Capita spesso che una nuova e preziosa capacità industriale porti con sé una serie completamente nuova di sfide per la scienza della misurazione e, quindi, inevitabilmente, per NIST.

Un esempio attuale è la fiorente crescita della produzione additiva (AM), l'equivalente industriale della stampa 3D in cui le strutture complesse sono costruite dalla successiva aggiunta di strati, invece di assemblarli da componenti separati o iniziare con un solido blocco di materiale da cui il materiale viene successivamente rimosso, a volte utilizzando una serie di strumenti di lavorazione, per produrre la parte finale.

AM è già in uso per la fabbricazione di un'ampia gamma di dispositivi, dagli impianti medici ai componenti elettronici multimateriale, condotti per fluidi di precisione, componenti della lampada, connettori in fibra ottica, e altro ancora. Ma il metodo pone problemi per il rilevamento dei difetti e il controllo di qualità:le dimensioni esatte e l'adattamento delle caratteristiche interne di un dispositivo non possono essere valutate prontamente senza distruggere il dispositivo.

Di conseguenza, molti produttori si sono rivolti a una tecnologia chiamata tomografia computerizzata a raggi X (CT), a lungo utilizzato nell'imaging medico ma sempre più utilizzato negli ultimi 15 anni per esaminare le caratteristiche dimensionali dei prodotti commerciali. Attualmente, però, ci sono pochissimi standard concordati per valutare le prestazioni di uno strumento CT o verificare l'accuratezza delle sue immagini.

Ecco perché il NIST ha stipulato un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo (CRADA) con North Star Imaging (NSI) del Minnesota, un produttore di sistemi digitali industriali a raggi X e TC, che ha prestato un'unità CT al NIST per la durata triennale del CRADA. Durante quel periodo, I ricercatori del NIST possono utilizzare il sistema CT per testare misurazioni di artefatti di riferimento candidati che potrebbero eventualmente essere impiegati in test e calibrazione standardizzati; allo stesso tempo, il sistema NSI può essere caratterizzato da procedure rigorose presso il laboratorio di standard della nazione.

"Proprio adesso, siamo principalmente coinvolti nello sviluppo di artefatti di riferimento molto ben descritti, ", afferma la scienziata del progetto Meghan Shilling del Physical Measurement Laboratory del NIST. "Prendiamo un artefatto progettato per valutare le prestazioni di un sistema CT e lo misuriamo utilizzando le nostre macchine di misura a coordinate con sonda tattile, che hanno una precisione di misura estremamente consolidata.

"Poi inseriamo gli artefatti nel sistema CT, misurarli, e guarda come si confrontano i dati. Una persona nel nostro team, che fa parte del Laboratorio di Ingegneria del NIST, sta realizzando strutture di prova in metallo utilizzando la produzione additiva, in cui lascia volutamente dei vuoti, che può anche essere ripreso utilizzando il sistema TC. Allo stesso tempo, stiamo anche lavorando alla caratterizzazione della macchina di North Star, dando loro un feedback tecnico che può aiutare a migliorare la progettazione del loro sistema."

"Il CRADA è stato estremamente prezioso per NSI nel caratterizzare il sistema per l'uso nel perfezionamento e miglioramento dei nostri progetti di sistemi CT, "dice Tucker Behrns, Responsabile tecnico presso NSI. "Siamo stati in grado di raccogliere una grande quantità di informazioni lavorando a fianco del team del NIST ottenendo un feedback imparziale con particolare attenzione alle implicazioni metrologiche. Le conoscenze e le competenze di misurazione uniche a cui abbiamo accesso come risultato di questo accordo ci hanno permesso di ottenere grandi profondità nella nostra comprensione degli aspetti critici del funzionamento e delle prestazioni della macchina."

Un obiettivo concomitante è quello di aiutare nello sviluppo di standard di valutazione delle prestazioni che possono essere promulgate in tutto il mondo. "Sia il NIST che l'NSI sono attivi nelle organizzazioni di normazione, tra cui l'International Organization for Standardization (ISO) e l'American Society of Mechanical Engineers, "Scellino dice.

"Entrambi sono in procinto di mettere insieme gli standard per la specifica dei sistemi CT. L'unico documento di valutazione delle prestazioni che esiste ora per la metrologia dimensionale CT è una linea guida tedesca, e il team che ha messo insieme la linea guida è anche coinvolto nella stesura dello standard ISO. Infine, speriamo anche di essere in grado di diffondere le migliori pratiche e le lezioni apprese su tecniche e manufatti".

La TC funziona proiettando raggi X di energie appropriate attraverso un oggetto ad angoli successivamente variabili. Diversi tipi di materiali assorbono o diffondono più o meno raggi X; quindi misurare i raggi X trasmessi attraverso un oggetto multifunzionale ad angoli diversi rivela la sua struttura interna. In una tipica TAC medica, una sorgente di raggi X ruota continuamente attorno al corpo, costruire immagini 2-D o 3-D che rivelano problemi circolatori, tumori, irregolarità ossee, calcoli renali e vescicali, lesioni alla testa e molte altre condizioni.

La TC a raggi X per oggetti fabbricati utilizza esattamente gli stessi principi. Nello strumento NSI al NIST, un campione/oggetto di prova viene posizionato su un tavolino tra la sorgente di raggi X e una piastra del rivelatore. Il campione ruota in una serie di piccoli incrementi angolari attorno al suo asse verticale, e il raggio di raggi X lo attraversa, prendendo un frame di dati in ogni posizione. Ogni misurazione produce una singola fetta 2-D. Il software per computer integra tutte le sezioni e crea un'immagine 3D.

Però, ci sono molti fattori di complicazione. Per una cosa, i campioni possono contenere sia parti di polimero morbido che più sezioni metalliche dure disposte in strati di polveri fuse o sinterizzate. Ogni tipo di materiale ha un coefficiente di attenuazione intrinseco (la facilità con cui i raggi X passano attraverso il materiale), che dipende dalla composizione e dalla densità del materiale, nonché dallo spettro energetico della sorgente di raggi X. Il NIST fornisce tabelle dei coefficienti di attenuazione della massa dei raggi X per elementi con numeri atomici da 1 a 92 per specifiche energie dei raggi X. Ma calcolando il coefficiente di attenuazione per i composti multielemento, come la plastica combinata con il metallo, utilizzando uno spettro di energia a raggi X, è una sfida.

"Siamo in grado di variare la tensione e la corrente nella sorgente di raggi X, "Scellino dice, "e possiamo posizionare vari filtri davanti al raggio per regolare lo spettro dei raggi X che viaggia sull'oggetto di prova target. Quindi il sistema è molto in grado di misurare materiali dalla plastica all'acciaio". A seconda delle esigenze del cliente e del grado di dettaglio che si vuole, una corsa di misurazione può variare da mezz'ora a quattro ore o più.

Ma come si può valutare oggettivamente l'accuratezza di quelle immagini? E quali sono i modi ottimali per misurare diversi materiali e configurazioni? Le risposte stanno lentamente emergendo da decine di prove, e "sviluppare le giuste impostazioni è un po' un'arte, " dice Shilling. Oltre a regolare la tensione e la corrente nel raggio di raggi X e nel materiale del filtro, sia la distanza tra la sorgente di raggi X e il campione, e il campione e il rivelatore, può essere regolato per ottenere vari effetti.

Allo stesso tempo, Shilling e colleghi stanno anche studiando aspetti dello strumento che potrebbero potenzialmente portare a errori di misurazione. "Per esempio, " lei dice, "mentre l'asse verticale della tavola rotante gira, vogliamo vedere quanto il campione può muoversi in altre direzioni:su e giù o da un lato all'altro. Ciò può influire sulla qualità dei risultati. Quello che abbiamo fatto più di recente è caratterizzare quei movimenti sugli assi più importanti della macchina".

Questo sforzo richiede misuratori di capacità sensibili e interferometri laser in grado di rilevare cambiamenti di posizione estremamente piccoli. Queste e altre misurazioni continueranno per circa un altro anno secondo i termini del CRADA.

"Alla NSI, "Berns dice, "abbiamo assistito a un aumento sostanziale nell'uso della produzione additiva per i componenti di produzione in molti dei principali mercati che serviamo. Poiché i nostri clienti continuano ad espandere l'applicazione di questa tecnologia, riteniamo che la TC giocherà un ruolo cruciale nell'identificazione e misurazione delle strutture interne che non è possibile con i metodi tradizionali. Lavorare con il NIST ci ha permesso di accelerare il progresso della tecnologia di misurazione CT in modo da poter continuare a migliorare la nostra capacità di servire questo mercato in rapida espansione".