KONTROLA KVALITY
Robotická NDT kontrola kvality 4.0
Odraz světa každého člověka je dán jeho zkušenostmi a zážitky. Věci, které známe, dávají nám smysl, fungují nebo se osvědčily sdílíme, protože máme často pocit, že nás už v daném oboru nic inovativního nečeká. Pořekadlo „když dva dělají totéž, nemusí být vždy totéž,“ nám však připomíná, že jestliže něco funguje, neznamená to, že není prostor k vylepšení. Naopak. Často se ukáže jako značný.
Autor: Josef Uher, CTO a manažer vývoje, Radalytica a.s.
Nedestruktivní testování (NDT), neboli „zkontrolovat, ale nezničit“, je nedílnou součástí našich každodenních životů, aniž bychom si to uvědomovali. Létáme letadly, cestujeme automobily, vyžadujeme kvalitu, životnost a spolehlivost strojírenských či elektrotechnických výrobků. Jak takové NDT vypadá si umíme představit, neboť v podstatě každý z nás, kromě „vizuální“ kontroly, absolvoval alespoň rentgen případně ultrazvukové vyšetření. Důležitosti tohoto oboru si však většina z nás všimne až v případě náhlých katastrof způsobených zanedbáním pravidelných kontrol. Požadavky na kvalitu a bezpečnost se stále zvyšují, ale jsme schopni zkontrolovat různé objekty nebo různé materiály kdekoliv a kdykoliv?
S rychlým vývojem přístrojů a technologií se pro NDT v průběhu času vyvinul celý soubor diagnostických metod používaných napříč průmyslovými odvětvími. Některé z těchto metod však vyžadují pokročilou zkušenost NDT personálu, kterého je bohužel nedostatek. Jiné mají omezenou aplikovatelnost. V neposlední řadě pak většina z těchto metod vyžaduje vlastní zařízení, které může být prostorově i finančně náročné. Je tedy nějaká reálná možnost použití odlišných diagnostických metod bez nároků na prostor, množství a zkušenosti odborníků a peněz?
Jednou takovou inovací, která přichází do průmyslu je revoluční technologie v podobě 2D a 3D robotického zobrazovacího systému (RIS) pro nedestruktivní kontrolu kvality. Základní inovace systému je ukryta v kombinaci nejmodernějších technologií. Tou první je robotika, která se stále častěji uplatňuje ve velkém množství aplikací a která je schopna výrazně rozšířit a vylepšit aplikovatelnost zobrazovacích metod na širší portfolio objektů jak v průmyslu, tak i ve vědě. Další zcela novou technologií jsou tzv. zobrazovací detektory jednotlivých fotonů. Jde o plně digitální zobrazovací sensory pro rentgenové záření, které se postupně propracovávají z vědy do průmyslu.
Jedna výkonná platforma tedy díky integraci zobrazovacích technologií na roboty dává zobrazování možnost velké flexibility. A to, co se týká velikosti i tvaru vzorku. Nabízí široké spektrum zobrazovacích technik, které je schopná kombinovat, ale zároveň umožňuje nenáročné zpracování a vyhodnocení výsledků. Snadno se tak přizpůsobuje požadavkům uživatele.
Příklady použití robotického zobrazovacího systému „RadalyX“ pro NDT kontrolu
Klíčové části skeneru jsou dvě šestiosá robotická ramena. První rameno drží rentgenovou trubici, druhé rameno zobrazovací detektor. Roboty se pohybují zcela synchronně, takže vzájemná poloha rentgenové trubice a detektoru zůstává za všech okolností stejná a díky robotům se můžou pohybovat a otáčet volně kolem vzorku. Roboty tak nabízejí vysoký stupeň flexibility při sledování složitého zakřivení na obou stranách kontrolovaného objektu, na rozdíl od klasických rentgenových zobrazovacích systémů, kde jsou rentgenová trubice i detektor fixovány nebo mají pouze omezený rozsah pohybu a vyžadují tak pozicování vzorku. Roboty tedy umožňují snímat vzorek pomocí rentgenových paprsků a jiných sond z jiné perspektivy, a lokalizace defektů probíhá snadněji, rychleji a lépe.
Inovací a zároveň obrovským benefitem tohoto systému je jeho mobilita. Systém je přenosný, můžeme jej tedy dopravit bez problému k testovanému vzorku, čímž odpadá náročný transport nadměrných nebo cenných objektů. Jednoduchá manipulace s roboty nám tak umožňuje kontrolu jednotlivých částí vzorku bez jeho nutné demontáže.
Mobilita systému a jeho snadná aplikovatelnost u kontrolovaného vzorku usnadňuje složitou manipulaci s rozměrnými a cennými objekty
Velkou výhodou systému je také možnost ovládání robotů na dálku a vyhodnocování kontroly pomocí 3D myši. Ta umožňuje ovládání kolaborativních robotických ramen v reálném čase a v libovolném směru nebo rotaci. Zjednodušeně, jakmile posunete a nakloníte 3D myš, robot následuje stejný sklon a posun. Operátor tak jedním ovladačem současně kontroluje pohyb obou robotických ramen a zároveň RTG obraz dané oblasti vzorku, který je zobrazen v reálném čase na obrazovce. Díky tomuto on-line řešení tak odpadá nutnost přítomnosti technika, resp. kontrolora u robotů a vzorku, což se děje např. když jsou roboty z důvodu radiační bezpečnosti uvnitř jiné místnosti nebo v prostoru nepřístupném pro obsluhu. V současné, nelehké době s omezeným cestováním, je možnost tohoto řešení ještě cennější.
Základní zobrazovací metodou robotického systému je RTG zobrazování, které nám dává informace o vnitřní struktuře zkoumaného objektu. V porovnání s rozšířenými technologiemi RTG zobrazení, jako jsou filmy nebo flat panely, se zde ale využívají digitální RTG detektory nové generace, které vyvinuli vědci v mezinárodní vědecké kolaboraci vedené CERNem, a které pro jejich unikátní vlastnosti využívá i americká NASA ve vesmíru na mezinárodní stanici ISS. Sensory komercionalizuje česká firma ADVACAM s.r.o. Tyto zobrazovací detektory se vyznačují vysokým rozlišením, velkým dynamickým rozsahem (tj. téměř neomezeným rozsahem úrovní šedi) a vysokou citlivostí. Další výhodou využití těchto pokročilých detektorů je fakt, že díky jejich citlivosti je možné využívat v porovnání se stávajícími technologiemi až poloviční energii rentgenového záření. To s sebou nese vyšší kvalitu obrazu, ale i nižší nároky na stínění ionizujícího RTG záření. To zjednodušuje, zlevňuje a odlehčuje konstrukci stínících komor.
Roboty také umožňují použít 3D volumetrickou kontrolu pomocí počítačové tomografie (CT) nebo tomosyntézy i tam, kde se dnes provádí pouze 2D rentgenové snímkování. Robotický skener naměří sadu rentgenových snímků, každý z jiného úhlu pohledu. Následně se ze získaných snímků vytvoří 3D model. Jak CT, tak tomosyntéza jsou sice často používané metody při rentgenové inspekci, ale s omezenou použitelností na velké objekty. Omezením běžných CT a průmyslových CT skenerů totiž spočívá v tom, že se vzorek musí „vejít“ do skeneru. I když jsou na trhu opravdu velké CT skenery, např. letadlo se do nich nikdy nevejde. Obecně navíc platí, že čím je větší CT skener, tím má menší prostorové rozlišení. Naopak robotický CT skener se „přistaví“ k letadlu a zkontroluje se vybraná oblast zájmu (ROI). Robotický CT skener lze umístit i tak, že jedno rameno je vně a druhé uvnitř vzorku (kontrola trupu letadel). Jednoduše řečeno, robotický skener je první CT na světě, které lze donést k objektu a ne opačně.
Je běžné, že robotická ramena mění nástroje dle potřeby. Platforma robotů díky své modularitě tak umožňuje integraci i jiných zobrazovacích metod, které rozšiřují možnosti kontroly a v mnoha případech tím umožní získat obsáhlejší informace o daném vzorku. Proto je přínosné zkombinovat rentgenové snímky a CT data s dalšími zobrazovacími metodami.
Dobrým příkladem je poškozené kompozitní křídlo letadla po nárazu do cizího objektu - obr.1. RTG snímek odhalí strukturu kompozitu a její případné poškození jemnými trhlinami v místě nárazu. Delaminaci v okolí však pomocí RTG detekovat nelze - obr. 2. Pro detekci delaminace je však vhodný ultrazvuk, který ale zase jemné trhliny ve vysokém rozlišení zobrazit neumožňuje - obr.3. Řešením je tedy kombinace těchto metod - obr.4.
Robotický systém skenuje v jednotném souřadnicovém systému. Díky tomu lze přesně kombinovat obrazový výstup jednotlivých metod a tím získat lepší přehled o struktuře, tvaru a celkovém poškození. Ultrazvukové skenování zde využívá novou technologii vzduchem vázaného ultrazvuku. Ten na rozdíl od běžných ultrazvukových vyšetření nevyžaduje přímý dotyk se zobrazovaným předmětem ani vazební médium v podobě gelu nebo běžně využívaného vodního paprsku. Nedochází tak k jakékoliv kontaminaci materiálu.
Robotický zobrazovací systém je také standardně vybaven laserovým odměřováním vzdálenosti. Pomocí něho si systém před měřením zmapuje tvar povrchu vzorku. Tato informace je používána pro navigaci robotů kolem vzorku tak, aby nedocházelo ke kolizím. Lze ji využít i pro automatické řízení trajektorie pohybu robotů tak, aby například udržovali konstantní vzdálenost od povrchu a úhel k němu. To je zejména důležité pro ultrazvukovou kontrolu. V případě kontaktních metod dokáží robotická ramena udržovat i konstantní tlak na povrch vzorku.
Pro potřeby kontroly preciznosti tvaru se využívá laserový profilometr. Je to zobrazovací nástroj, který poskytuje přesné informace o vnějším tvaru skenovaného objektu s přesností na 30 µm. Tento nástroj lze použít přímo k analýze přesnosti vyrobených dílů včetně jejich struktury povrchu. Měření profilometrem stejně jako měření ostatními zobrazovacími metodami se zaznamenávají ve stejném prostoru souřadnic. Data laserového profilometru proto mohou sloužit také jako zdroj okrajových podmínek pro zlepšení výsledků rekonstrukcím počítačové tomografie.
Kromě již výše zmíněných výhod rozšiřuje tento systém použitelnost rentgenové kontroly na lehké, zejména kompozitové materiály, které mají své použití v letectví, a i v jiných oborech. Systém tedy nejenom vylepšuje možnosti nedestruktivní kontroly ve stávajících oblastech, ale dále rozšiřuje její použitelnost na aplikace, kde starší technologie selhávaly. Nedestruktivní testování umožňuje použít díly i po kontrole a automatické vyhodnocení zajistí vyšší opakovatelnost a přesnost bez faktoru lidské chyby. Dnešní úroveň robotiky je taková, že ovládání robotů je jednoduché a intuitivní. Řeší tedy i personální otázky snižováním nároků na zkušenost a kvalifikaci pracovníků provádějících NDT kontroly.
Tato vysoce výkonná platforma je schopna kombinovat několik zobrazovacích technik, jako jsou rentgenové snímky, počítačová tomografie, profilování povrchu aj.
A právě díky nedestruktivní kontrole, a díky ní vylepšením výrobních procesů, tento systém nejen snižuje výrobní náklady, ale také má významný dopad na životní prostředí snížením odpadu například v případě gumárenského, plastikářského průmyslu apod.
V roce 2020 tato inovativní technologie vyvinutá společností Radalytica a.s. uspěla v soutěži "Quality Innovation Award". Nejprve vyhrála národní kolo a poté získala ocenění – Prize Winner na poli mezinárodním.
Ocenění za inovace kvality je každoroční mezinárodní soutěž, která inovátorům umožňuje získat především profesionální hodnocení jejich inovací a porovnat jejich inovace s ostatními. V roce 2020 ji již počtrnácté organizovala Finská asociace kvality a národní organizace kvality. Soutěže se zúčastnilo celkem 416 novinek a nejlepších 25 bylo oceněno cenami. O soutěži jsme psali v Bulletinu 1/2021.
