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Methodologies for model parameterization of virtual CTs for measurement uncertainty estimation
(2022)
X-ray computed tomography (XCT) is a fast-growing technology for dimensional measurements in industrial applications. However, traceable and efficient methods to determine measurement uncertainties are not available. Guidelines like the VDI/VDE 2630 Part 2.1 suggest at least 20 repetitions of a specific measurement task, which is not feasible for industrial standards. Simulation-based approaches to determine task specific measurement uncertainties are promising, but require closely adjusted model parameters and an integration of error sources like geometrical deviations during a measurement. Unfortunately, the development of an automated process to parameterize and integrate geometrical deviations into XCT models is still an open issue. In this work, the whole processing chain of dimensional XCT measurements is taken into account with focus on the issues and requirements to determine suitable parameters of geometrical deviations. Starting off with baseline simulations of different XCT systems, two approaches are investigated to determine and integrate geometrical deviations of reference measurements. The first approach tries to iteratively estimate geometric deviation parameter values to match the characteristics of the missing error sources. The second approach estimates those values based on radiographs of a known calibrated reference object. In contrast to prior work both approaches only use a condensed set of parameters to map geometric deviations. In case of the iterative approach, some major issues regarding unhandled directional dependencies have been identified and discussed. Whereas the radiographic method resulted in task specific expanded measurements uncertainties below one micrometre even for bi-directional features, which is a step closer towards a true digital twin for uncertainty estimations in dimensional XCT.
Validation of a fast and traceable radiographic scale calibration of dimensional computed tomography
(2022)
A fast and highly precise method of determining the geometrical scale factor of computed tomography (CT) measurements has been validated successfully by Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), the Federal Institute of Metrology (METAS) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) within the scope of AdvanCT (Advanced Computed Tomography for dimensional and surface measurements in industry), a project funded in the European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR). The method has been developed by PTB and requires only two radiographic images of a calibrated thin 2D standard (hole grid standard) from two opposite directions. The mean grid distance is determined from both radiographs. From this and with the help of the calibration result, the radiographic scale and therefore the voxel size is determined. The procedure takes only a few minutes and avoids a time-consuming CT scan. To validate the method, the voxel sizes determined via this method were compared with voxel sizes determined from CT scans of calibrated objects. Relative deviations between the voxel sizes in the range of 10−5 were
achieved with minimal effort using cone-beam CT systems at moderate magnifications.
Im Europäischen EMPIR-Projekt „NanoXSpot“ (Measurement of the focal spot size of Xray tubes with spot sizes down to 100 nm) werden neue Messmethoden für Brennflecke von Röntgenröhren entwickelt. Teil des Projektes ist die Entwicklung eines zur Lochkameramethode äquivalenten Messverfahrens für kleine Brennflecke. ASTM E 1165-20, Annex A, beschreibt die Bestimmung von Brennfleckgrößen aus Kantenprofilen von Lochaufnahmen für Röntgenröhren mit Brennflecken > 50 μm. Es wurde bereits vorgeschlagen über die Analyse der richtungsabhängigen Kantenunschärfe einer Lochblende und anschließender CT-Rekonstruktion die Intensitätsverteilung des Brennflecks äquivalent zur Lochkameraaufnahme zu berechnen. Die Lochkameramethode, wie in EN 12543-2 und ASTM E 1165-20 beschrieben, ist im unteren Größenbereich für Mikrofokusröhren nicht geeignet, da Pinholes < 10 μm schwer zu fertigen sind und lange Belichtungszeiten erwartet werden. Mit Hilfe exakt gefertigter Lochblenden sowie strukturierter Targets mit
konvergierenden Strukturen wird der Bereich mit der Single-Shot-CT-Methode auf die Messung von Mikrofokusröhren, alternativ zur Vermessung von Kanten oder Strichgruppenkörpern, erweitert. Die rekonstruierten Brennfleckformen werden mit Kantenund Lochkameraaufnahmen quantitativ verglichen, um die Messgenauigkeit zu bewerten.
Außerdem werden CNR und Messzeit bestimmt, um die Wirtschaftlichkeit der Verfahren zu bewerten.
Im Rahmen des EMPIR-Projektes NanoXSpot (Nanometre X-ray Focal Spot Measurement) werden rückführbare Messverfahren zur Bestimmung der Brennfleckgröße und -form von Röntgenröhren im Bereich von 100 nm bis 10 mm entwickelt, welche die Grundlage für die Erarbeitung mehrerer Normentwürfe bilden. Diese werden 2022 parallel bei ISO TC 135 (NDT) SC 5 (RT) und CEN TC 138 (NDT) WG 1 (RT) eingereicht. Entsprechende Normen werden auch bei ASTM vorgestellt. Die Norm EN 12543-4 (Kantenmethode) wird umgeschrieben für die Messung von Brennflecken von 1 μm – 10 mm durch Auswertung von Loch- oder Scheibenaufnahmen. Der im Rahmen des NanoXSpot-Projektes neu entwickelte NxS-Testkörper ist geeignet für den Bereich von 1 μm – 100 μm. Von 100 μm bis 10 mm können ASTM-Lochtestkörper verwendet werden, die bereits bei ASTM E 1165 beschrieben sind. Neu ist die Anwendung eines CT-Algorithmus zur Rekonstruktion der Brennflecke, um Lochblenden-basierte Brennfleckkameras, insbesondere im Bereich unter 100 μm, zu ersetzen. Ein neuer Normteil, EN 12543-6, wurde entworfen, um die Brennfleckmessung im Bereich 100 nm – 20 μm mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen. Verschiedene Strichgruppen-Testkörper kommen hier zum Einsatz. Das sind die JIMAPrüfkörper, ein neuer Hochkontrast-Strichgruppentestkörper von YXLON (HiCo) und der neu entwickelte Testkörper NxS. Diese werden vorgestellt. Die Messprozedur für Röhrenhersteller wird auf einer numerischen Fit-Prozedur basieren, die über einen Ringversuch im Projekt validiert wurde. Beide Normen benötigen numerische Auswertealgorithmen zur korrekten Anwendung, die als kommerzielle Software und Public Domain – Software verfügbar gemacht werden. Es wird über die zu erwartenden Standardprozeduren und die erforderliche Hardware zur Anwendung der Normen informiert.
Im Rahmen des EMPIR-Projektes NanoXSpot (Nanometre X-ray Focal Spot Measurement) werden rückführbare Messverfahren zur Bestimmung der Brennfleckgröße und -form von Röntgenröhren im Bereich von 100 nm bis 10 mm entwickelt, welche die Grundlage für die Erarbeitung mehrerer Normentwürfe bilden. Diese werden 2022 parallel bei ISO TC 135 (NDT) SC 5 (RT) und CEN TC 138 (NDT) WG 1 (RT) eingereicht. Entsprechende Normen werden auch bei ASTM vorgestellt. Die Norm EN 12543-4 (Kantenmethode) wird umgeschrieben für die Messung von Brennflecken von 1 μm – 10 mm durch Auswertung von Loch- oder Scheibenaufnahmen. Der im Rahmen des NanoXSpot-Projektes neu entwickelte NxS-Testkörper ist geeignet für den Bereich von 1 μm – 100 μm. Von 100 μm bis 10 mm können ASTM-Lochtestkörper verwendet werden, die bereits bei ASTM E 1165 beschrieben sind. Neu ist die Anwendung eines CT-Algorithmus zur Rekonstruktion der Brennflecke, um Lochblenden-basierte Brennfleckkameras, insbesondere im Bereich unter 100 μm, zu ersetzen. Ein neuer Normteil, EN 12543-6, wurde entworfen, um die Brennfleckmessung im Bereich 100 nm – 20 μm mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen.
Verschiedene Strichgruppen-Testkörper kommen hier zum Einsatz. Das sind die JIMAPrüfkörper, ein neuer Hochkontrast-Strichgruppentestkörper von YXLON (HiCo) und der neu entwickelte Testkörper NxS. Diese werden vorgestellt. Die Messprozedur für Röhrenhersteller wird auf einer numerischen Fit-Prozedur basieren, die über einen Ringversuch im Projekt validiert wurde. Beide Normen benötigen numerische Auswertealgorithmen zur korrekten Anwendung, die als kommerzielle Software und Public Domain – Software verfügbar gemacht werden. Es wird über die zu erwartenden Standardprozeduren und die erforderliche Hardware zur Anwendung der Normen informiert.
Im Rahmen des EMPIR-Projektes NanoXSpot (Nanometre X-Ray Focal Spot Measurement) werden rückführbare Messverfahren zur Bestimmung der Brennfleckgröße und -form von Röntgenröhren mit Submikrometerauflösung (100 nm – 20 μm) entwickelt, die die Grundlage für die Erarbeitung eines Standardentwurfes bilden. Der Standardentwurf wird bei CEN TC 138 (Non-destructive testing) WG 1 (Radiographic testing) eingereicht und mit ISO und ASTM harmonisiert. Zur Untersuchung der entwickelten Methoden (Brennfleck-CT, Fit-Prozedur für Strichgruppenkörper) und des im Projekt NanoXSpot neu entworfenen Testkörpers, NxS, wurde ein Ringversuch durchgeführt. Dabei wurde sowohl der angestrebte Überlappungsbereich mit EN 12543 Teil 5 (Messung der effektiven Brennfleckgröße von Mini- und Mikrofokus-Röntgenröhren) und ASTM E 2903 (Standard Test Method for Measurement of the Effective Focal Spot Size of Mini and Micro Focus X-ray Tubes) für Brennflecke >5 μm als auch Brennflecke <5 μm untersucht. Im Mittelpunkt standen dabei Stabilität und Wiederholbarkeit der entwickelten Methoden zur Bestimmung der Brennfleckgröße. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse des durchgeführten Ringversuches vorgestellt und diskutiert, um Schlussfolgerungen und Empfehlungen für die Vorbereitung eines erweiterten Ringversuchs mit Partnern und Stakeholdern abzuleiten.
Traceable determination of non-static XCT machine geometry: New developments and case studies
(2022)
It is fundamental to determine the machine geometry accurately for dimensional X-ray computed tomography (XCT) measurements. When performing high-accuracy scans, compensation of a non-static geometry, e.g. due to rotary axis errors or drift, might become necessary. Here we provide an overview of methods to determine and account for such deviations on a per projection basis. They include characterisation of stage error motions, in situ geometry measurements, numerical simulations, and reconstruction-based optimization relying on image quality metrics and will be discussed in terms of their metrological performance. Since a radiographic calibration is always required to provide an initial absolute geometry, this method will be presented as well. The improvements of the XCT geometry correction methods are presented by means of case studies. The methods can be applied individually or in combination and are intended to provide a toolbox for XCT geometry compensation.
Advanced manufacturing has been identified as one of the key enabling technologies with applications in multiple industries. The growing importance of advanced manufacturing is reflected by an increased number of publications on this topic in recent years. Advanced manufacturing requires new and enhanced metrology methods to assure the quality of manufacturing processes and the resulting products. However, a high-level coordination of the metrology community is currently absent in this field and consequently this limits the impact of metrology developments on advanced manufacturing. In this article we introduce the new European Metrology Network (EMN) for Advanced Manufacturing within EURAMET, the European Association of National Metrology Institutes (NMIs). The EMN is intended to be operated sustainably by NMIs and Designated Institutes in close cooperation with Stakeholders interested in advanced manufacturing. The objectives of the EMN are to set up a permanent stakeholder dialogue, to develop a Strategic Research Agenda for the metrology input required for advanced manufacturing technologies, to create and maintain a knowledge sharing programme and to implement a web-based service desk for stakeholders. The EMN development is supported by a Joint Network Project within the European Metrology Programme for Innovation and Research.
New concepts for the measurement of focal spot parameters of nano- and microfocus X-ray tubes
(2019)
Accurate measurement of focal spot sizes of X-ray tubes, betatrons and linear accelerators is still an open problem. Several standards are currently active, which provide different results depending on the focal spot shape. CEN published the standard series EN 12543 (five parts) in 1999, which describes the measurement of focal spot sizes of X-ray tubes for NDT applications. The measurement procedure and its tolerances deviate from the measurement standards for medical X-ray tubes, e.g. EN 60336:2006 / IEC 60336:2005. EN 12543 describes different measurement methods for X-ray tubes with focal spots in several size ranges, defined as macrofocus, minifocus and microfocus. CEN TC 138 WG 1 und ASTM E 07.01 are revising (CEN) or have just revised (ASTM) the standards for focal spot size measurements, basing them on pin hole or edge measurements only. Slit cameras are applied for medical tube evaluation only. Tomographic methods for focal spot size shape reconstruction were proposed and will be discussed, but have not yet been used for standardization. The currently available standards cover the range of spot sizes from 5 µm up to several millimetres. During the last years, more and more nanofocus tubes have been developed for high-resolution applications and microscopy. Manufacturers and users apply different methods for measurement of nanofocus spot sizes and image resolution, which differ by a factor of up to two. These well-known methods and new alternative methods for the measurement of nanofocus spots (size and shape) will be evaluated and improved in the EMPIR project “NanoXSpot” in order to develop a related measurement standard.