Muitas vezes acontece que uma nova capacidade industrial valiosa traz consigo um novo conjunto de desafios para a ciência da medição - e, portanto, inevitavelmente, para NIST.

Um caso atual em questão é o crescimento crescente da manufatura aditiva (AM) - o equivalente industrial da impressão 3-D em que estruturas complexas são construídas pela adição sucessiva de camadas, em vez de montá-los a partir de componentes separados ou começar com um bloco sólido de material do qual o material é removido sucessivamente, às vezes usando uma série de ferramentas de usinagem, para produzir a parte final.

AM já está em uso para fabricar uma ampla gama de dispositivos de implantes médicos a componentes eletrônicos multimateriais, conduítes de fluido de precisão, constituintes da lâmpada, conectores de fibra óptica, e mais. Mas o método apresenta problemas para detecção de defeitos e controle de qualidade:as dimensões exatas e o ajuste dos recursos internos de um dispositivo não podem ser avaliados prontamente sem destruir o dispositivo.

Como resultado, muitos fabricantes recorreram a uma tecnologia chamada tomografia computadorizada de raios-x (CT), muito usado em imagens médicas, mas cada vez mais empregado nos últimos 15 anos para examinar as características dimensionais de produtos comerciais. Atualmente, Contudo, existem muito poucos padrões acordados para avaliar o desempenho de um instrumento de TC ou verificar a precisão de suas imagens.

É por isso que o NIST celebrou um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento (CRADA) com a North Star Imaging (NSI) de Minnesota, um fabricante de sistemas industriais de raios-x e tomografia computadorizada, que emprestou uma unidade CT ao NIST pelo período de três anos do CRADA. Durante esse tempo, Os pesquisadores do NIST podem usar o sistema CT para testar medições de artefatos de referência candidatos que podem eventualmente ser empregados em testes e calibração padronizados; ao mesmo tempo, o sistema NSI pode ser caracterizado por procedimentos exigentes no laboratório de padrões do país.

"Agora mesmo, estamos principalmente envolvidos no desenvolvimento de artefatos de referência muito bem descritos, "diz o cientista do projeto Meghan Shilling, do Laboratório de Medição Física do NIST." Pegamos um artefato projetado para avaliar o desempenho de um sistema de TC e medimos usando nossas máquinas de medição por coordenadas com sonda tátil, que têm uma precisão de medição extremamente bem estabelecida.

"Em seguida, colocamos os artefatos no sistema de CT, medi-los, e veja como os dados se comparam. Uma pessoa da nossa equipe, que faz parte do Laboratório de Engenharia do NIST, está fazendo estruturas de teste de metal usando manufatura aditiva, em que ele deixa intencionalmente alguns vazios, que também pode ser obtido por imagem usando o sistema CT. Ao mesmo tempo, também estamos trabalhando na caracterização da máquina da North Star, dando-lhes feedback técnico que pode ajudar a melhorar o design do sistema. "

"O CRADA foi extremamente valioso para a NSI na caracterização do sistema para uso no refinamento e aprimoramento de nossos projetos de sistema de TC, "diz Tucker Behrns, Gerente de Engenharia da NSI. "Conseguimos reunir uma riqueza de informações por meio do trabalho ao lado da equipe do NIST e, ao mesmo tempo, obter feedback imparcial com foco nas implicações metrológicas. O conhecimento e as habilidades de medição exclusivos aos quais temos acesso como resultado deste acordo nos permitiram ganhar muito profundidade em nossa compreensão dos aspectos críticos da função e desempenho da máquina. "

Um objetivo simultâneo é auxiliar no desenvolvimento de padrões de avaliação de desempenho que possam ser promulgados em todo o mundo. "Tanto o NIST quanto o NSI são ativos em organizações de padrões, incluindo a Organização Internacional de Padronização (ISO) e a Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos, "Diz o xelim.

"Ambos estão em processo de reunir padrões para especificar sistemas de TC. O único documento de avaliação de desempenho que existe agora para metrologia dimensional de TC é uma diretriz alemã, e a equipe que elaborou a diretriz também está envolvida na elaboração do padrão ISO. Eventualmente, também esperamos poder disseminar as melhores práticas e lições aprendidas sobre técnicas e artefatos. "

A TC funciona projetando raios-X de energias apropriadas através de um objeto em ângulos sucessivamente variáveis. Diferentes tipos de materiais absorvem ou espalham mais ou menos raios X; portanto, medir os raios-x transmitidos por meio de um objeto com vários recursos em diferentes ângulos revela sua estrutura interna. Em uma tomografia computadorizada médica típica, uma fonte de raios-x gira continuamente ao redor do corpo, construir imagens 2-D ou 3-D que revelam problemas circulatórios, tumores, irregularidades ósseas, pedras nos rins e na bexiga, ferimentos na cabeça e muitas outras condições.

A TC de raios-X para objetos manufaturados usa exatamente os mesmos princípios. No instrumento NSI no NIST, uma amostra / objeto de teste é colocado em um palco entre a fonte de raios-x e uma placa de detecção. A amostra gira em uma série de pequenos incrementos angulares em torno de seu eixo vertical, e o feixe de raios-x passa por ele, tomando um quadro de dados em cada posição. Cada medição produz uma única fatia 2-D. O software de computador integra todas as fatias e constrói uma imagem 3-D.

Contudo, existem muitos fatores complicadores. Por uma coisa, as amostras podem conter partes de polímero macio e múltiplas seções metálicas duras dispostas em camadas de pós fundidos ou sinterizados. Cada tipo de material tem um coeficiente de atenuação inerente (a facilidade com que os raios X passam pelo material), isso depende da composição e densidade do material, bem como do espectro de energia da fonte de raios-x. O NIST fornece tabelas de coeficientes de atenuação de massa de raios-X para elementos com números atômicos de 1 a 92 para energias específicas de raios-X. Mas, calculando o coeficiente de atenuação para compostos de vários elementos, como plásticos combinados com metal, usando um espectro de energia de raios-x, é um desafio.

"Podemos variar a voltagem e a corrente na fonte de raios-X, "Shilling diz, "e podemos colocar vários filtros na frente do feixe para ajustar o espectro de raios-X que viaja até o objeto de teste alvo. Portanto, o sistema é muito capaz de medir materiais de plásticos a aço." Dependendo das necessidades do cliente e do grau de detalhamento desejado, uma medição pode variar de meia hora a quatro horas ou mais.

Mas como a precisão dessas imagens pode ser avaliada objetivamente? E quais são as formas ideais de medir diferentes materiais e configurações? As respostas estão emergindo lentamente de dezenas de tentativas, e "desenvolver as configurações certas é uma espécie de arte, "Diz o xelim. Além de ajustar a voltagem e a corrente do feixe de raios-x e do material do filtro, a distância entre a fonte de raios-x e a amostra, e a amostra e o detector, pode ser ajustado para obter vários efeitos.

Ao mesmo tempo, Shilling e colegas também estão investigando aspectos do instrumento que podem levar a erros de medição. "Por exemplo, " ela diz, "conforme o eixo vertical da mesa rotativa gira, queremos ver o quanto a amostra pode se mover em outras direções - para cima e para baixo ou de um lado para o outro. Isso pode afetar a qualidade dos resultados. O que temos feito mais recentemente é caracterizar esses movimentos nos eixos mais importantes da máquina. "

Esse esforço requer medidores de capacitância sensíveis e interferômetros a laser que podem detectar mudanças extremamente pequenas na posição. Essas e outras medições continuarão por cerca de mais um ano nos termos do CRADA.

"Na NSI, "Behrns diz, "vimos um aumento substancial no uso de manufatura aditiva para componentes de produção em muitos dos principais mercados que atendemos. À medida que nossos clientes continuam a expandir a aplicação desta tecnologia, acreditamos que a TC terá um papel crucial na identificação e medição de estruturas internas, o que não é possível com os métodos tradicionais. Trabalhar com o NIST nos permitiu acelerar o avanço da tecnologia de medição de TC para que possamos continuar a melhorar nossa capacidade de atender a este mercado em rápida expansão. "