Cовременное тестовое оборудование и технологии
Рус Eng

23-07
2019
Микрофокусная промышленная томография для контроля плотных деталей

Микрофокусная промышленная томография для контроля плотных деталей

Большинство из нас уже сложно удивить прекрасно визуализированными данными компьютерной томографии (КТ).  Возможность измерять одновременно внутренние и внешние структуры и анализировать целостность изделия без физического разрушения,  делают промышленную компьютерную томографию обязательным инструментом для отделов качества производства.

 Существуют ограничения по плотности и толщине материала, но уникальный высоковольтный микрофокусный промышленный томограф Nikon XT H 450 способен сканировать крупные детали и проникать в плотные материалы, открывая новые области применения КТ для контроля турбинных лопаток, алюминиевых отливок или для объёмных деталей, таких как окаменелости или образцы горных пород.

 

Лучшее понимание и более высокая производительность: реальность современного производства

Сегодня производители сталкиваются с требованием сокращения времени и финансовых затрат для разработки новых продуктов. Это вынуждает сокращать количество физических прототипов изделий, а иногда даже исключает традиционные разрушающие методы контроля. Неразрушающий контроль с помощью КИМ даёт информацию только о внешних размерах, а структурные недостатки внутреннего объёма остаются невидимыми, ухудшая качество продукции.

КТ предлагает решение, обеспечивающее детальное представление об объекте с разных точек зрения: измерения, анализ дефектов материала и сборок.  Такое понимание приводит к быстрому решению проблем и эффективному принятию решений. Разрабатываемая продукция не будет нуждаться в дорогих прототипах и не будет иметь отходов, что позволит сэкономить деньги и время оптимизации производственного процесса. Все это приведёт к повышению производительности и сокращению времени выхода на рынок.

 

Несколько слов, чтобы объяснить, как работает компьютерная томография

Объект инспекции помещается на вращающийся манипулятор между источником рентгеновского излучения и детектором. Детектор получает простые двухмерные рентгенографические изображения объекта при его вращении. После поворота объекта на 360 градусов двумерные рентгеновские изображения восстанавливаются в трехмерную объемную карту объекта.

Рентгеновские лучи, которые проникают через объект, захватываются плоскопанельным детектором для создания двумерного рентгеновского изображения.

Каждый элемент представляет собой трехмерный куб (воксель), который имеет дискретное местоположение (x, y, z) и плотность (ρ). По результатам Вы получите информацию не только о внешней геометрии (как, например, трехмерное облако точек при лазерном сканировании),  но дополнительную информацию о внутренних структурах.

КТ даёт максимум информации, если вы следуете четырем простым правилам:

1. Необходимо достаточно проницаемости рентгеновского излучения, чтобы пройти сквозь объект.

2. Во время вращения, объект должен оставаться внутри конуса, созданного источником рентгеновского излучения и детектором.

3. При большом увеличении, чем меньше размер пятна рентгеновского излучения, тем лучше разрешение.

4. Чем ближе вы можете расположить объект к источнику (и не нарушить правило 2), тем выше разрешение и точность сканирования.


Источники рентгеновского излучения собственной разработки – ядро систем КТ

Рентгеновская трубка является ядром системы КТ. Существует несколько различных конструкций трубок, но, по существу, источник рентгеновского излучения состоит из:

-  трубки или цилиндра,

- катода и анода высокого напряжения,

- магнитной линзы,

- металлической мишени (обычно из вольфрама).

Источники рентгеновского излучения бывают открытого и закрытого типа. Nikon Metrology предлагает открытые трубки собственного производства. Открытые трубки позволяют  регулярно заменять нить накала, что приводит к более низкой стоимости владения по сравнению с источниками с закрытыми трубками, которые необходимо полностью заменять при поломке.

На нить подается ток, который вызывает её нагрев и эмиссию электронов. Электроны отталкиваются катодом и притягиваются к аноду полем высокого напряжения. Это поле ускоряет электроны до 80% скорости света по направлению к концу трубки. Прежде чем покинуть трубку, электронный пучок фокусируется на материале мишени, обычно вольфраме, с использованием электромагнитной линзы. Электроны врезаются в мишень и внезапное замедление электронов, когда они взаимодействуют с мишенью, в значительной степени нагревает ее. Более чем 99% энергии электронного пучка, идет на нагревание мишени, а менее 1% на генерацию рентгеновского излучения.

Вращающаяся мишень увеличивает интенсивность рентгеновского излучения

Существует  баланс между мощностью рентгеновского излучения и размером пятна. Высокая мощность генерирует тепло, и в случае, если мишень будет получать высокий уровень мощности, начнут появляться дыры в мишени. С вращающейся мишенью Nikon Metrology, электронный пучок падает на движущуюся поверхность, поэтому мощность электронного пучка может быть значительно увеличена без вредного теплового воздействия. Мощность может быть удвоена без увеличения размера пятна.

Промышленный томограф XT H 450: для предотвращения выхода рентгеновских лучей корпус экранирован свинцом. Что делает его безопасной системой


Потребность в мощной микрофокусной системе компьютерной томографии

Одним из важных ограничений для многих промышленных (металлических) объектов является плотность материалов. Более плотные образцы будут больше ослаблять рентгеновские лучи (отражено в таблице).

 

Максимальная глубина проникновения рентгеновского излучения по материалу (мм)

Мощность источника

Пластик

Алюминий

Сталь

Свинец

225 кВ

250

150

50

3

450 кВ

500

300

75

9

Многие поставщики систем промышленной компьютерной томографии могут предложить микрофокусные источники с напряжением только до 225 кВ, так как более мощные источники уже минифокусные. Минифокусные источники генерируют больше потока рентгеновского излучения, что очень хорошо для правила 1, но размер пятна минифокусных источников на прядок больше по сравнению с микрофокусными источниками (плохо для правила 3), что сильно снижает точность данных.

Не заблуждайтесь: вам нужен микрофокусный источник для получения точных и подробных данных КТ для большинства высокоточных промышленных применений КТ. Стандартный микрофокусный источник 450 кВ имеет размер пятна от 50 до 320 мкм, в зависимости от мощности. То есть, в 3-8 раз (!) меньший, чем у соответствующих минифокусных источников, что обеспечивает лучшие в отрасли показатели для контроля деталей высокой плотности или алюминиевых отливок с непревзойденной точностью и разрешением. Благодаря своей конструкции с открытой трубкой с заменяемыми пользователем катодами, источник имеет практически неограниченный срок службы при очень низких затратах на техническое обслуживание.

Для большинства требовательных применений версия “High brilliance”, использующая вращающуюся мишень, обеспечивает 450 Вт непрерывной мощности без каких-либо ограничений по времени измерения, сохраняя при этом меньший размер пятна от 50 до 113 микрон в зависимости от мощности, что в 10 раз лучше, чем минифокусный источник. По сравнению со стандартным источником, версия “High brilliance”позволяет сканировать быстрее (обычно в 3-5 раз), с таким же размером пятна и мощностью.


Уникальная система микрофокусировки промышленного томографа XT H 450


      Корпус томографа ХТ Н 450 представляет собой рентген комнату «walk in room», которая оснащена большой дверью с пневматическим управлением. Объем измерения 400x600x600 мм достаточен для измерения габаритных образцов. Манипулятор может выдерживать образцы весом до 100 кг. Генераторы, системы безопасности, распределение электроэнергии и пневматика легкодоступны через широкие сервисные двери, что облегчает техническое обслуживание. Эргономика и простота использования достигаются за счёт элементов управления, в том числе джойстиков и мониторов управления, а также видеокамеры CCTV в комнате.

Система доступна с плоскопанельным детектором (для конусного пучка) или с фирменной изогнутой линейной диодной матрицей (CLDA) (для веерного пучка), которая оптимизирует сбор рентгеновских лучей. Сегодня большинство высокопроизводительных промышленных КТ-систем используют плоскопанельные детекторы из аморфного кремния. Размер детектора важен, потому что он может определять размер объекта, который вы можете отсканировать с помощью КТ за один раз. Например, при использовании детектора размером 16 x 16 дюймов максимальная ширина объекта составляет около 12 дюймов. Можно выйти за пределы этого размера объекта, применяя смещение детектора. Например, делая несколько сканирований с использованием разных положений объекта, можно контролировать и  большие детали.

      Одномерные линейные детекторы имеют ряд небольших сцинтилляторов, которые генерируют свет при облучении рентгеновскими лучами. Сцинтилляторы поддерживаются рядом фотодиодов, которые улавливают этот свет. Такое устройство захватывает только один срез за раз, в отличие от всего двумерного изображения. Одномерные детекторы полезны при измерении материалов, где много рассеяния, например, очень плотные материалы. Уникальный детектор Nikon Metrology с изогнутой линейной диодной матрицей (CLDA) был введен в качестве средства устранения ошибок разности длин путей, обнаруженных в линейных системах. Избегая загрязнения изображения и связанного с этим уменьшения контрастности, CLDA обеспечивает высококачественные данные с потрясающей четкостью и контрастностью изображения.

                                                          Плоскопанельный и CLDA детекторы с изогнутой линейной диодной матрицей



Применение высоковольтной компьютерной томографии

 

     Контроль турбинных лопаток

   Задача современных производителей турбинных лопаток состоит в том, чтобы изготавливать более легкие турбинные лопатки. Это условие необходимо для оптимизации топливной эффективности. Толщина стенок современных лопаток, а также правильное расположение каналов охлаждения имеют первостепенное значение для оптимальной производительности. С промышленным томографом XT H 450, сочетающим источник микрофокусировки 450 кВ и CLDA, можно добиться измерения толщины стенки лопатки с точностью ± 25 мкм даже в автоматическом режиме. В производственной среде система запускает автоматический сбор данных, реконструкцию и быструю КТ-инспекцию, генерируя состояние «годен / не годен» для каждой детали.



Рентгеновское изображение и КТ срезы турбинной лопатки, созданные с     использованием системы XT H 450 с детектором CLDA

Источник рентгеновского излучения XT H 450 достаточно мощный, чтобы сканировать небольшие отливки с точностью до микрона

КТ дает представление о размерах в областях, которые невозможно измерить с помощью лазерных сканеров или сенсорных датчиков



Контроль литых деталей автомобилей

В  автомобильной промышленности также существует необходимость снижения расходов топлива. Производители разрабатывают более компактные алюминиевые двигатели с более тонкими стенками для уменьшения веса двигателя. Как следствие, очень важно, чтобы пустоты в алюминии были обнаружены вовремя. Микрофокусная инспекция необходима не только для двигателя, но и для других деталей, таких как рабочие колеса, корпуса турбин и т. д. Система XT H 450 разработана, чтобы обеспечить лучшую в отрасли производительность для сканирования таких объектов. Калибровка системы КТ позволяет использовать ее для контроля как внутренних, так и внешних размеров. Производителям автомобилей выгодна такая комбинации анализа дефектов неразрушающего контроля и контроля размеров с использованием одной лишь системы КТ.

Палеонтология / Археология крупных образцов

       Ученые всегда будут стремиться узнать об эволюции видов. Применение разрушающего контроля просто немыслимо для драгоценных образцов, которым могут быть миллионы лет. КТ предлагает идеальное решение, чтобы раскрыть секреты прошлых эпох или старых цивилизаций. Для исследования более крупных образцов или плотных (например, бронзовых) объектов XT H 450 предлагает идеальное решение. Большая рентгеновская система Nikon Metrology идеально подходит для сканирования больших плотных кусков окаменелостей. Рассматривая внутреннюю архитектуру черепа и костей, ученые могут по-новому взглянуть на вид и его эволюцию. 

Например, в Университете Саутгемптона рентгеновские снимки помогают создать трехмерную картину Плиозавра, свирепого хищника, который терроризировал океаны 150 миллионов лет назад.

И одним из самых известных исторических объектов является механизм Антикитера. Здесь высокое напряжение было важно для проникновения в бронзу корродирующего артефакта. Рентгеновская технология впервые показала внутреннюю структуру, включая конструкцию системы зубчатой ​​передачи, и показала, что это устройство было сделано для расчета движений небесных тел. 


Механизм Антикитера (Научные данные © 2005 AMRP)

Разобранный вид антикитерского механизма (© Tony Freeth, 2012)


Заключение

Рентгеновские высокоточные технологии микрофокусной промышленной компьютерной томографии развивались в течение последних десяти лет в той мере, в которой они стали основной метрологической технологией. Они обладают точностью и разрешением, скоростью, гибкостью. И что важно, цена и время сканирования достаточно привлекательны, чтобы считать их конкурентоспособными по сравнению с другими методами. Они находят применение в автомобильной, аэрокосмической, энергетической, медицинской и потребительской сферах, где используются более плотные материалы или более крупные детали. Использование КТ помогает производителям отслеживать как видимые, так и невидимые дефекты материала и геометрии, которые в большинстве случаев не могут быть идентифицированы с помощью других методов неразрушающего контроля. Это делает КТ предстоящим претендентом на обеспечение самого полного  3D-контроля.

Совтест АТЕ является официальным представителем Nikon Metrology в России. Специалисты Центра  технологий неразрушающего контроля (ЦТНК) проконсультируют Вас касательно применения компьютерной томографии на вашем производстве. Также, в ЦТНК вы можете провести сканирование изделий на контрактной основе посредством системы промышленной компьютерной томографии ХТ Н 320.

Отправить запрос