Introduzione alla tecnica di controllo volumetrico tridimensionale a raggi X, sempre più diffusa e di grande potenzialità nell’ambito della fonderia.
In piena era 4.0 anche i metodi diagnostici e di controllo qualità hanno ricevuto un corposo contributo, portando sempre più nell’uso quotidiano industriale una delle tecniche d’ispezione moderne che in molti conoscono col termine tomografia.
Ci muoviamo nell’ambito degli esami non distruttivi e senza contatto, due caratteristiche assai interessanti che hanno fatto della tomografia industriale o tomografia computerizzata (in versione inglese, CT – Computed Tomography) un esame sempre più intensamente sfruttato nel mondo della fonderia per il suo enorme potenziale in termini di capacità di svolgere controlli di qualità accurati e ricerca di situazioni difettologiche dei getti; attività che singolarmente o in combinazione fra loro hanno il vantaggio di permettere l’ottimizzazione dei processi produttivi e dei prodotti.
Le moderne strumentazioni disponibili in ambito industriale traggono origine ed esperienza dall’impiego dei raggi X, radiazioni elettromagnetiche prodotte con specifici generatori ma sono state poi le tecnologie elettroniche e computazionali che hanno permesso di impiegare questo potente mezzo con precisione ed accuratezza per raggiungere risultati assai utili, benché non privi di difficoltà e specificità interpretative.
Origini e principio di funzionamento della Tomografia Computerizzata
Storicamente, la tomografia computerizzata è una tecnica che deriva dal metodo di controllo radiografico (RT), un esame di tipo volumetrico (ovvero avente lo scopo d’indagare il volume di un oggetto e non semplicemente le caratteristiche di superficie), suddivisibile in:
• tecnica radiografica con pellicola (film);
• tecnica radioscopica (“tecnica semplificata”, metodo RT );
• tecnica radiografica diretta (DR – Direct Radiography);
• tecnica radiografica computerizzata (CR – Computed Radiography);
• tecnica tomografica computerizzata (CT – Computed Tomography).
La tecnica CT si sviluppò nel campo medico diagnostico per essere adattata successivamente alle applicazioni industriali. Più propriamente rappresenta una tecnica d’indagine radiodiagnostica (diagnostica per immagini), che sfrutta l’interazione della radiazione (RX) quando attraversa la materia (ionizzazione), caratterizzata da un coefficiente lineare d’assorbimento (μ).
La tecnica CT è in grado di rappresentare componenti in immagini tridimensionali e analizzare tutto il volume con sezioni virtuali (immagini in sezione). La metodica circolare, che è alla base della tomografia assiale computerizzata (TAC), deriva dai principi di geometria proiettiva, che definirono la stratigrafia, e fu concepita già nel 1967 dall’ingegnere inglese Godfrey Hounsfield, che, assieme al fisico sudafricano Allan Cormack, realizzò il primo tomografo, ottenendo il premio Nobel per la medicina nel 1979, condiviso sempre con Cormack, il quale sviluppò il primo tomografo computerizzato commerciale.
L’esame tomografico, avendo la possibilità d’acquisire immagini con angolazioni diverse a seguito di una scansione con metodica circolare (360°), ha la capacità di elaborare le stesse con algoritmi di ricostruzione matematici mediante calcolatore, permettendo di ricostruire un oggetto in forma tridimensionale. Il principio su cui si basa la ricostruzione tomografica è che acquisendo tante proiezioni radiografiche dello stesso oggetto ad angolazioni diverse è possibile ricostruire l’oggetto nelle due dimensioni. Per ottenere la terza dimensione si utilizzano complessi algoritmi matematici che elaborano i pixel delle successive scansioni tra i quali i metodi di retroproiezione filtrata (algoritmo Filtered Back Projection, FBP) se il fascio di raggi X è parallelo o a ventaglio, il metodo di Feldkamp se il fascio è conico oppure metodi iterativi. Chiaramente, per poter adottare questi algoritmi è necessario riprendere le proiezioni radiografiche in immagini digitali, cioè una matrice di numeri organizzata, il cui più piccolo elemento è chiamato pixel e il valore al suo interno è un numero in scala di grigi a cui corrisponde una misura dell’attenuazione del fascio in quel punto. Dopo aver applicato gli algoritmi di ricostruzione si ottiene un’immagine digitale generata mediante conversione analogico-digitale dei segnali elettrici provenienti dai detettori, che rappresenta la distribuzione della densità dell’oggetto in una sua sezione interna (slice). Trattandosi di dati digitali, la distribuzione delle informazioni di attenuazione dei fotoni dei raggi X che colpiscono il detector (correlate alla variazione di densità della materia attraversata dai raggi X in una data posizione) non è continua, ma discreta, e approssima tanto meglio la distribuzione continua reale quanto maggiore è la loro frequenza di campionamento. La rappresentazione spaziale dei dati di densità avviene mediante il loro inserimento in una matrice di m×n elementi, nei quali viene suddiviso il campo di vista (Field Of View – FOV). In ambito CT vengono generalmente impiegate matrici di ricostruzione quadrate di N×N elementi, detti voxel. Ciascun voxel è costituito da un parallelepipedo d’altezza equivalente allo spessore di strato e lato di base pari a: l = dFOV/N, dove dFOV è l’ampiezza del FOV. In altri termini, il voxel è l’elemento costitutivo dell’immagine fisica, che è la rappresentazione spaziale delle densità degli elementi della matrice in cui viene riprodotta ciascuna sezione CT con spessore di strato definito (z). Dunque, il voxel, è una suddivisione di uno spazio, digitalizzato in un volume tridimensionale cubico, idealmente avente le stesse dimensioni in tutti i suoi lati (isotropico).
La penetrazione dei raggi X all’interno di un oggetto sottoposto ad un’analisi-esame in CT è fortemente dipendente dalla densità della materia che costituisce l’oggetto stesso, così come si evidenzia bene dall’immagine relativa alla tabella periodica degli elementi che colora in modo più tenue gli elementi più facilmente attraversabili dai raggi X. Come detto, l’immagine CT digitale dell’oggetto presenta informazioni sulla densità dell’oggetto stesso (ed elementali) codificate in valori di grigio a 16 bit. L’istogramma dei valori di grigio definisce la soglia per la segmentazione dei materiali, ovvero la separazione tra aria e materiale solido (aria « materiale). Ne deriva che i punti superficiali risultanti sono più precisi della dimensione di un voxel (“subvoxeling”).
