Analysis and visualization of industrial CT data

Abstract

Die industrielle 3D Röntgencomputertomographie (3DCT) steht derzeit an der Schwelle von einer zerstörungsfreien Werkstoffprüfmethode hin zu einer genormten Methode für dimensionales Messen. 3DCT wird vor allem im Bereich der Die industrielle 3D Röntgencomputertomographie (3DCT) steht derzeit an der Schwelle von einer zerstörungsfreien Werkstoffprüfmethode hin zu einer genormten Methode für dimensionales Messen. 3DCT wird vor allem im Bereich der Erstmusterprüfung von neuen Komponenten eingesetzt, um die Nachteile und Einschränkungen bisheriger Methoden zu überwinden.<br />Eine steigende Anzahl von Firmen vertraut daher auf 3DCT und sporadisch wird 3DCT bereits von einigen Pionieren für die Qualitätskontrolle in der Produktion eingesetzt. Dennoch ist die 3DCT eine sehr junge Methode mit einigen Nachteilen, die großen Einfluss auf das Messergebnis haben. Einige der größten Nachteile von 3DCT im Bereich der Qualitätssicherung sind:<br />*Artefakte ändern die Grauwerte im Datensatz und generieren künstliche Strukturen, die in Realität nicht vorhanden sind.<br />*Diskretisierung bewirkt Unregelmäßigkeiten in den Grauwerten entsprechend des Abtasttheorems von Nyquist-Shannon.<br />*Informationen bezüglich Unsicherheit der Daten gehen bei der Extraktion von dimensionalen Messmerkmalen verloren.<br />*Spezifikationen and Einschränkungen der einzelnen Komponenten und der Bauweise des 3DCTs limitieren die erreichbare Messgenauigkeit.<br />Diese Dissertation trägt zum Stand der Technik durch algorithmische Lösungen von typischen industriellen Problemen im Bereich der Metrologie mittels 3DCT bei. Das Hauptaugenmerk der präsentierten Arbeit liegt in der Entwicklung und Implementierung von neuen Prozessketten, die für den täglichen industriellen Einsatz im Bereich der Qualitätssicherung optimiert sind. Geeignete, einfach verständliche Visualisierungsmethoden werden evaluiert und angewendet, um einen Einblick in die generierten Messdaten zu ermöglichen. Im Speziellen werden drei Prozessketten präsentiert, die einige der wesentlichen Aspekte der Metrologie mittels 3DCT abdecken. Die betrachteten Aspekte sind robuste Oberflächeextraktion, Artefaktreduzierung mittels Dual Energy CT, lokale Oberflächeextraktion von Multimaterialkomponenten und statistische Analyse von Multimaterialkomponenten. Die generierten Ergebnisse jeder Prozesskette werden anhand von Testteilen und typischen Industriebauteilen demonstriert und verifiziert.<br />

Industrial X-Ray 3D computed tomography (3DCT) is on the edge of advancing from a non destructive testing method to a fully standardized means of dimensional measurement for every day industrial use. Currently 3DCT has drawn attention especially in the area of first part inspections of new components, mainly in order to overcome limitations and drawbacks of common methods. Yet an increasing number of companies is benefitting from industrial 3DCT and sporadically the first pioneers start using industrial 3DCT for quality control in the production phase of a component. As 3DCT is still a very young technology of industrial quality control, this method also faces severe problems, which seriously affect measurement results. Some of the major drawbacks for quality control are the following:<br />*Artefacts modify the spatial greyvalues, generating artificial structures in the datasets, which do not correspond to reality.<br />*Discrete sampling introduces further irregularities due to the Nyquist- Shannon sampling theorem.<br />*Uncertainty information is missing when extracting dimensional measurement features.<br />*Specifications and limitations of the components and the special setup a 3DCT constrain the best achievable measurement precision.<br />This thesis contributes to the state of the art by algorithmic evaluation of typical industrial tasks in the area of dimensional measurement using 3DCT. The main focus lies in the development and implementation of novel pipelines for everyday industrial use including comparisons to common methods. Convenient and easy to understand means of visualization are evaluated and used to provide insight into the generated results. In particular three pipelines are introduced, which cover some of the major aspects concerning metrology using industrial 3DCT. The considered aspects are robust surface extraction, artefact reduction via dual energy CT, local surface extraction of multi-material components, and statistical analysis of multi-material components. The generated results of each pipeline are demonstrated and verified using test specimens as well as real world components.