Visualization of industrial 3DXCT data

Abstract

Mit Hilfe der drei dimensionalen Röntgen-Computertomographie (3DXCT) kann aus einer Serie von zwei dimensionalen Röntgenbildern eine drei dimensionale volumetrische Repräsentation eines Prüfkörpers erstellt werden. Somit besteht ein großer Vorteil dieser Technik darin, dass in nur einem Scanvorgang sowohl innere, als auch äußere Strukturen eines Prüfkörpers detektiert werden können. 3DXCT ist schon seit längerem eine bekannte und vielgenutzte Technik im Bereich der medizinischen Diagnostik. Nun findet sie auch Anwendung im Bereich der Industrie, wo sie zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung und Qualitätskontrolle eingesetzt wird. Hier erleichtert 3DXCT Dimenionsmessungen von inneren und somit schwer zugänglichen Strukturen in industriell gefertigten Werkstücken. Trotz dieser Vorteile stellt die Anwendung von 3DXCT in der Industrie eine besondere Herausforderung dar, weil speziell im Bereich der Messtechnik hohe Qualitätsstandards erfüllt werden müssen. Die Hauptprobleme bei der industriellen Verwendung von 3DXCT sind:<br />Artefakte: Durch unterschiedliche Einflüsse (z.B. die Platzierung des Prüfkörpers im 3DXCT-Scanner) können in den Datensätzen verschiedene Arten von Artefakten auftreten. Diese können später nicht nur die Scandaten des eigentlichen Prüfkörpers verfälschen, sondern können auch zu Fehlern in den Mess- und Analyseergebnissen führen.<br />Verbundmaterialien: Viele industrielle Komponenten werden aus verschiedenen Materialien gefertigt, die während der Produktion miteinander verbunden werden. Häufig werden dabei Metallteile mit einer Verkleidung versehen, welche zumeist aus Kunststoff bestehen. In solchen Fällen kommt es dann zu Artefakten und Verzerrungen in den Daten, welche durch die metallischen Teile verursacht werden. Solche Störungen können später die Analyse der nicht-metallischen Materialien beinträchtigen, oder sie im schlechtesten Fall sogar unmöglich machen.<br />Messunsicherheit: Um Messungen in 3DXCT-Daten durchführen zu können, muss zuerst anhand der drei dimensionalen Volumsdaten bestimmt werden, welche Daten die Oberfläche des Prüfkörpers repräsentieren. Aufgrund der Tatsache, dass die Oberfläche nicht explizit definiert ist und gegebenfalls vorhandene Artefakte und Verzerrungen in den Daten die Analyse erschweren, ist die Messung der Oberfläche immer mit einer gewissen Unsicherheit behaftet. Diese Messunsicherheiten werden von aktuellen Softwareprodukten, welche in der Messtechnik Anwendung finden, nicht berücksichtigt.<br />Im Rahmen dieser Dissertation werden neue Methoden zur industriellen Verwendung von 3DXCT für zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen und Qualitätskontrollen vorgestellt, welche Lösungen für die oben erwähnten Probleme anbieten. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Verwendung von 3DXCT im Bereich der Messtechnik. Ziel war es, Methoden zu entwickeln, welche die einzelnen Stufen in der Erstellung und Analyse industrieller 3DXCT-Daten unterstützen und verbessern. Basierend auf Technologien aus den Bereichen Visualisierung und Visual Analytics wurden neue Methoden implementiert und in Werkzeuge integriert, die den Anwender in typischen 3DXCT Auswertungen unterstützen sollen. Diese umfassen: eine neue Methode zur optimalen Platzierung von Prüfkörpern im 3DXCT-Scanner unter Berücksichtigung der Stabilität der Platzierung, ein System zur visuellen Analyse und Reduktion von Artefakten, welche durch das Vorhandensein von metallischen Teilen verursacht wurden, und ein System zur visuellen Darstellung von Messunsicherheiten in den Daten in verschiedenen Detaillierungsgraden. In dieser Arbeit werden die verwendeten Methoden beschrieben und ihre Anwendungen anhand von verschiedenen industriellen 3DXCT-Datensätzen dargestellt.<br />

Three-dimensional X-ray computed tomography (3DXCT) is a powerful technique for generating a digital 3D volumetric representation of a specimen from a series of 2D X-ray penetration images. The main advantage of 3DXCT is its ability to detect both the interior and the exterior structure of a specimen in one single scan. Having been used in medical diagnostics for a long time, 3DXCT is increasingly employed in industry as a method for nondestructive testing and quality control. One especially challenging industrial application is metrology, which has to fulfill the demands of today's standards in industrial quality control.<br />3DXCT facilitates dimensional measurements of internal structures and of inaccessible parts of a component. However the successful industrial application of 3DXCT is constrained by a set of major problems:<br />Artifacts: Industrial 3DXCT systems face problems due to various types of artifacts. The appearance of artifacts in the 3DXCT scan data distorts its correlation to the actual evaluated industrial object and can lead to errors in measurements and false analysis results. Some types of artifacts are affected by the placement of a specimen in the scanning device.<br />Multi-material components: Another problem is occurring when multi-material components (MMCs) are inspected using industrial 3DXCT.<br />Common industrial MMCs may contain metal parts surrounded by plastic materials. A major problem of this type of components is the presence of metal-caused streaking artifacts and distortions. They are located around metal components and significantly influence the material characterization. Furthermore these streaking artefacts and distortions may even prevent any further analysis (especially for the plastic components).<br />Measurements uncertainty: If metrology using 3DXCT is performed, the location of the specimen surface is estimated using the reconstructed 3D volume data. As opposed to mechanical or optical measurement techniques, the surface is not explicit and has a particular positional uncertainty depending on the artifacts and noise in the scan data and the surface extraction algorithm. Conventional CT metrology software does not account for the uncertainty of the data.<br />This thesis is devoted to the development of techniques overcoming the aforementioned problems of common industrial tasks involving the usage of 3DXCT for nondestructive testing and quality control with a main focus on industrial 3DXCT metrology. Several novel contributions utilizing visualization techniques and visual analysis methods were implemented in integrated tools assisting typical industrial 3DXCT tasks during different stages of the data pipeline. This includes: a novel method for optimal specimen placement analysis taking into account the orientational stability, a visual analysis tool for metal artifact reduction with preview-based parameter estimation, and finally an integrated system visualizing measurements uncertainty on different levels-of-detail. The produced results are presented and evaluated using various industrial components and test parts.