Tomografia Industriale: L'eccellenza nei Controlli non Distruttivi

L’ECCELLENZA NEI CONTROLLI NON DISTRUTTIVI
TOMOGRAFIA INDUSTRIALE


M. Reggiani - M. Moscatti
TEC Eurolab Srl - Campogalliano (MO)


Nel 1979 l'ingegnere inglese Godfrey Hounsfield e il fisico sudafricano Allan Cormack furono insigniti del premio Nobel  per  la  medicina  per  aver  ideato  e  realizzato  la  prima  tomografia  assiale  computerizzata (Computer Tomography,  TAC  o  CT).  Utilizzata  per  lo  studio  medico,  prima  della  struttura  del  cranio  e successivamente  del  torace  e  dell’addome,  la  tomografia  assiale  si  è  rapidamente  affermata  come strumento  irrinunciabile  per  la  ricerca  e  la  diagnosi.  Grazie  alle  enormi  potenzialità,  tale  tecnologia  ha trovato fin da subito l’interesse del settore militare e della difesa che, a fronte di ingenti investimenti, ha aperto la strada alla sua applicazione in ambito industriale.

Negli ultimi anni l’aumento esponenziale della potenza di calcolo e l’affinamento delle tecnologie connesse ne  ha  incrementato  notevolmente  la  risoluzione  fino  a  scale  micrometriche.  Oggi,  le  grandi  dimensioni ispezionabili e la flessibilità dei sistemi tomografici, insieme all’altissima definizione dell’analisi, collocano la tomografia fra le tecniche d’avanguardia nei controlli non distruttivi.
I materiali ispezionabili sono i più vari, da componenti metallici solidi e massivi ad assemblati polimerici e materiali compositi, mentre le applicazioni coprono i campi più disparati. Si va dal controllo dimensionale (interno ed esterno) al controllo difettologico e alla failure analysis, dallo studio funzionale di assemblati al reverse engineering. Il tutto senza dover in nessun modo aprire, sezionare o manipolare il pezzo stesso, ulteriore  nota  d’interesse  per  le  funzioni  R&D,  validazione  processi  e  prodotti,  engineering  e  controllo qualità.

Il  principio  di  funzionamento  consiste  nel  raccogliere  e  registrare  molteplici  proiezioni  radiografiche  del componente  in  ispezione. Questo  si  realizza  ponendo  l’oggetto  su una  tavola rotante  e  radiografandolo mentre è posto in rotazione. Le migliaia di radiografie acquisite dal detector digitale vengono poi elaborate dal software di ricostruzione che restituisce l’immagine volumetrica del componente, comprensiva di tutti i dettagli interni.

La  tomografia  può  quindi  essere  detta  la  tecnologia  reciproca  della  costruzione  additiva:  consente  di passare  con  elevata  accuratezza  (alcune  decine  di  micron)  dal  componente  reale  alla  sua  matematica digitale, sezione per sezione, esattamente come il rapid prototyping permette di produrre direttamente, strato per strato, un componente partendo dal suo disegno CAD.

La  funzionalità  della  tecnica  può  essere  al  meglio  mostrata  proponendone  alcune  immagini  da  casi applicativi:
  • Analisi difettologica quantitativa di fusione in alluminio. I difetti interni sono evidenziati in scala di colore e riportati  in  una  tabella  Excel  con  la  completa  caratterizzazione  geometrica.  Di  ciascun  difetto  vengono rilevati il volume e i coefficienti di forma come sfericità e compattezza, mentre le coordinate di posizione sono  registrate  in  accordo  al sistema  di  riferimento  CAD.  La  visualizzazione  può  avvenire  sia  nella  vista tridimensionale sia in una qualunque sezione.
  • Rilievo  dimensionale  e  reverse  engineering  di  stampato  plastico.  Il  controllo  dimensionale  può  essere eseguito sia tradizionalmente come misura di singole quote (in accordo alla normativa VDE-VDI 2630) sia tramite  il  confronto  diretto  con  il  disegno.  In  questo  caso  l’immagine  tomografica  viene  sovrapposta  al modello CAD e punto per punto il software dichiara lo scostamento della geometria reale rispetto a quella di progetto. Tale operazione in fase di messa a punto del processo può essere utilissima anche per valutare al meglio le criticità e le modalità di ritiro, permettendo una più accurata e più economica messa a punto degli stampi. Lo stesso output tomografico può poi essere salvato in formato STL ed essere utilizzato per il reverse engineering completo del componente.
  • Controllo dell’incollaggio fra una struttura a nido d’ape (honeycomb)  in alluminio e una piastra in fibra di carbonio.  Questo  controllo  risulta  critico  con  qualsiasi  altra  tecnica  d’indagine  tradizionale.  Il  metodo  a ultrasuoni solitamente utilizzato richiede tempi di controllo molto lunghi e  fornisce un esito fortemente dipendente  dall’operatore. Con  la  scansione  tomografica  è  invece  possibile  evidenziare  la  sezione d’incollaggio  e  visualizzare  il  collante  stesso  misurandone  la  diffusione  sull’area  e  la  profondità  di penetrazione.
  • Analisi  funzionale  di  circuito  assemblato.  Essendo  il  microchip  (1mm  x  0,5mm)  immerso  in  una  resina protettiva è stato necessario fare uso del metodo a raggi x per indagarne la continuità delle connessioni. Le dimensioni  estremamente  ridotte  ne  impediscono  il  taglio  meccanico  e  un  attacco  chimico (decapsulazione) della resina danneggerebbe  anche il chip stesso. Mentre la radiografia tradizionale non è stata in grado di fornire il contrasto e la definizione necessaria al controllo, con la tomografia si evidenzia l’intera geometria interna d’interesse, compresi i filamenti dell’ESD aventi diametro di pochi micron.
  • Analisi di distribuzione delle fibre di vetro. Nella messa a punto di un nuovo processo di stampaggio si è verificata con scansione tomografica la concentrazione delle fibre di vetro in diverse zone del componente. Anche l’orientamento delle fibre, indicativo dei flussi di iniezione, è stato rilevato. La tecnica ha permesso di controllare le criticità di giunzione dei flussi e di validare le simulazioni CAE precedentemente effettuate.

Per effettuare tali indagini TEC Eurolab ha utilizzato strumentazione d’avanguardia:
  • Tubo microfocus da 240kV/350 W e minifocus da 450kV;
  • Detector digitale da 9MPxl;
  • Cabina bunker con volume scansionabile di 450mm di diametro e 1200mm di altezza;
  • Elevata  flessibilità  di  utilizzo  grazie  alla  libera  regolazione  dell’ingrandimento  geometrico e della distanza focale;
  • Elevata flessibilità di manipolazione con 7 assi di precisione capaci di movimentare componenti fino a 110kg.

Si noti che la qualità dell’attrezzatura è senza dubbio importante ma, data la complessità degli argomenti trattati e il potenziale della tecnologia, un ruolo centrale lo giocano gli operatori con il loro know how. Per valorizzare questa tecnica d’avanguardia e poterla utilizzare nel fornire il miglior supporto al cliente, non è infatti sufficiente saper “far andare la macchina”. È indispensabile che i tecnici incaricati delle scansioni e delle interpretazioni operino all’interno di un sistema integrato, che metta loro a disposizione ampie conoscenze e competenze: da nozioni sui materiali, oltre che sui processi di produzione e trasformazione, a nozioni di controllo dimensionale e di progettazione. Un percorso di qualifica degli operatori tomografici può essere intrapreso in parallelo. A tale scopo le  linee guida SNT TC 1A identificano un iter di formazione specifico per l’addestramento e la successiva certificazione del personale in ambito tomografico.

In conclusione, in ciascun caso applicativo mostrato, così come in molti altri casi curati da TEC Eurolab, si constata come la tomografia fornisca un servizio avanzato che consente alle aziende di aumentare la conoscenza dettagliata dei propri prodotti e processi e di poterli quindi migliorare in maniera efficiente riducendo i costi di ricerca e sviluppo, aumentando l’efficacia del controllo qualità e riducendo il time to market di nuovi prodotti.
 

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Tag: Tomografia Industriale Controlli non Distruttivi ispezione raggi X industrial CT X-Ray scan

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