Het is vaak zo dat een waardevolle nieuwe industriële capaciteit een geheel nieuwe reeks uitdagingen met zich meebrengt voor de meetwetenschap - en dus, onvermijdelijk, voor NIST.

Een actueel voorbeeld is de ontluikende groei van additive manufacturing (AM) - het industriële equivalent van 3D-printen waarin complexe structuren worden opgebouwd door de opeenvolgende toevoeging van lagen, in plaats van ze uit afzonderlijke componenten te assembleren of te beginnen met een massief blok materiaal waaruit het materiaal achtereenvolgens wordt verwijderd, soms met behulp van een aantal bewerkingsgereedschappen, om het laatste deel te produceren.

AM wordt al gebruikt voor de fabricage van een breed scala aan apparaten, van medische implantaten tot elektronische componenten uit meerdere materialen, precisie vloeibare leidingen, lampbestanddelen, vezeloptische schakelaars, en meer. Maar de methode levert problemen op voor defectdetectie en kwaliteitscontrole:de exacte afmetingen en pasvorm van de interne kenmerken van een apparaat kunnen niet gemakkelijk worden geëvalueerd zonder het apparaat te vernietigen.

Als resultaat, veel fabrikanten hebben zich tot een technologie gewend die röntgencomputertomografie (CT) wordt genoemd, lang gebruikt in medische beeldvorming, maar in de afgelopen 15 jaar in toenemende mate gebruikt om de dimensionale kenmerken van commerciële producten te onderzoeken. Momenteel, echter, er zijn zeer weinig overeengekomen normen om de prestaties van een CT-instrument te evalueren of de nauwkeurigheid van de afbeeldingen te verifiëren.

Daarom is NIST een coöperatieve onderzoeks- en ontwikkelingsovereenkomst (CRADA) aangegaan met North Star Imaging (NSI) uit Minnesota, een fabrikant van industriële digitale röntgen- en CT-systemen, die een CT-eenheid heeft uitgeleend aan NIST voor de duur van drie jaar van de CRADA. Gedurende die tijd, NIST-onderzoekers kunnen het CT-systeem gebruiken om metingen van kandidaat-referentie-artefacten te testen die uiteindelijk kunnen worden gebruikt bij gestandaardiseerde tests en kalibratie; tegelijkertijd, het NSI-systeem kan worden gekenmerkt door veeleisende procedures in het nationale standaardlaboratorium.

"Direct, we zijn voornamelijk betrokken bij het ontwikkelen van zeer goed beschreven referentieartefacten, " zegt projectwetenschapper Meghan Shilling van NIST's Physical Measurement Laboratory. "We nemen een artefact dat is ontworpen om de prestaties van een CT-systeem te evalueren en meten deze met behulp van onze tactiele-sonde-coördinatenmeetmachines, die een zeer goed gevestigde meetnauwkeurigheid hebben.

"Dan zetten we de artefacten in het CT-systeem, meet ze, en kijk hoe de gegevens zich verhouden. Een persoon in ons team, die deel uitmaakt van het Engineering Laboratory van NIST, maakt metalen teststructuren met behulp van additive manufacturing, waarin hij opzettelijk enkele holtes achterlaat, die ook kunnen worden afgebeeld met behulp van het CT-systeem. Tegelijkertijd, we werken ook aan het karakteriseren van de machine van North Star, hen technische feedback te geven die kan helpen bij het verbeteren van hun systeemontwerp."

"De CRADA is zeer waardevol geweest voor NSI bij het karakteriseren van het systeem voor gebruik bij de verfijning en verbetering van onze CT-systeemontwerpen, " zegt Tucker Behrns, Engineering Manager bij NSI. "We hebben een schat aan informatie kunnen verzamelen door samen te werken met het NIST-team, terwijl we onbevooroordeelde feedback hebben gekregen met een focus op metrologische implicaties. De unieke meetkennis en vaardigheden waartoe we toegang hebben als gevolg van deze overeenkomst hebben ons in staat gesteld om geweldige diepgang in ons begrip van de kritische aspecten van de machinefunctie en prestaties."

Een gelijktijdig doel is om te helpen bij de ontwikkeling van prestatie-evaluatienormen die wereldwijd kunnen worden afgekondigd. "Zowel NIST als NSI zijn actief in normalisatieorganisaties, waaronder de International Organization for Standardization (ISO) en de American Society of Mechanical Engineers, ' zegt Shilling.

"Beiden zijn bezig met het opstellen van normen voor het specificeren van CT-systemen. Het enige prestatie-evaluatiedocument dat nu bestaat voor CT-dimensionale metrologie is een Duitse richtlijn, en het team dat de richtlijn heeft opgesteld, is ook betrokken bij het opstellen van de ISO-norm. Eventueel, we hopen ook best practices en geleerde lessen over technieken en artefacten te kunnen verspreiden."

CT werkt door röntgenstralen van geschikte energieën door een object te projecteren onder achtereenvolgens variërende hoeken. Verschillende soorten materialen absorberen of verstrooien meer of minder röntgenstralen; dus het meten van de röntgenstralen die door een object met meerdere functies onder verschillende hoeken worden uitgezonden, onthult de innerlijke structuur ervan. In een typische medische CT-scan, een röntgenbron draait continu rond het lichaam, het opbouwen van 2D- of 3D-beelden die problemen met de bloedsomloop onthullen, tumoren, botonregelmatigheden, nier- en blaasstenen, hoofdletsel en vele andere aandoeningen.

X-ray CT voor gefabriceerde objecten gebruikt precies dezelfde principes. In het NSI-instrument bij NIST, een monster/testobject wordt op een platform tussen de röntgenbron en een detectorplaat geplaatst. Het monster draait in een reeks kleine hoekige stappen rond zijn verticale as, en de röntgenstraal gaat er doorheen, het nemen van één frame met gegevens op elke positie. Elke meting produceert een enkele 2D-slice. Computersoftware integreert alle plakjes en bouwt een 3D-beeld op.

Echter, er zijn veel complicerende factoren. Voor een ding, monsters kunnen zowel zachte polymeerdelen als meerdere harde metalen delen bevatten die zijn neergelegd in lagen gesmolten of gesinterd poeder. Elk soort materiaal heeft een inherente verzwakkingscoëfficiënt (het gemak waarmee röntgenstralen door het materiaal gaan), dat is afhankelijk van de materiaalsamenstelling en dichtheid, evenals het energiespectrum van de röntgenbron. NIST biedt tabellen met röntgenmassaverzwakkingscoëfficiënten voor elementen met atoomnummers van 1 tot 92 voor specifieke röntgenstralingsenergieën. Maar het berekenen van de verzwakkingscoëfficiënt voor verbindingen met meerdere elementen, zoals kunststoffen in combinatie met metaal, met behulp van een spectrum van röntgenstraling, is een uitdaging.

"We zijn in staat om de spanning en de stroom in de röntgenbron te variëren, "Shilling zegt, "en we kunnen verschillende filters voor de straal plaatsen om het röntgenspectrum aan te passen dat naar het doeltestobject gaat. Het systeem is dus heel goed in staat om materialen van kunststof tot staal te meten." Afhankelijk van de behoefte van de klant en de gewenste mate van detail, een meetrun kan variëren van een half uur tot vier uur of meer.

Maar hoe kan de nauwkeurigheid van die beelden objectief worden beoordeeld? En wat zijn de optimale manieren om verschillende materialen en configuraties te meten? De antwoorden komen langzaam naar voren uit tientallen proeven, en "het ontwikkelen van de juiste instellingen is een beetje een kunst, " zegt Shilling. Afgezien van het aanpassen van de spanning en stroom in de röntgenstraal en het filtermateriaal, zowel de afstand tussen de röntgenbron en het monster, en het monster en de detector, kan worden aangepast om verschillende effecten te bereiken.

Tegelijkertijd, Shilling en collega's onderzoeken ook aspecten van het instrument die mogelijk tot meetfouten kunnen leiden. "Bijvoorbeeld, " ze zegt, "terwijl de verticale as van de draaitafel draait, we willen zien hoeveel het monster in andere richtingen kan bewegen - op en neer of van links naar rechts. Dat kan de kwaliteit van de resultaten beïnvloeden. Wat we de laatste tijd hebben gedaan, is om die bewegingen op de belangrijkste assen van de machine te karakteriseren."

Die inspanning vereist gevoelige capaciteitsmeters en laserinterferometers die uiterst kleine veranderingen in positie kunnen detecteren. Die en andere metingen zullen nog ongeveer een jaar duren onder de voorwaarden van de CRADA.

"Bij NS "Behrns zegt, "We hebben een aanzienlijke toename gezien in het gebruik van additive manufacturing voor productiecomponenten in veel van de belangrijkste markten die we bedienen. Terwijl onze klanten de toepassing van deze technologie blijven uitbreiden, wij geloven dat CT een cruciale rol zal spelen bij de identificatie en meting van interne structuren, wat niet mogelijk is met traditionele methoden. Door met NIST samen te werken, hebben we de vooruitgang van CT-meettechnologie kunnen versnellen, zodat we ons vermogen om deze snelgroeiende markt te bedienen kunnen blijven verbeteren."