Accuracy of geometrical measurements using computed tomography

At the state of the art recently there has been increased interest in applying X-ray Computed Tomography (CT) to the task of dimensional measurements since it offers several opportunities which are not possible with conventional tactile or optical measurement devices as for example: complete and non-destructive components’ inspections, determination of inner and outer geometries, simultaneous material and geometrical control, high-density point-clouds in relatively short time. Due to these advantages, CT reveals to be a very promising non-contact measuring technique and several manufacturers and research centres are now investing in the further development of metrological CT systems for both research and industrial applications. However, dimensional measurements from CT data are still lacking in traceability, due to difficulties in evaluating their uncertainty and in determining metrological performances of CT systems. In order to investigate these limitations, the main objective of the present work has been to contribute to the development of methods and calibrated objects for performance verification of CT systems. The first part of the Ph.D. thesis is dedicated to the study of the state of the art of Computed Tomography systems, from the first CT applications (medical ones) to the new promising ones for dimensional metrology purposes. Further on in a second part the state of the art related to the performance verification of CT systems is described, with particular focus on the field of dimensional metrology. In details some important national and international standards have been described together with alternative solutions coming from several research centers and universities. The analysis of the state of the art leads to the developments of new procedures and related calibrated objects at Laboratory of Industrial and Geometrical Metrology of University of Padova. In particular two items are presented Pan Flute Gauge and CT Tetrahedron. In a third part, the investigation on another calibrated object called PTB Tetrahedron is presented during a four months experience at PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig, Germany. Moreover, as described in the first parts of the Ph.D. thesis, CT systems are still not completely recognized as reference measuring instruments with well known metrological performances. An interlaboratory comparison has been considered to be an indispensable means to establish the effectiveness and comparability of measurement methods and to validate uncertainty claims. For this reason, the University of Padova organized the first international intercomparison of CT systems for dimensional metrology (CT Audit project) and an exhaustive extract from the official project report is presented. Finally preliminary investigations on metrological structure resolution are described. It is an important metrological characteristic of CT systems that is still not clearly described in terms of definitions and testing procedures. The working draft ISO Standard 10360-11 defined the metrological structure resolution is defined as “the size of the smallest structure that can be measured dimensionally”. According to the previous definition, a dedicated item, called Hourglass has been created in order to test the metrological resolution and first results have been achieved and presented.

Allo stato dell’arte, negli ultimi anni la tomografia computerizzata a raggi x (TC) si sta rivelando una tecnologia molto promettente nell’ambito della metrologia dimensionale, soprattutto perché, rispetto ai sistemi di misura tradizionali (tattili e ottici), essa presenta diversi vantaggi tra i quali la possibilità di controllare geometricamente parti interne di componenti senza doverli scomporre o distruggere, di verificare contemporaneamente la qualità dimensionale e dei materiali, di ricostruire tridimensionalmente gli oggetti con nuvole di punti ad alta densità in un tempo relativamente breve. Grazie a questi vantaggi, quindi, la tomografia computerizzata si è rivelata una tecnica di misura non a contatto molto interessante e molti produttori di sistemi TC e centri di ricerca stanno investendo nello sviluppo e nello studio di sistemi di tomografia a raggi x metrologici sia per uso industriale che nell’ambito di ricerca. Tuttavia, sono presenti alcuni limiti legati a problemi di riferibilità della misura e di stima dell’incertezza del processo di misurazione. L’obiettivo principale di questo lavoro di dottorato vuole quindi essere un contributo allo sviluppo di metodi e relativi campioni tarati per la verifica delle prestazioni di sistemi TC. La prima parte della tesi di dottorato è dedicata allo studio dello stato dell’arte dei sistemi di tomografia computerizzata, partendo dalle prime applicazioni a livello medicale per approdare agli ultimi promettenti utilizzi nel campo della metrologia dimensionale. In seguito è presentata una seconda parte dello studio dello stato dell’arte e alla verifica delle prestazioni dei sistemi TC, con particolare attenzione alle applicazioni metrologico dimensionali. In particolare sono presentate le proposte di verifica di prestazione di alcune norme nazionali e internazionali e delle proposte sperimentali di centri di ricerca e università. L’analisi dello stato dell’arte ha portato allo sviluppo di nuove procedure e di nuovi campioni tarati presso il Laboratorio di metrologia industriale e geometrica dell’Università di Padova. In particolare sono descritti i campioni “Pan Flute Gauge” e “CT Tetrahedron”. In una terza parte, viene riportato il lavoro relativo a un ulteriore campione “PTB Tetrahedron” sviluppatosi nell’ambito di un’esperienza di quattro mesi presso il centro metrologico tedesco PTB a Braunschweig (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Inoltre, come descritto nella prima parte del lavoro, i sistemi TC non sono ancora universalmente accettati come strumenti di misura di riferimento metrologico. Per questo motivo, un confronto interlaboratorio è stato ritenuto indispensabile per stabilire lo stato dei sistemi metrologici TC internazionale. L’Università di Padova ha quindi organizzato il primo interconfronto internazionale tra laboratori che utilizzano sistemi di tomografia computerizzata per misure metrologico dimensionale (Progetto CT Audit). Un esauriente estratto del rapporto ufficiale del progetto è presentato nel lavoro di dottorato. Infine, sono descritti gli studi preliminari riguardanti la risoluzione metrologica strutturale. Essa è una caratteristica metrologica importante dei sistemi TC, anche se non è ancora chiaramente descritta in termini di definizione e di verifica con appositi test. La bozza di lavoro ISO 10360-11 definisce la risoluzione metrologica strutturale come “la misura della più piccola struttura che può essere valutata dimensionalmente”. Partendo da questa definizione, è stato creato un campione, denominato “Hourglass”, per la valutazione della risoluzione strutturale e sono presentati i primi risultati raggiunti.