Ainetta rikkomattomat tarkastukset (NDT-tarkastukset) ovat tärkeä osa valmistavan teollisuuden tuotekehitystä ja lopputuotteiden laadunvarmistusta. NDT-tarkastuksien avulla voidaan varmistua siitä, että valmistettu tuote täyttää kaikki sille asetetut vaatimukset. Vaatimuksia tuotteille asettaa erilaiset standardit, direktiivit, asetukset ja säännökset, kuten esimerkiksi painelaitedirektiivi tai ATEX eli räjähdysvaarallisten tilojen laitedirektiivi. Yleisiä ainetta rikkomattomia pintatarkastuksia ovat muun muassa tunkeumaneste-, magneettijauhe- ja pyörrevirtaustarkastukset. Volymetrisiä eli sisäistä rakennetta tutkivia tarkastuksia puolestaan tehdään yleisimmin käyttämällä ultraääntä tai radiografiaa.
Röntgentomografia, eli mikroCT, on yksi radiografisista tarkastusmenetelmistä, jolla voidaan tarkastella sekä kappaleen ulkoista, että sisäistä rakennetta. MikroCT -kuvauksessa kappaleesta kuvataan useita projektiokuvia kappaleen pyöriessä pystyakselinsa ympäri, ja näistä projektiokuvista laskentaohjelmistot muodostavat leikekuvat koko kappaleen korkeudelta. Leikekuvien perusteella päästään tarkastelemaan kuvatun kappaleen sisäistä rakennetta, kuten esimerkiksi huokosia tai halkeamia. Leikekuvista voidaan myös tarkastella kappaleen ulkopintaa, mutta menetelmää käytetään yleisemmin kappaleiden sisäisen rakenteen tarkasteluun. Laskentaohjelmistot pystyvät myös muodostamaan kuvauksien pohjalta kappaleen 3D-mallin, jota voidaan verrata tuotesuunnittelun 3D-malliin.
MikroCT -kuvia tarkastellessa kappale esitetään yleensä kolmesta eri suunnasta. (Ari Tanskanen 2022)
3D-tulostettujen kappaleiden ulkopinnan silmämääräinen tarkastus on useasti riittävä tulosteen laadunvarmistuksessa. Kappaleiden sisäinen rakenne puolestaan ei selviä ilman NDT-tarkastusta, jossa 3D-tulosteiden osalta on päästy hyödyntämään Itä-Suomen yliopiston mikroCT -laitteistoa Tomolab -hankkeessa. Kuvatuista kappaleista on pystytty tarkastelemaan esimerkiksi pursotusmenetelmällä tulostettujen kappaleisiin jääviä ”taskuja”, jauhepetimenetelmällä tulostettujen kappaleiden huokosia ja halkeamia. Itä-Suomen yliopiston uusi mikroCT -laite, Nikon XT H 225, kykenee läpivalaisemaan terästä 30 millimetrin paksuudelta ja alumiinia jopa 120 millimetriin asti. Laitteen tehokkuus antaakin siis hyvät mahdollisuudet erilaisten kappaleiden kuvaamiseen.
Metallista 3D-tulostettuun kappaleeseen syntynyt halkeama erottuu hyvin mikroCT kuvassa. (Ari Tanskanen, 2022)
Tarkkuudella on rajat
Kun halutaan tarkastella muovi- tai metallikappaleiden sisäistä rakennetta, päästään nopeasti kysymykseen mikä on kuvantamisen tarkkuus. Tarkkuus määrää suoraan sen, miten pieniä virheitä mikroCT:ltä saaduista leikekuvista on mahdollista erottaa. MikroCt kuvien tarkkuutta eli erottelukykyä kuvastaa kuvien pikselikoko, joka muodostuu kuvauksen aloittamisvaiheessa, kun kuvauksen asetukset säädetään kohdalleen. Asetuksien lisäksi pikselikokoon vaikuttaa kappaleen etäisyys kuvauslaitteen säteilylähteestä. Esimerkiksi 20 millimetrin halkaisijan lieriön kuvauksessa päästään tällä hetkellä noin 13-15 mikrometrin pikselikokoon Itä-Suomen yliopiston laitteella. Jotta virheen kappaleen rakenteessa voi havaita, täytyy kyseisellä alueella olla riittävän monta pikseliä vierekkäin. Tämän johdosta erottelukyky on noin 5-8 kertaa kuvan pikselikokoa heikompi. Toisin sanoen pikselikoon ollessa 15 mikrometriä, muodostuu todelliseksi erottelukyvyksi noin 75-120 mikrometriä.
Nikon XT H 225, säteilylähde on kuvattavan kappaleen vasemmalla puolella. (Ari Tanskanen, 2021)
Pikselikoon lisäksi kuvan tarkkuuteen vaikuttaa moni muukin asia, kuten sirontaa aiheuttavat terävät kulmat tai muut vastaavat muutokset kappaleen geometriassa tai tiheydessä. Nämä vaikuttavat röntgensäteen kulkemiseen kappaleen lävitse, josta johtuvia kuvausvirheitä saadaan pienennettyä ja poistettua kuvausasetuksien säätämisellä.
Lopputuloksen laadukkuuden lisäksi kuvausasetuksilla vaikutetaan kuvauksen kestoon, mitä tarkempia kuvia halutaan saada, sitä kauemmin kuvausprosessi kestää. Tyypillinen hyvälaatuisen kuvauksen kesto on noin 1,5-4 tuntia pienehköillä kappaleilla. Suuremmilla kappaleilla kuvaus kestää kauemmin, ja kappaleen koolla on myös suora vaikutus saavutettuun tarkkuuteen, koska suuri kappale jää luonnollisesti kauemmaksi säteilylähteestä.
Kuvausprosessissa on siis monia muuttujia, jotka on otettava huomioon ennen kuvausta, jotta kuvasta saadaan riittävän hyvän laatuinen kohtuullisessa ajassa. Tämän takia onkin ennen kuvausta mietittävä mitä kappaleista halutaan kuvata, ja säätää kuvausasetuksia sen mukaan. MikroCT:llä voidaan tehdä myös nopeampia ns. pikakuvauksia, joista saadaan vähemmän tarkkuutta vaativia asioita selville. Pikakuvauksen perusteella voidaan sitten lähteä hakemaan tarkempia säätöjä kuvauksen asetuksille.
Tomolab -hankkeessa Savonia-ammattikorkeakoulu tutkii yhdessä Itä-Suomen yliopiston kanssa röntgentomografian hyödyntämistä 3D-tulostuksessa, tuotekehityksessä, laadunvarmistuksessa sekä vaurioiden analysoinnissa.
Kirjoittajat:
Ari Tanskanen
Savonia-ammattikorkeakoulu Oy
Lauri Alonen
Savonia-ammattikorkeakoulu Oy