Escaneo por micro CT pasa del laboratorio a la línea de producción

Si su operación de control de calidad puede beneficiarse de la visión de rayos X, vale la pena darle un vistazo al escaneo por microtomografía computarizada (CT).

O, tal vez, un segundo o tercer vistazo. Después de todo, la capacidad de “ver dentro” de las piezas para formar imágenes detalladas de sección transversal a partir de múltiples radiografías tomadas desde diferentes ángulos no es nueva. Lo que es nuevo es que esta tecnología ya no es demasiado lenta para las operaciones de manufactura de alta producción. Esto es válido no sólo para llevar a cabo el escaneo sino también para seleccionar los parámetros adecuados de escaneo, reconstruir la imagen e interpretar los datos. Este fue el mensaje de una reciente presentación de Andrew Ramsey, especialista de rayos X CT en Nikon Metrology, quien presentó un video de demostración en tiempo real de un componente pequeño y complejo al someterse a todo el proceso de escaneo micro CT en menos de un minuto (vea el video en mms-mexico.com).

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Dicha velocidad se puede atribuir a los avances generales en computación, dice Ramsey. Las CPU más rápidas, por ejemplo, permiten la captura de más marcos de rayos X y más rápido que nunca antes; y los discos duros de mayor capacidad, con mejores velocidades de lectura/escritura pueden almacenar una cantidad de datos sin precedentes. Incluso la industria de los videojuegos ha contribuido inadvertidamente con el desarrollo de tarjetas gráficas programables de alta gama, que pueden dividir la tarea de reconstruir los datos de escaneo con la CPU principal. “Durante un juego, el equipo tiene que tomar una escena tridimensional y generar vistas 2D para los jugadores en tiempo real”, dice Ramsey. “Este procesamiento paralelo masivo es, en esencia, diseñado para hacer la reconstrucción CT”.

Cortesía de Nikon Metrology, este video demuestra las capacidades de velocidad de los sistemas de escaneo CT industriales modernos.

Sin embargo, Nikon también está aprovechando un desarrollo que no tiene nada que ver con la informática: fuentes de rayos X microfoco, capaces de obtener flujos mayores, una medida de la cantidad de rayos X proyectadas por segundo. Cuanto menor sea el flujo, explica Ramsey, más largo es el tiempo que el objeto escaneado debe girar dentro del haz de rayos X para producir una imagen de la sección transversal más detallada que una imagen con un mayor contraste entre las zonas que absorben los rayos X y las zonas que les permiten pasar a través e impactan en el detector. En el máximo flujo, las únicas opciones para aumentar la velocidad de recolección son reducir la resolución o limitar del número de proyecciones de rayos X utilizadas para ejecutar el escaneo.

La principal limitación de flujo de rayos X es el calor, que aplica tanto para las pequeñas fuentes microfoco utilizados en el escaneo industrial CT como para los tubos de rayos X más grandes en sistemas como, por ejemplo, consultorios odontológicos o sistemas de seguridad en aeropuertos. En ambos casos, un cátodo calentado proyecta un haz de electrones hacia un objetivo ánodo (las fuentes microfoco de Nikon utilizan objetivos de tungsteno). Tras el impacto, más del 99 por ciento de la energía del haz de electrones se convierte en calor. El resto se convierte en fotones de rayos X que se proyectan a continuación hacia el objeto que se va a escanear. Cuanto mayor sea la potencia, mayor es la densidad del haz de electrones y mayor es el flujo. En un cierto punto, sin embargo, se corre el riesgo de fusión del objetivo.

En una fuente microfoco esta limitación es particularmente pronunciada. Para alcanzar el nivel de detalle requerido para la CT industrial, estas pequeñas fuentes concentran los rayos-X y, por tanto, el haz de electrones en un tamaño de punto inicial mucho menor, que se mide en micras en lugar de en milímetros. Cuanto más concentrado sea el haz de electrones, mayor será la vulnerabilidad del objetivo al calor. “El Tungsteno se funde a alrededor de 1 vatio por micra”, dice Ramsey. “Eso se traduce en 1 gigavatios por metro cuadrado y, desde luego, no me gustaría estar parado en ese metro cuadrado”.

Para controlar mejor el calor y maximizar el flujo, los nuevos objetivos de ánodo de Nikon no permanecen estáticos durante la operación, como en los diseños anteriores. En lugar de ello, el haz de electrones se centra en el borde achaflanado de un objetivo de haz en forma de disco que gira a 6,000 rpm. Un disco giratorio, explica Ramsey, disipa el calor mejor que un blanco estático, ya que proporciona una mayor superficie para el haz de contacto. Esto permite arrancar con una potencia de hasta 5 vatios por micra, para lograr un mayor flujo o, como dice Ramsey, “obtener una cantidad mucho mayor de rayos X por segundo con el mismo tamaño pequeño de punto”.

Cualquiera que sea el diseño del objetivo, y cualesquiera que sean las capacidades de los equipos de recolección, la reconstrucción de los datos en una imagen de sección transversal y la configuración de un proceso de escaneo por primera vez puede tomar bastante tiempo. Del mismo modo ocurre con el análisis y la interpretación de los datos. Sin embargo, Ramsey dice que las interfaces de software han recorrido un largo camino hacia la optimización de ambos procesos.

El sistema Inspect-X de Nikon, por ejemplo, almacena automáticamente los ajustes de escaneo CT como tensión, corriente, posición del manipulador, entre otros, en plantillas que se pueden volver a utilizar en aplicaciones similares. Del mismo modo, las macros de análisis de datos pueden permitirles a los empleados sin un profundo conocimiento del proceso, realizar fácilmente tareas como la extracción de regiones de interés a partir de una plantilla o la aplicación de dimensiones y tolerancias geométricas (GD & T) para determinar estados pasa/no pasa, entre otros ejemplos.

Añade que las empresas que emplean desarrolladores de software pueden ir aún más lejos con la simplificación de las tareas complejas de escaneo CT. Eso es gracias a la Comunicación Entre Procesos (IPC), una interfaz programable publicada para el Inspect-X, que permite crear un programa individualizado “front end” para el software con programas sencillos en Visual Basic, C ++ o C#. El sistema IPC también permite la interacción con hardware y software de otros fabricantes, una habilidad que permite la integración de bases de datos externas, brazos robóticos u otros elementos periféricos.

Ramsey hace hincapié en que la velocidad no ha sido el único avance en la TC durante las últimas décadas. Por ejemplo, 2003 marcó el primer uso de Nikon de detectores de rayos X de pantalla plana de silicio amorfo con 3,200 por 2,300 píxeles, lo que permitió imágenes mucho más detalladas que las de las cámaras CCD de 1,000 por 1,000 píxeles, utilizadas en los sistemas anteriores. Sin embargo, los fabricantes presionados por el tiempo rara vez podían aprovechar esta capacidad plena, dice Ramsey.

En lugar de ello, la mayoría optó por escanear a una resolución más baja y usar alta resolución sólo para áreas específicas de interés, tener un proveedor externo que realizara la tomografía computarizada o emplear una tecnología completamente diferente para el control de calidad. Ahora, toda la capacidad de esta tecnología está al alcance.

“Con un proceso tranquilo, desde el montaje de la muestra hasta la obtención del informe del análisis, podemos decir con confianza que el escaneo por micro CT está listo para la línea de producción”, indica.