Un approccio di similitudine volto a ottimizzare i parametri per misure multimateriali accurate tramite tomografia computerizzata industriale

The purpose of this thesis is to to model the similarity of geometrically complex multi material workpieces to determine optimal Computed Tomography (CT) scan parameters for Metrology tasks and to design an expert system to automatically determine them, to aid the users in the CT setup process. To determine the optimal imaging parameters, a similarity approach is used, that is based on aspects of shape, size and material similarity. To frame the thesis and explain why it came into being, in the first part the state of the art is presented, which shows that there is an industry need for a systematic way to reduce the user influence and the high variability in uncertainty of measurement. In the central section the development of the similarity model and the design of the workpieces is clarified. Then the thesis illustrate the development of the Design of Experiments and the experimental validation carried out at the institute with an industrial CT system. The last part contains the results and conclusions of the work done. The results show that it is possible to achieve comparable accuracy of measurement regarding multi material workpieces with not axisymmetric geometry using a similarity approach and that the expert system is a suitable way to reduce by a great margin the user influence.

Lo scopo di questa tesi è modellare la similitudine di pezzi multi materiale di forma complessa, per determinare i parametri ottimi di setup usando la tomografia computerizzata (TC) per svolgere compiti di metrologia e progettare un sistema esperto per determinarli in maniera automatica, per aiutare l'utente nel configurare il processo di scansione. Per determinare i parametri ottimi di setup viene usato un approccio di similitudine. Questo approccio prende in considerazione gli aspetti di forma, dimensione e composizione materiale dei pezzi industriali. Per inquadrare la tesi e spiegare perché è nata, nella prima parte viene presentato lo Stato dell'Arte, che mostra il bisogno nell'industria di un metodo sistematico per ridurre l'influenza dell'utente e ridurre l'alta variabilità nell'incertezza di misura. Nella sezione centrale viene chiarito lo sviluppo del modello di similitudine e la progettazione dei pezzi industriali. Nello specifico, per determinare gli aspetti di forma, dimensione e composizione materiale dei pezzi industriali viene creato un modello di similitudine, che viene implementato in un sistema esperto per rendere il processo automatico, accessibile all'utente e per ridurre gli errori indotti dall'utente. Il sistema esperto necessita come input il file STL del pezzo, i materiali che lo compongono e la precisione voluta per la simulazione. Gli output del sistema esperto sono il voltaggio del tubo radiogeno, la corrente, il tempo di esposizione, il materiale e lo spessore del prefiltro e gli angoli ottimi ottenuti da un pezzo simile, se esso esiste nel database, altrimenti l'outup consiste in un voltaggio suggerito per il pezzo. Il Design of Experiments viene valutato per validare il modello. Per gli esperimenti vengono progettati tre pezzi differenti, considerando gli aspetti di forma, dimensione e composizione materiale. I pezzi vengono chiamati A, B e C e sono simili rispetto ai parametri di similitudine del modello. I pezzi vengono prima validati con simulazioni in ambiente MatLab, poi vengono prodotti e stampati con una stampante 3D. Un piano delle misure viene progettato per misurare caratteristiche di interesse comune per l'industria. I parametri ottimi di setup sono poi calcolati per il pezzo A tramite il sistema esperto e vengono discussi con un tecnico esperto. Dato che i pezzi sono simili, vengono tutti scansionati con gli stessi parametri di setup calcolati per A. Ogni pezzo viene scansionato dieci volte con un sistema industriale di TC e successivamente le caratteristiche vengono misurate col software VG Studio Max. Per ogni caratteristica ed ogni pezzo la media e la deviazione standard vengono calcolate. A partire dai dati acquisiti viene fatta una comparativa che viene usata nell'ultima parte della tesi per analizzare i risultati e trarre le conclusioni riguardo al lavoro svolto. La comparativa mostra che le deviazioni standard dei pezzi simili scansionati con gli stessi parametri di setup sono comparabili. Questo è il risultato più importante, è in accordo con le ipotesi e supporta le predizioni fatte, quindi il modello di similitudine sviluppato predice correttamente la similitudine dei pezzi ed i loro parametri di setup. La validità dei risultati è limitata dalle capacità di stampa della stampante 3D, quindi è possibile asserire soltanto che l'incertezza di misura è compatibile, ma non è possibile inferire se essa rappresenti il valore minimo o se sia semplicemente un valore accettabile per le applicazioni industriali. Pertanto è possibile dichiarare che i risultati mostrano che è possibile ottenere un'accuratezza di misura comparabile riguardo i pezzi multi materiale con geometria non assialsimmetrica usando un approccio di similitudine e che il sistema esperto è un metodo idoneo per ridurre in modo consistente l'influenza dell'utente. Dopo le conclusioni vengono presentate delle considerazioni sui possibili sviluppi futuri, sulle direzioni da prendere per le ricerche future e su come migliorare il sistema esperto. In dettaglio i futuri esperimenti dovrebbero concentrarsi sull'analisi del comportamento del modello con casi limite per i parametri di similitudine dei pezzi, come ad esempio due pezzi con la massima differenza possibile di parametri di similitudine per essere considerati simili. Il sistema esperto, per essere reso ancora più appetibile per l'industria, dovrebbe includere e poter stimare più parametri di setup per l'output. Per quanto riguarda le simulazioni, l'implementazione di una sorgente policromatica, di uno strumento di analisi degli spettri, del materiale e dello spessore del prefiltro garantirebbero dei risultati che si avvicinerebbero ancora di piu alla realtà.