directriz alemana, y el equipo que elaboró ​​la guía también participa en la redacción de la norma ISO. Finalmente, también esperamos poder difundir las mejores prácticas y lecciones aprendidas sobre técnicas y artefactos ".

La TC funciona proyectando rayos X de energías apropiadas a través de un objeto en ángulos que varían sucesivamente. Diferentes tipos de materiales absorben o dispersan más o menos rayos X; por lo que medir los rayos X transmitidos a través de un objeto con múltiples funciones en diferentes ángulos revela su estructura interna. En una tomografía computarizada médica típica, una fuente de rayos X gira continuamente alrededor del cuerpo, la construcción de imágenes 2-D o 3-D que revelan problemas circulatorios, tumores, irregularidades óseas, cálculos renales y vesicales, lesiones en la cabeza y muchas otras afecciones.

La TC de rayos X para objetos manufacturados utiliza exactamente los mismos principios. En el instrumento NSI en NIST, Se coloca una muestra / objeto de prueba en un escenario entre la fuente de rayos X y una placa detectora. La muestra gira en una serie de pequeños incrementos angulares alrededor de su eje vertical, y el haz de rayos X lo atraviesa, tomando un marco de datos en cada posición. Cada medición produce un solo corte en 2-D. El software de computadora integra todos los cortes y crea una imagen tridimensional.

Sin embargo, hay muchos factores que lo complican. Por una cosa, las muestras pueden contener tanto partes de polímero blando como múltiples secciones metálicas duras dispuestas en capas de polvos fundidos o sinterizados. Cada tipo de material tiene un coeficiente de atenuación inherente (la facilidad con la que los rayos X atraviesan el material), que depende de la composición y densidad del material, así como del espectro de energía de la fuente de rayos X. NIST proporciona tablas de coeficientes de atenuación de masa de rayos X para elementos con números atómicos del 1 al 92 para energías de rayos X específicas. Pero calculando el coeficiente de atenuación para compuestos de varios elementos, como plásticos combinados con metal, utilizando un espectro de energía de rayos X, es un desafío.

"Podemos variar el voltaje y la corriente en la fuente de rayos X, "Chelín dice, "y podemos colocar varios filtros delante del rayo para ajustar el espectro de rayos X que viaja al objeto de prueba objetivo. De modo que el sistema es muy capaz de medir materiales, desde plásticos hasta acero". Dependiendo de las necesidades del cliente y el grado de detalle que se desee, una ejecución de medición puede oscilar entre media hora y cuatro horas o más.

Pero, ¿cómo se puede evaluar objetivamente la precisión de esas imágenes? ¿Y cuáles son las formas óptimas de medir diferentes materiales y configuraciones? Las respuestas están emergiendo lentamente de decenas de ensayos, y "desarrollar la configuración adecuada es un arte, "Dice Shilling. Aparte de ajustar el voltaje y la corriente en el haz de rayos X y el material del filtro, tanto la distancia entre la fuente de rayos X y la muestra, y la muestra y el detector, se puede ajustar para lograr varios efectos.

Al mismo tiempo, Shilling y sus colegas también están investigando aspectos del instrumento que podrían conducir a errores de medición. "Por ejemplo, " ella dice, "a medida que gira el eje vertical de la mesa giratoria, queremos ver cuánto puede moverse la muestra en otras direcciones, hacia arriba y hacia abajo o de lado a lado. Eso puede afectar la calidad de los resultados. Lo que hemos estado haciendo más recientemente es caracterizar esos movimientos en los ejes más importantes de la máquina ".

Ese esfuerzo requiere medidores de capacitancia sensibles e interferómetros láser que puedan detectar cambios de posición extremadamente pequeños. Esas y otras medidas continuarán durante aproximadamente un año más bajo los términos del CRADA.

"En NSI, "Behrns dice, "Hemos visto un aumento sustancial en el uso de fabricación aditiva para componentes de producción en muchos de los principales mercados a los que servimos. A medida que nuestros clientes continúan expandiendo la aplicación de esta tecnología, Creemos que la TC jugará un papel crucial en la identificación y medición de estructuras internas, lo que no es posible con los métodos tradicionales. Trabajar con NIST nos ha permitido acelerar el avance de la tecnología de medición de TC para que podamos continuar mejorando nuestra capacidad para atender este mercado en rápida expansión ".