Роль компьютерной томографии в аддитивном производстве

ЦТНК – группа экспертов предприятия ООО «Совтест АТЕ», которое на протяжении 27 лет занимается оснащением производственных секторов России современным технологическим и тестовым оборудованием. С 2015 года ЦТНК  сотрудничает с российскими и зарубежными производителями в области  неразрушающего контроля и компьютерной томографии.


Области компетенции ЦТНК охватывают широкий спектр задач: среди заказчиков производители аэрокосмической отрасли, микроэлектроники, аддитивных технологий, медицинских приборов,  композитных материалов, а также ВУЗы и научно-исследовательские институты. Такой разброс рабочих областей обеспечивает неповторимость задач. Каждый проект ЦТНК уникален.


По мере развития ЦТНК, увеличения количества запросов от наших заказчиков, возникла необходимость в гибкости системы компьютерной томографии. Сегодня необходимо отсканировать радиоэлектронный компонент, а завтра – тяжёлый стальной диск. Все области применения объединяет один общий запрос: необходимость анализа структуры внутри образцов: например, для аддитивного производства это могут быть дефекты, возникающие в результате плохой спекаемости порошка. Образцы аддитивного производства зачастую задают повышенные требования к параметрам инспекции, непохожие на стандартные изделия традиционного производства. Раскроем эту тему подробнее.


Аддитивные технологии в России всё чаще рассматриваются в качестве альтернативы традиционному производству. Это объясняется удобством прототипирования изделий, отсутствием необходимости в дополнительном оборудовании и практически неограниченными возможностями воспроизведения сложной геометрии. Однако открытыми остаются вопросы о структурной целостности 3D печатных изделий, внутренних дефектах. В настоящее время в России стандарты, регламентирующие качество продукции аддитивного производства находятся в разработке.


Существует два пути решения этой задачи: следовать обычным производственным стандартам для традиционных изделий или подбирать оптимальный метод исследования, который учитывал бы все особенности деталей аддитивного производства. Среди таких особенностей –  наличие дефектов внутренних структур, неспечённого порошка, трещин, металлических включений, сложной внутренней геометрии.


Подробно решение этих задач описано в статье «Роль компьютерной томографии в аддитивном производстве» группой авторов из США (University of North Carolina at Charlotte, NC, USA, University Applied Physics Laboratory, MD и USA Nikon Metrology, Inc., Brighton, MI, USA). Авторы сравнивают традиционные методы контроля качества, такие как координатно-измерительные машины (КИМ), оптические системы и компьютерную томографию (КТ). Основные моменты из статьи приведены ниже.


Инспекция изделий аддитивного производства часто осложняется наличием сложной внутренней геометрии (каналы охлаждения, полости). Задачи контроля таких структур слишком сложные для обычных методов неразрушающего контроля, таких как ультразвуковой, инфракрасный, вихретоковый, радиографический и оптический. Преимущество рентгеновской компьютерной томографии в том, что этот метод не только решает вышеперечисленные задачи, но и предоставляет количественную информацию о пустотах, включениях, трещинах и других дефектах в объёме изделия. В результате чего, КТ всё чаще используется как основной инструмент контроля деталей аддитивного производства (см. рис.1).


Рис. 1 – Сравнение некоторых существующих методов неразрушающего контроля  
(зависимость расположения различимых дефектов от их пространственного разрешения)
 

На рис. 1 показано сравнение методов неразрушающего контроля, обычно используемых для обнаружения дефектов в деталях АП, а также для измерений. Классификация представлена в соответствии с обнаруживаемым местоположением дефектов и пространственным разрешением. Оптические методы могут обеспечить очень высокое разрешение, но контроль осуществляется только на поверхности. Вихретоковые и ультразвуковые методы находят неглубокие дефекты в объёме, но пространственное разрешение находится в миллиметровом диапазоне. Учитывая вышесказанное можно предположить, что лучшим методом неразрушающего контроля сложных структур и геометрии в объёме деталей является рентгеновская КТ, которая имеет разрешение от  микрометра до миллиметра, а в некоторых случаях и субмикронные уровни.


Зачастую компьютерная томография является единственным жизнеспособным методом для получения данных о внутренних структурах и размерах деталей АП, это позволяет считать КТ партнёром «революции 3D печати». Компьютерная томография обычно используется для обнаружения пустот, пор, трещин, включений и остатков порошка в деталях АП, а также для сравнения конечного изделия с данными САПР.


Ещё одна проблема, которую решает компьютерная томография – контроль металлических порошков для аддитивного производства. Размер  зёрен обычно составляет от 15 до 150 микрон и некоторые из них могут быть полыми внутри (см. рис. 2).


Рисунок 2 – Сопоставление КТ снимков различных порошков для АП. Слева: никель-хромовый сплав (Inconel 625). Справа: алюминиевая сетка 225 (65 мкм). Данные получены с использованием идентичной геометрической конфигурации КТ (система Nikon XTH 225 ST), но с различными параметрами мощности рентгеновского излучения: 93 кВ и 50 мкм для образца Inconel, 60 кВ и 95 мкм для алюминиевого порошка.


Аномалии порошков могут потенциально вызывать дефекты в изделиях АП, например, порошки, склонные к образованию агломератов зерна, могут принимать неправильную форму или приводить к пористости в компоненте при использовании лазерного или электронно-лучевого плавления металла.


Наличие каналов или микроструктур в порошковом материале может потенциально повлиять на процент пористости готовой детали AM, построенной из такого материала, или вызвать трещины и разрывы внутри из-за пустот. В современной литературе существует несколько исследований влияния параметров порошков, таких как размер частиц, однородность, форма и распределение, или пористость зерна, на конечный результат процессов аддитивного производства, включая доказательства дефектов деталей, вызванных несплавленными частицами порошка или агломерацией порошка, расположенного внутри.


На самом деле, измерение и характеристика каждого внутреннего дефекта по результатам КТ может быть сложной задачей, в основном из-за огромного количества данных, которые находятся в объёме проекта КТ. К счастью, существует множество инструментов для измерения и анализа большого количества внутренних дефектов, и на практике все чаще применяются автоматизированные алгоритмы распознавания дефектов, включая инструменты для обработки изображений и методы статистического анализа, которые каталогизируют и суммируют дефекты внутри определенного объёма. Для того, чтобы установить годность изделия, необходимо полагаться на всестороннее знание дефектов и их отношения к свойствам материала и входным параметрам процесса. Может потребоваться дополнительная инспекция и более продвинутый анализ, чтобы установить надлежащий базовый уровень для определения того, какой уровень дефектов представляет собой неисправная деталь.


На рис. 3 показано применение рентгеновской КТ для выявления пористости в готовой детали АП.
Рисунок 3 – Анализ пористости турбинной лопатки, изготовленной по аддитивной технологии. Высота 5,5 см, материал изготовления – Ti-6Al-4V, метод изготовления – электронно-лучевая плавка.
Статистический анализ дефектов, полученный по результатам КТ позволяет провести математическое моделирование влияния входных параметров 3D печати (например, мощность лазера, скорость наплавления, толщины слоя и т. д.) на конечные характеристики изделия. Также растет интерес к поиску новых методик исследований in-situ, которые могут собирать данные в процессе обратной связи с системами АП. Этот процесс позволил бы искать корректирующие действия путем оптимизации параметров во время процесса АП. Интеграция компьютерной томографии в процессы АП, представляется сложной задачей, с другой стороны, растет интерес к возможности использования данных рентгеновской КТ для получения данных о внутренней геометрии изделий  АП без разрушения или секционирования детали.


В целом, простой процесс оптимизации рабочего процесса для улучшения проектирования и производства деталей АП может быть следующим: знание отклонения от предполагаемой формы и размеров конструкции помогает быстро уточнить модель детали АП (см. рисунок 4).


Рис. 4. Итеративный и циклический процесс оптимизации для проектирования и производства деталей АП.
Чтобы обеспечивать отличное качество томографии для всех образцов наших заказчиков – от микросхемы до шпангоута ракеты, ЦТНК использует систему томографии Nikon ХТ Н 320 PentaSource. Приспособляемость системы к различным задачам делает её ценным инструментом для анализа отказов, поиска трещин, пор, включений, а также проведения координатных измерений.


Система компьютерной томографии Nikon XT H 320 PentaSource включает с себя пять сменных источников рентген излучения:
  • 180 кВ/10 Вт мишень на просвет
  • 225 кВ/225 Вт ультрафокусная мишень на отражение
  • 225 кВ мультиметаллическая мишень (материалы мишени включают вольфрам, молибден, медь и серебро)
  • 225 кВ/450 Вт  вращающаяся мишень
  • 320 кВ/320 Вт мишень на отражение
Специалисты ЦТНК используют разные трубки под разные задачи, например, образцы аддитивного производства, часто изготавливают из титановых, никелевых и стальных сплавов. Для таких изделий необходимы большие мощности. Применение вращающейся мишени 450 Вт или мишени на отражение 320 Вт успешно решает задачи поиска скрытых дефектов в деталях высокой плотности.


Новейшие технологи обработки изображений и автоматического анализа обеспечивает программное обеспечение от компании Volume Graphics. ПО VG Studio Max 3.2 имеет модули анализа пустот, включений, сравнения с САПР, координатных измерений и блоков математического моделирование. Это позволяет визуализировать результаты компьютерной томографии в удобной для заказчика форме.


Введение в эксплуатацию системы ХТ Н 320 позволило расширить круг решаемых задач и возможности ЦТНК.
0