ANÁLISE DE MATERIAIS E DIMENSIONAMENTO DE PEÇAS METÁLICAS UTILIZANDO TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA DE RAIOS X

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1 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia ANÁLISE DE MATERIAIS E DIMENSIONAMENTO DE PEÇAS METÁLICAS UTILIZANDO TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA DE RAIOS X Diogo Cesar Borges Silva 1* (Pesquisador Assistente) Crhistian Raffaelo Baldo 1* (Coordenador Técnico de Projetos) 1 Laboratório de Micromanufatura (LMI), Núcleo de Bionanomanufatura (BIONANO) Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT), Av. prof. Almeida Prado, 532, , São Paulo, SP, Brasil * Autor correspondente / diogoc@ipt.br, TEL: A tomografia computadorizada por absorção de raios X, originalmente concebida para visualizar de forma não invasiva estruturas internas do corpo humano, nos últimos anos tem se tornado uma importante ferramenta de controle de qualidade de materiais e de avaliação dimensional de componentes e geometrias. Sem danificar o objeto em análise, descontinuidades, trincas, poros e inclusões podem ser detectados, e geometrias fisicamente não acessíveis, ou complexas, podem ser avaliadas. Para componentes automotivos, a tomografia computadorizada por absorção de raios X pode trazer contribuições significativas aos processos de controle de qualidade de produto. Neste artigo são delineados e discutidos, sob o ponto de vista metrológico, a análise de materiais em peças automotivas e a avaliação dimensional de geometrias intricadas nas mesmas. A apropriada seleção dos parâmetros de uma medição e a interpretação de resultados são discutidas para cada caso. A fusão de diversas janelas de medição, que possibilita aumentar virtualmente o tamanho do detector, é também discutida para os casos de aplicação apresentados. Palavras-chave: Metrologia Industrial, Tomografia Computadorizada, Análise de Falhas 1. Introdução Nos anos 1970, os primeiros usos da Tomografia Computadorizada por absorção de Raios X (TCRX), em diagnósticos radiológicos deu início a uma revolução no campo da engenharia biomédica. Através da TCRX, imagens representando seções do corpo humano podiam ser obtidas, proporcionando inúmeras aplicações de tratamento e diagnóstico. Desde então, a TCRX

2 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 tornou-se parte essencial em praticas médicas. Avanços na capacidade de distinção de menores diferenças de densidade e o aumento na velocidade de obtenção de resultados tornaram essa tecnologia adequada inicialmente para inspeção não destrutiva de peças mecânicas, realizando inspeções de segurança de integridade de palhetas de turbinas de helicópteros e peças em alumínio fundido [1]. Descontinuidades, inclusões e porosidades podiam ser detectadas sem intervenção física na amostra, oferecendo possibilidades de análise inteiramente novas. Recentemente, com a evolução da tecnologia, a TCRX tem sido utilizada como técnica de medição dimensional de geometrias internas e externas de peças, de modo não destrutivo. Estudos têm sido realizados reportando aspectos gerais e específicos da tecnologia de TCRX aplicados à metrologia, em especial relacionados à incerteza de medição e rastreabilidade [2-5]. uma fonte de raios X. A distribuição de intensidade da radiação após atravessar o objeto é determinada por meio de um detector e digitalmente armazenada como uma projeção 2D. As projeções resultantes da rotação completa da amostra definem a entrada do algoritmo matemático usado para construir um volume que representa a amostra interna e externamente. Neste artigo, a análise do material de bielas automotivas, produzidas através de processos de fundição e de forjamento, bem como a análise dimensional de geometrias complexas encontradas nesse tipo de peça, são descritas e discutidas. A escolha adequada dos parâmetros de medição de uma TCRX, tais como a tensão e a corrente aplicadas, o passo angular da medição, o tempo de exposição em cada posição angular e o número de imagens tomadas por posição angular, é estudado para a tarefa de medição de bielas automotivas. É também discutido o uso da fusão de diversas janelas de medição (doravante denominado raster), que aumenta virtualmente o campo de medição, permitindo obter em um único volume informações de mais de uma janela de medição. 2. Bielas - Análise de material Figura 1 Princípio de funcionamento de uma máquina de TCRX com detector 2D plano. Em geral, em um sistema de TCRX, a amostra a ser inspecionada, é rotacionada sob a radiação emitida por Atualmente, em sua maioria, as bielas automotivas são compostas por ligas de aço. Produzidas por fundição, forjamento ou metalurgia do pó, o corpo resultante precisa ser inspecionado uma vez que, durante o processo de produção, descontinuidades no material podem estar presentes. Esses defeitos podem afetar o desempenho e a vida útil do produto final. Para analisar o material

3 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 das bielas, uma máquina de TCRX, com as características descritas na Tabela 1, foi utilizada. Parâmetro Valor Tipo Volume de medição Tensão máx. da fonte de Raios X Potência máx. da fonte de Raio X Detector plano Ø 165 mm H 150 mm Ø 350 mm H 350 mm 225 kv 320 W na imagem por raster microfoco (200 x 200) mm dimensão física (200 x 200) µm dimensão pixel Ampliação 1x a 10x pré-calibrada Tabela 1 Especificações técnicas da máquina de TCRX empregada para inspecionar bielas automotivas (Ø: diâmetro do cilindro virtual; H: altura do cilindro virtual). Considerando a alta densidade do metal e a natureza polienergética dos raios X produzidos na máquina, a inspeção de peças de aço de geometrias complexas e com longos comprimentos radiográficos (distância a ser percorrida pelos raios X através do material, maior que 40 mm), não é uma tarefa trivial. As seções a seguir descrevem a inspeção de bielas usando TCRX dos seguintes pontos de vista: definição dos parâmetros de medição, posicionamento e alinhamento da peça, e resultados da tomografia. As bielas utilizadas nesse trabalho geraram um cilindro de rotação virtual de aproximadamente 100 mm x 300 mm, sendo assim, maiores que o detector plano da máquina de TCRX utilizada, sendo também empregado o recurso de raster. 2.1 Parâmetros da tomografia Para realizar um escaneamento por TCRX, diversos parâmetros da máquina precisam ser selecionados pelo usuário. A seleção adequada do fator de ampliação depende do tamanho da peça e da resolução necessária para análise a ser realizada. Posicionar a peça mais perto da fonte de raios X produz maior ampliação e, por consequência, melhor resolução. Em contrapartida, uma vez que a área do detector não se modifica, aproximar a peça da fonte de raio X reduz também a janela de medição, aumentando o tempo total de medição para a peça completa. Ao escanear materiais densos, que necessitam elevados níveis de energia, um contraste de imagem inadequado, consequência de uma má seleção de parâmetros, pode ocasionar saturação do detector ou pontos de contraste igual a zero, i.e., regiões onde nenhum fóton teve energia suficiente para atravessar, gerando volumes não representativos. Deve ser selecionado um valor de tensão e corrente para a fonte de raios X (fatores que determinam a quantidade e o nível de energia dos fótons gerados) e um tempo de exposição do detector, de forma que seja obtida uma imagem no detector com contraste otimizado, garantindo um volume adequado. O uso de filtros, i.e., a colocação de lâminas delgadas de metal entre a fonte de raios X e a peça, para filtrar fótons de baixa energia, permitindo assim o uso de mais potência, é também um recurso para que se obtenha um melhor contraste. Para um detector de 16 bits de resolução, como regra geral, o limite superior do contraste da imagem deve ser ajustado para um valor inferior a 220. O limite inferior do contraste, por outro lado, depende da densidade do material e da geometria da peça em análise e deve ser sempre maior do que

4 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 zero. Parâmetros como a média de imagens por posição e o número de passos dados para completar uma volta de 360º, podem melhorar a imagem, mas, da mesma forma que o tempo de exposição do detector, aumentam o tempo de escaneamento. 2.2 Posição e alinhamento O feixe de raios X produzido pela máquina contém fótons de diferentes níveis de energia que podem ser descritos por uma curva normal. Desse modo, entre os fótons produzidos são encontrados fótons de baixa energia, de média energia (a maior parte) e de alta energia. Fótons de baixa energia ao interagirem com o material da amostra em análise tendem a ser absorvidos, não alcançando o detector. Fótons de alta energia sofrem atenuação, mas são capazes de atravessar o material, chegando ao detector sem praticamente sofrer desvios. Para os fótons de nível de energia intermediário são observados tanto efeitos de absorção, quando de passagem sem desvio, porém, devido à alta densidade do material medido neste estudo, uma grande quantidade desses raios sofre efeitos de espalhamento, i.e., os raios ao atravessarem o material são atenuados e mudam de direção, podendo ou não chegar ao detector [2]. A fim de investigar o comportamento do espalhamento em peças de aço com comprimento radiográfico relativamente longo, testes foram realizados em um anel de aço capaz de simular a resposta da TCRX ao escanear a extremidade de maior diâmetro de bielas automotivas. Efetuaram-se três escaneamentos, cada um com uma orientação diferente, em relação ao eixo da mesa rotativa: a) Centro do anel inclinado aprox. 45 em relação ao eixo de rotação: setup que minimiza a variação da distância a ser percorrida pelos raios e evita que superfícies planas estejam ortogonais ao eixo de rotação. b) Centro do anel inclinado aprox. 90 em relação ao eixo de rotação: setup que produz dois extremos de distância de penetração e possui superfícies ortogonais ao eixo de rotação. c) Centro do anel inclinado aprox. 70 em relação ao eixo de rotação: setup que produz dois extremos de distância de penetração e evita que superfícies estejam ortogonais ao eixo de rotação. Para todos os casos, o anel de aço foi fixado em um suporte de isopor e o centro do anel posicionado no centro da janela de medição. A Tabela 2 lista os parâmetros de TCRX utilizados. Os modelos 3D resultantes são exibidos na Figura 2. Na imagem, observa-se que para os alinhamentos (a) e (c), onde foi evitado que partes da peça estivessem perpendiculares ao eixo de rotação, i.e., paralelos ao feixe de raios X, pôde-se verificar o efeito do espalhamento dos raios, nas regiões indicadas pelas setas. Parâmetro Configuração Tensão aplicada 200 kv Corrente aplicada 750 µa Tempo de exposição 2000 ms Média de n imagens n = 3 Incremento angular 0,225 Filtro 3 mm (estanho) Fusão de imagens (raster) não utilizada Tabela 2 Parâmetros utilizados para realizar o escaneamento por TCRX do anel de aço, para todos os alinhamentos.

5 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 Por essa razão, para inspecionar bielas automotivas optou-se pelo uso do alinhamento (b), onde o centro do anel é inclinado aprox. 90º em relação ao eixo de rotação. É importante notar que em todos os casos o nível de energia empregado foi insuficiente para evitar problemas por absorção durante o escaneamento. Como o comprimento radiográfico é similar ao de bielas de ligas de aço, o mesmo comportamento seria esperado ao escaneá-las usando a mesma máquina. Inclinação de 45 (a) Renderização (s) Inclinação de 90 (b) Inclinação de 70 (c) estruturas internas de materiais utilizando a TCRX é a identificação, sem danificar a amostra, de vazios, inclusões e descontinuidades. Os parâmetros de medição utilizados estão contidos na Tabela 3, para cada biela inspecionada. O modelo do volume reconstruído foi investigado por meio de secionamento e inspeção visual nas direções x (frente), y (lateral) e z (altura). A Figura 3a ilustra a renderização em escala de cinza de uma seção da biela de aço fundido. A Figura 3b ilustra a mesma seção, porém renderizada utilizando diferentes cores para diferentes faixas de densidades, oferecendo outras possibilidades de visualização do comportamento do material da peça. Inclinação de 45 (a) Renderização (t) Inclinação de 90 (b) Inclinação de 70 (c) Figura 2 Na renderização sólida (s), maiores deformações devido ao espalhamento são observados nos alinhamentos (a) e (c); falhas são observadas para todos os alinhamentos na renderização com transparência (t) 2.3 Resultados da medição O objetivo principal da inspeção de Configuração Parâmetro Biela fundida Biela forjada Tensão aplicada 200 kv 220 kv Corrente aplicada 850 µa 910 µa Tempo de exposição 2000 ms 1000 ms Média de n imagens n = 3 n = 4 Incremento angular 0,225 0,225 Filtro 3 mm 3 mm (estanho) (estanho) Secionamento da medição 3 seções 2 seções Fusão de imagens (raster) não utilizada não utilizada Tabela 3 - Parâmetros de escaneamento por TCRX, utilizados na medição das bielas fundida e forjada. É visível em ambas as imagens uma variação de densidade do material devido à limitação de energia dos raios X da máquina utilizada, na parte superior e inferior do diâmetro na imagem, representado por um escurecimento no tom de cinza na

6 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 Figura 3a e por regiões esverdeadas na Figura 3b. Apesar desses efeitos, a presença de falhas na densidade do material é também perceptível, indicada pela seta, sendo representada como uma mancha escura na Figura 3a e por uma mancha definida, em tons de verde, na Figura 3b. (a) (b) Figura 3 - (a) Imagem renderizada em escala de cinza, de uma seção da biela fundida; (b) Imagem renderizada utilizando diferentes cores para diferentes densidades da mesma seção da biela fundida. As setas indicam descontinuidade de material. Figura 4 - Imagem renderizada em escala de cinza de uma seção do volume resultante da medição da biela forjada. A seta indica descontinuidade de material. Para a biela forjada, uma seção é apresentada sendo renderizada em escala de cinza (Figura 4). Da mesma forma que nas imagens da biela fundida, uma variação de densidade do material devido à limitação de energia dos raios X da máquina utilizada, é observada na parte superior e inferior do diâmetro da imagem, e é também possível observar falhas do material, indicadas pela seta. Os resultados do escaneamento por TCRX para análise e visualização de estruturas internas tornam possíveis melhorias no ciclo de desenvolvimento de produtos. Por ser uma técnica de inspeção não destrutiva, as falhas encontradas podem ser correlacionadas aos resultados de outros testes. No entanto, o nível de energia que a máquina utilizada nos testes é capaz de alcançar torna limitada sua utilização na avaliação de peças de ligas de aço de maior tamanho. Considerando a mesma máquina, para bielas feitas em ligas de alumínio, dada a sua menor densidade, a avaliação de peças de maior tamanho é possível. 3. Bielas - Avaliação dimensional Seria de grande valor a possibilidade de realizar a medição de geometrias com o mesmo volume utilizado para a inspeção do material. Contudo, efeitos de espalhamento de raios X observados nos escaneamentos do anel de aço, descritos no item 2.2, também estavam presentes nos resultados das bielas. Considerando o diâmetro maior, observaram-se desvios da ordem de 2 mm em relação ao valor de referência, tornando o modelo resultante da peça como um todo inapropriado para os objetivos de uma avaliação dimensional.

7 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 Uma possível alternativa para a redução dos efeitos sistemáticos resultantes da TCRX envolveria a medição adicional com outros sensores, resultando numa matriz de correção de erros que poderia ser aplicada à medição. Essa técnica de compensação não foi considerada para a inspeção, devido à baixa qualidade dos dados obtidos. 3.1 Tomografia de região de interesse Apesar de o completo escaneamento de bielas automotivas não ter produzido dados suficientemente confiáveis para permitir uma análise dimensional, a tomografia em regiões de interesse, com melhor resolução, pode ser usada como uma opção para inspeção dimensional de partes específicas dum componente. Algumas bielas, por exemplo, podem apresentar, na região do diâmetro maior, geometrias complexas e não acessíveis para medições por contato, sem que a amostra seja cortada. A tomografia de região de interesse foi empregada no escaneamento de sulcos usinados na superfície interna do diâmetro maior de uma das bielas. De forma a alcançar um balanço de contraste adequado, a fonte de raios X e a mesa rotativa foram posicionadas próximas ao detector, proporcionando uma redução dos tempos de exposição, oferecendo a possibilidade de se utilizar menos potência, garantindo uma melhor resolução ao preço de se aumentar o chamado efeito de cone, i.e., erros de provocados pela não ortogonalidade dos planos de amostragem em relação à mesa. Desse modo, uma imagem de melhor qualidade e de resolução mais alta foi obtida. Foi também utilizado o recurso de raster, diminuindo o tempo de medição e facilitando a posterior análise. Parâmetro Configuração Tensão aplicada 220 kv Corrente aplicada 250 µa Tempo de exposição 1000 ms Média de n imagens n = 3 Incremento angular 0,225 Filtro 3 mm (estanho) Fusão de k imagens (raster) k = 2 Tabela 4 - Parâmetros do escaneamento por TCRX utilizado para inspecionar o arco usinado na superfície do diâmetro maior da biela. A Tabela 4 resume os parâmetros da TCRX utilizados para a medição do sulco, formado por dois cilindros parciais que se interceptam em duas linhas, formando um arco. A Figura 5 ilustra as projeções laterais e a renderização 3D da região de arco. O perfil da geometria pode ser verificado, sendo necessários alguns passos adicionais para uma análise dimensional confiável. 3.2 Determinação de superfície Para gerar um modelo de superfície poligonal a partir do volume resultante da medição, algoritmos padrão de determinação de superfície foram utilizados, sem que tenha sido aplicada qualquer técnica de redução da malha ou simplificação dos pontos. A definição do padrão de superfície baseia-se num valor de densidade inserido ou não pelo usuário e a partir dele é calculada uma malha de triângulos que descreve essa densidade e, por consequência, uma superfície. A Figura 6 mostra, à esquerda, a superfície que foi determinada para a região do arco usinado e, à direita, uma nuvem de pontos calculada a partir da

8 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 superfície determinada, que pode ser utilizada para avaliação dimensional de geometrias. Figura 5 - Projeções laterais renderizadas em escala de cinza e renderização 3D da região do arco usinado na superfície do diâmetro maior da biela. A B Figura 6 - À esquerda, renderização da superfície determinada, sendo indicadas regiões de menor profundidade (A) e maior profundidade (B) do arco. À direita, a nuvem de pontos extraída a partir da superfície determinada. 3.3 Resultados da medição A partir da nuvem de pontos da região em forma de arco, uma avaliação dimensional dos dois cilindros parciais que formam o perfil foi conduzida. Os pontos não relacionados às geometrias de interesse foram excluídos, cilindros foram ajustados aos pontos pelo método dos mínimos quadrados, relacionados com as zonas A e B (Figura 6). A distância entre cada ponto e o cilindro ajustado pelo método dos mínimos quadrados foi calculada e pode ser observada na forma de código de cores na Figura 7. A maior parte dos desvios residuais calculados ficou dentro do intervalo de ±0,01 mm, o que se deve provavelmente a efeitos causados pela precisão da reconstrução do volume. Alguns desvios residuais excederam o limite de ±0,10 mm (região da borda externa do perfil, em vermelho, na Figura 7), relacionados a efeitos de espalhamento dos raios. Considerando que a tolerância para um arco usinado como este não deve ser maior que 0,01 mm, os erros residuais observados, tornam os dados inadequados para o dimensionamento. 4. Considerações finais Este artigo descreveu a utilização da TCRX para inspecionar a qualidade do material e realizar avaliação dimensional de bielas automotivas de ligas de aço. Efeitos parasitas aos registros dos raios X, responsáveis por causar anomalias no volume resultante, puderam ser minimizados com a utilização de um alinhamento adequado e de uma determinação de superfície adequada. Apesar das descontinuidades causadas por absorção, que podem levar a uma interpretação errônea dos resultados, caso uma avaliação inadequada seja empregada, conclusões puderam ser tiradas sobre defeitos no material. No que se refere ao controle dimensional, entretanto, os efeitos parasitas remanescentes drasticamente afetaram a nuvem de pontos obtida. Verificaram-se resultados não confiáveis para o diâmetro maior, quando dados não corrigidos foram utilizados. Apesar da possibilidade de se realizar medidas de referência, utilizando-se sensores de medição por contato para formar uma matriz de correção de erros, tal técnica

9 ENQUALAB Congresso da Qualidade em Metrologia 27 a 29 Agosto de /10 produziria resultados questionáveis para a medição de detalhes usinados, os quais não poderiam ser medidos sem que a peça fosse cortada. Figura 7 Código de cores mostrando a comparação de cada um dos arcos com cilindros gaussianos ajustados calculados a partir deles. Na tomografia de região de interesse, por outro lado, os desvios observados tiveram em sua maioria uma variação da ordem de ±0,01 mm. Nesse caso, a utilização de uma matriz de correção tem grande potencial como solução para a redução da incerteza de medição, sendo necessário, porém, que a peça fosse cortada, permitindo assim que a região pudesse ser medida com sensores convencionais, o que deve ser objeto de trabalhos futuros. É esperado que a combinação da correção dos dados originais com uma determinação de superfície avançada, não baseada apenas num único valor de cinza, mas em valores locais e adaptativos, produza resultados mais adequados. REFERÊNCIAS 1. Weckenmann, A., Krämer, P., Application of computed tomography in manufacturing metrology, Technisches Messen, 76 (2009), Kruth, J.P., Bartscher, M., Carmignato, S., Schmitt, R. De Chiffre, L., Weckenmann, A., Computed tomography for dimensional metrology, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 60, No. 2, Pages , Weckenmann, A., Krämer, P., Assessment of measurement uncertainty caused in the preparation of measurement using computed tomography, XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology, Sept. 6-11, 2009, Lisbon, Portugal. 4. Weckenmann, A., Krämer, P., Computed tomography new and promising chances in manufacturing metrology, Int. J. Precision Technology, Vol. 1, Nos. 3/4, Schmitt, R., Niggemann, C., Uncertainty in measurement for x-raycomputed tomography using calibrated work pieces, Measurement Science and Technology, Vol. 21, 2010.