Tomografia CT industriale: quando conviene acquistarla e quando affidarsi al servizio

Il lotto di pressofusioni è fermo in magazzino da quattro giorni. Il referto tomografico del laboratorio esterno dovrebbe arrivare domani, e il responsabile qualità sa già come andrà la prossima volta: altra spedizione, altra coda, altri giorni di pezzi bloccati. La tomografia computerizzata gli mostra porosità e geometrie interne in tre dimensioni, cosa che la radiografia 2D non può fare. Ma quando la scena si ripete ogni mese, la questione sale in direzione nella sua forma più scomoda. Continuare a comprare il servizio, oppure portare la CT in casa?

A deciderlo sono quattro informazioni che l'azienda possiede già: che cosa si deve sapere del pezzo (una quota o un difetto), quanto è grande e di che materiale è fatto, quante scansioni servono in un anno ed entro quanto tempo il risultato deve tornare in produzione. Il listino viene dopo. Chi ragiona nell'ordine inverso, partendo dalla scheda tecnica della macchina più capace, finisce spesso per pagare prestazioni che il proprio pezzo non userà mai, oppure scopre che proprio sul pezzo che conta la macchina scelta non arriva.

CT per la metrologia o per i difetti: due macchine sotto lo stesso nome

Sotto la sigla CT convivono due mestieri. Il primo è la metrologia dimensionale: ricostruire la geometria interna ed esterna del pezzo, confrontarla con il modello CAD, verificare quote e tolleranze su superfici che un tastatore non raggiunge. Il secondo è la difettologia, cioè trovare porosità, inclusioni, cricche e incollaggi mancati e giudicarli rispetto a un criterio di accettazione. Chiedono calibrazioni, software e budget diversi.

Per la misura il riferimento sono le prove di accettazione delle macchine di misura a coordinate. La parte della serie ISO 10360 dedicata ai sistemi tomografici a raggi X, la 10360-11, è ancora allo stadio di progetto (prEN ISO 10360-11); nel frattempo l'industria applica la linea guida VDI/VDE 2630 foglio 1.3 del dicembre 2011, che spiega come usare la ISO 10360 sulle macchine di misura con sensore CT. Quella prova restituisce l'errore massimo ammesso della macchina, ed è sensibile anche a difetti geometrici dello strumento: uno studio del NIST firmato da Muralikrishnan e colleghi nel 2019 ha quantificato quanto i disallineamenti del rivelatore falsino le distanze fra sfere misurate in un sistema a cono. L'incertezza della singola quota, su quel materiale e con quella strategia di scansione, è un'altra grandezza. Si determina caso per caso, per esempio con la procedura della VDI/VDE 2630 foglio 2.1 del giugno 2015, e un'offerta per uso metrologico dovrebbe parlare di entrambe.

Per la ricerca dei difetti l'impianto cambia. La serie ISO 15708, riemessa fra la fine del 2024 e il 2025, copre vocabolario, principi e apparecchiature, esecuzione e interpretazione, qualifica del sistema. In ambito ASTM la pratica d'esame dipende dall'architettura: la E1570 vale per i sistemi a ventaglio (fan-beam), mentre per i sistemi a cono con rivelatore a pannello, quelli che la maggior parte delle aziende sta valutando, il riferimento è la E3375 del 2023. Nessuna di queste norme dice quanta porosità sia accettabile in un getto. Il limite lo fissano cliente e fornitore, a disegno: per i getti in alluminio, magnesio e zinco la direttiva BDG P 203 delle fonderie tedesche offre la sintassi con cui scriverlo e lascia i valori all'accordo fra le parti. Comprare senza aver chiuso questa forcella espone a due errori opposti, pagare un'accuratezza metrologica che non servirà o scoprire tardi che lo strumento non regge una misura tracciabile.

Voxel e risoluzione reale: il pezzo detta la macchina

Il parametro che tutti citano è la dimensione del voxel, l'elemento di volume della ricostruzione. La BDG P 203 ne riporta la formula: è la dimensione del pixel del rivelatore moltiplicata per il rapporto fra la distanza sorgente-oggetto e la distanza sorgente-rivelatore. In termini pratici il voxel si rimpicciolisce avvicinando il pezzo alla sorgente, finché il pezzo resta tutto nel campo visivo. Con un rivelatore da circa duemila pixel per lato, un getto largo 300 millimetri inquadrato per intero non scende sotto i 150 micron di voxel (300 mm diviso 2.000 fa 0,15 mm), mentre un connettore da 20 millimetri arriva intorno ai 10. Stessa macchina. Due problemi diversi.

Il voxel, poi, è soltanto la griglia su cui si ricostruisce il volume. La stessa direttiva avverte che in condizioni ideali un dettaglio si riconosce a partire da due o tre voxel nativi per lato, quindi da 8 a 27 voxel in volume, e che dichiarare il voxel usato non basta a provare la risoluzione raggiunta: quella misurata con il pezzo nel fascio è di solito peggiore di quella misurata a vuoto, perché il contrasto cala. Sul getto scansionato a 150 micron, un poro da 20 micron sta sotto la griglia. Può comparire lo stesso se il contrasto è alto, per effetto di volume parziale, ma non si misura. A limitare la nitidezza concorre anche la macchia focale del tubo: più è piccola, più il bordo è netto, ma meno potenza sopporta, e la potenza serve proprio ad attraversare spessori importanti in tempi ragionevoli.

Qui entra il materiale. Le tabelle di attenuazione del NIST, curate da Hubbell e Seltzer nella banca dati di riferimento 126, mostrano che il coefficiente di attenuazione massico cresce con il numero atomico e cala all'aumentare dell'energia dei fotoni: per attraversare acciaio, leghe di nichel o rame di grosso spessore servono energie molto più alte che per alluminio, polimeri e compositi. La BDG P 203 associa i tubi fino a 225 kV a polimeri e leghe leggere, con l'acciaio solo in spessori limitati, quelli fino a 450 kV anche all'acciaio, e gli acceleratori da 1 a 15 MeV ad acciai e getti in lega di rame. Ogni gradino di energia porta con sé più schermatura, più costo e di solito una macchia focale più grande. La macchina che fa tutto non esiste. Esiste quella giusta per una famiglia di pezzi, definita da ingombro massimo, materiale, spessore da attraversare e dettaglio minimo da vedere, e partire da qui anziché dal catalogo distingue un investimento centrato da uno sovradimensionato.

Artefatti, posizionamento e attrezzaggi: quello che una demo non mostra

Una ricostruzione tomografica porta con sé artefatti che nessuna scheda tecnica elenca. Il più comune nasce dal fatto che il tubo emette uno spettro di energie: la componente morbida si assorbe subito sotto la superficie, il fascio si indurisce lungo il percorso e il volume ricostruito mostra bordi più chiari e un cuore apparentemente più scuro, l'effetto che gli operatori chiamano cupping. Lo si attenua con filtri metallici sulla finestra del tubo, e per i getti di alluminio la BDG P 203 indica rame fino a 50 millimetri di parete e stagno fino a 100, in lamine da 0,5 a 1 millimetro. Il filtro però toglie intensità, che va compensata con più corrente o più tempo di esposizione. La seconda famiglia è la radiazione diffusa, più marcata nei sistemi a cono con rivelatore a pannello: si riduce allontanando il pezzo dal rivelatore, con collimatori o con correzioni software.

Conta molto anche come il pezzo sta sulla tavola rotante. La stessa direttiva osserva che l'intensità di molti artefatti dipende dall'orientamento rispetto al fascio, e che più scansioni con posizionamenti diversi possono ripulire la zona di interesse. Per questo il pezzo si inclina, evitando che una faccia piana resti parallela al fascio per tutto il giro, e si fissa su supporti a bassa densità, schiume o polimeri, che non aggiungono materiale nel percorso dei raggi. Deve anche restare immobile. Un artefatto da movimento non si corregge dopo. Chi pensa alla produzione di serie guarda poi agli attrezzaggi multipezzo, che caricano più campioni nello stesso volume e abbassano il tempo per pezzo; il prezzo da pagare è un campo visivo più ampio, cioè un voxel più grosso, e il conto fatto sopra vale anche qui.

Tempi di scansione CT: la parte breve del ciclo

Una tomografia richiede tempo. Il sistema acquisisce centinaia o migliaia di proiezioni mentre il pezzo ruota, spesso mediando più fotogrammi per ridurre il rumore, e solo dopo ricostruisce il volume. Secondo risoluzione, materiale e qualità richiesta, una singola acquisizione dura da qualche minuto a diverse ore. Poi comincia il lavoro che nei confronti d'acquisto si dimentica: la ricostruzione, la segmentazione dei vuoti o l'estrazione delle superfici, il confronto con il CAD, il rapporto. Su molte applicazioni queste fasi pesano quanto la scansione, a volte di più.

Chi controlla molti pezzi uguali lavora con attrezzaggi dedicati e protocolli ottimizzati, fino a pochi minuti a pezzo, mentre chi fa sviluppo accetta cicli lunghi in cambio di risoluzione estrema. Sono due produttività diverse e vanno messe a budget per quello che sono, lasciando perdere il valore di picco della brochure. In una prova, cronometrate a parte scansione, ricostruzione e analisi. Il totale dice se lo strumento terrà il passo della produzione o diventerà un collo di bottiglia elegante.

Servizio di tomografia o acquisto del sistema: dove si sposta il conto

Il laboratorio esterno non chiede capitale, porta competenza già formata e si fa carico di taratura, manutenzione e aggiornamento del software. In cambio si pagano un costo a scansione, un tempo di attesa e una logistica di spedizione, e i dati del pezzo escono dall'azienda. Per volumi bassi, pezzi sempre diversi, prototipi e qualifiche di primo articolo resta quasi sempre la scelta più sana.

Lo strumento interno ribalta il conto in tre situazioni: scansioni ricorrenti sulla stessa famiglia di pezzi, tempi di risposta critici perché la CT sta dentro il flusso produttivo, riservatezza dei dati di prodotto che pesa più del costo. L'investimento, però, va oltre la macchina. C'è la cabina schermata o il bunker, con un peso da verificare sul solaio. Ci sono gli adempimenti di radioprotezione, che in Italia discendono dal D.Lgs. 31 luglio 2020, n. 101, di attuazione della direttiva 2013/59/Euratom, e che vanno definiti caso per caso con un esperto di radioprotezione. Seguono gli operatori da formare, il contratto di manutenzione, le licenze del software di analisi e lo spazio in reparto. Messe insieme, queste voci possono valere una quota rilevante dello strumento.

Torniamo al lotto fermo. Per capire da che parte sta, il responsabile qualità può fare due conti annui con dati che ha già in mano. Nel primo mette le fatture del laboratorio, le spedizioni, i giorni di pezzi bloccati e le ore di ingegneria passate ad aspettare un referto; nel secondo, l'ammortamento di un sistema adatto alla sua famiglia di pezzi, il personale, la manutenzione, le licenze e la radioprotezione. Finché il primo resta ben sotto il secondo, il servizio vince senza discussioni. Quando i due conti si avvicinano conviene un dimensionamento serio, e spesso la strada più prudente passa da qualche mese di servizio mirato sulla famiglia critica, perché i parametri di scansione messi a punto lì restano validi anche dopo. La condizione di uscita funziona nei due sensi. Se i volumi restano bassi e variabili, il servizio ha vinto; se si stabilizzano e i tempi diventano critici, l'acquisto ha i numeri per essere difeso.

Radiografia 2D, ultrasuoni o CMM: quando la tomografia è di troppo

Su certi problemi la CT aggiunge costo e tempo senza aggiungere informazione. Una cricca con orientamento noto, parallela al fascio, la mostra prima e a costo molto minore una radiografia digitale 2D, e lo stesso vale per molta porosità da colata quando basta sapere se c'è. Una quota su superficie accessibile la chiude una misura a contatto, di norma con incertezza più bassa. Lo spessore residuo di una parete lo danno gli ultrasuoni, in tempo reale e senza ricostruzione. La tomografia rende al massimo dove il valore sta nell'interno inaccessibile e nella geometria tridimensionale completa: canali interni, sottosquadri, assiemi chiusi, porosità da localizzare rispetto a una superficie che verrà lavorata. La rassegna sulle applicazioni industriali pubblicata da De Chiffre e colleghi sui CIRP Annals nel 2014 lo documenta su casi che vanno dalla meccanica all'elettronica fino ai materiali disomogenei.

Che cosa preparare prima di chiedere una valutazione

Una valutazione utile parte da pochi dati concreti: disegno o modello CAD, materiale, spessore massimo da attraversare, ingombro. Poi il dettaglio di interesse, scritto come numero, cioè la dimensione minima del difetto da rilevare oppure le quote e le tolleranze da verificare. Per la porosità serve anche il modo di contare, ossia il volume di riferimento e la dimensione sotto la quale un poro non si considera, che spetta al cliente fissare a disegno. Completano il quadro volumi annui, frequenza, tempo di risposta accettabile e sistema qualità in cui il dato dovrà vivere.

Con questi elementi la scelta fra servizio e acquisto si fa sui numeri, e la configurazione si dimensiona sul pezzo invece di inseguire la macchina più potente. Configurazioni e campi d'impiego sono raccolti nella pagina dedicata alla tomografia computerizzata industriale. Se i vostri volumi stanno nella zona in cui i due conti si avvicinano, il passo successivo è una valutazione sui dati reali, con un confronto neutrale fra le due strade prima di impegnare budget.