Confronto tra la Tomografia a Raggi X e la Mappatura ad

CONTROLLI INNOVATIVI PER LA COSTRUZIONE E LA
MANUTENZIONE DI COMPONENTI MECCANICI ED OPERE
INFRASTRUTTURALI
Confronto tra la Tomografia a Raggi X
e la Mappatura ad Ultrasuoni
Angelo Tatì
Laboratorio di Qualificazione Materiali e Componenti
ENEA C.R. Casaccia UTT MAT-QUAL
CICPND
Vicenza
26 Giugno 2015
[email protected]
Applicazioni dei CND
qCivile
qIndustriale
qPatrimonio Artistico
03/07/2015
Angelo Tatì
2
Laboratorio Tavole Vibranti
2 tavole vibranti a sei gradi di libertà per prove sismiche,
2 eccitatori elettrodinamici per prove di fatica,
1 macchina per prove di shock,
nonché apparecchiature per prove climatiche e ambientali e per prove di interferenza e
compatibilità elettromagnetica.
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Le Tavole Vibranti
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Principi Fisici
Mappatura ad ultrasuoni
Tomografia a Raggi X
Tipo di onda
Meccanica
Elettromagnetica
Frequenza di oscillazione
50 KHz a 100 MHz
10 18 Hz
Effetti sulla materia
Vibrazione
Ionizzante
Velocità nel vuoto
Non si propaga
300000 Km/s
Attenuazione nell’acciaio
Bassa
Alta
Materiale attenuante
Aria
Piombo
Materiale trasparente
Metalli/Acciaio/acqua
Vuoto/Aria
Modalità di utilizzo
Immersione/liquidi di
accoppiamento
Bunker e zona esposta alla
radiazione
Misura
Sonda/Puntuale
Phased Array/Lineare
Lastra/immagine
Tipo di Controllo
Volumetrico
Volumetrico
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Ultrasuoni:
• sono emessi e ricevuti da un cristallo piezoelettrico
• vengono emessi dal cristallo tramite uno strumento che invia alla sonda un
impulso di tensione di centinaia di Volt
•L’onda meccanica che si propaga all’interno del materiale è riflessa dagli eventuali
difetti ed infine dalla fine del pezzo e viene ricevuta dal cristallo che la converte in
una tensione di pochi mV quindi viene amplificata dallo stesso strumento e
digitalizzata da un oscilloscopio.
•Il segnale elettrico digitalizzato acquisito contiene un informazione sullo spessore
attraversato sottoforma di echi detto Ecogramma ( A-scan )
Tomografia a Raggi X:
• il fascio viene emessa da una sorgente radiogena con una tensione di centinaia di
KV
•La radiazione che attraversa l’oggetto viene ricevuta da un pannello digitale che
converte la radiazione in un segnale elettrico
•Tramite un interfaccia elettronica il segnale viene convertito in una immagine
•L’immagine in toni di grigio contiene la lastra dell’oggetto ( Proiezione)
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Mappatura ad Ultrasuoni
• Il movimento della sonda sul pezzo da esaminare lungo le direzioni XY o Z teta
permette la scansione dell’oggetto
• sincronizzando la posizione della sonda con l’A-scan relativo si ottiene una
matrice 3D del volume dell’oggetto
•La matrice 3D può essere vista in 3 direzioni diverse in pianta, e sui 4 lati
•Queste viste sono chiamate mappature evidenziano eventuali difetti presenti
all’interno
Tomografia a Raggi X:
• la rotazione dell’oggetto da esaminare su una tavola rotante tra la sorgente a raggi
X e il pannello dove si forma l’immagine permette di ottenere più proiezioni
dell’oggetto
•Tramite l’operazione software chiamata retroproiezione possiamo ricostruire la
forma e l’interno dell’oggetto e i suoi eventuali difetti interni
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Oggetto
acqua
Ultrasuoni
acqua
Ultrasuo
ni
Ultrasuo
ni
Oggetto
aria
Raggi X
aria Raggi X
Raggi X
Raggi X
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Il fascio ultrasonoro
subisce effetti di
riflessione, assorbimento,
rifrazione e diffusione
La cavità in rosso
nell’acciaio riflette l’onda
ultrasonora. Il difetto è
rilevabile dal segnale di
ritorno.
I raggi X subiscono
effetti di riflessione,
assorbimento, rifrazione
e diffusione . La cavità è
attraversata senza
attenuazione ed è poco
rilevabile
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Oggetto
acqua
La cavità in rosso
nell’acciaio non riflette
l’onda ultrasonora. Il
difetto non è rilevabile
acqua
Ultrasuoni
Oggetto
aria
Raggi X
aria
Raggi X
Raggi X
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La cavità è
attraversata per tutta
la sua lunghezza. Il
fascio è fortemente
attenuato. Il difetto e
rilevabile
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
La superficie non è
perpendicolare al fascio e
quindi viene riflessa.
L’oggetto non può essere
ispezionato facilmente
Ultrasuoni
acqua
acqua
Oggetto
aria
Raggi X
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aria
Il fascio non subisce
forti attenuazioni . Il
componente può
essere ispezionato
facilmente
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Saldatura di testa
Ispezione con sonda
angolata con onde
trasversali e accoppiante.
Il difetto è rilevabile
Unica esposizione
evidenzia il difetto.
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
L’ispezione di oggetti di
grandi dimensioni e forme
estese come lamiere,
Tubazioni, Vessel, assili
ferroviari possono essere
controllate da una
superficie muovendo la
sonda.
Oggetto
Oggetto
L’ispezione di grandi
oggetti e con dimensioni
differenti nelle 3 direzioni
creano nella ricostruzione
tomografia artefatti cioè
zone di materiale non
reali
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Controllo Manuale/Automatico
• L’operatore che conduce l’ispezione deve essere
formato/certificato e avere una comprovata esperienza nel
campo.
• Per controlli ripetitivi e di lunga durata, il sistema automatico è
consigliato perché non si stanca e non si annoia.
• Per controlli in fase di produzione e dove il componente è
prodotto in serie si possono utilizzare i metodi automatici di
misura tra cui la tomografia a raggi X e la mappatura ad
ultrasuoni.
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Sistemi automatici
I sistemi automatici supportano le più diffuse
tecnologie non distruttive
•
•
•
•
•
Ultrasuoni
Radiografia
Eddy Current
Esami visivi
Termografia
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Prototipo si sistema automatico
• Sistema 4 assi
–
–
–
–
–
–
3 traslativi 30 cm
1 rotativo 360°
Strumento UT monocanale
Oscilloscopio 1 GHz di campionamento
Computer desktop
Software
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Ricerca su Reattori a fusione nucleare
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Collaudo della saldatura del Divertore
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Collaudo della saldatura del Divertore
03/07/2015
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2015...........
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Sviluppo del software di mappatura
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2015...........
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Saldatura tubo di Rame con tegole di CFC e W
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Software UT - campioni di superconduttore - acciaio
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Software UT per controllo rotore di coda elicottero EH
109 Agusta Westland - composito
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Software Eddy Current per provini cilindrici a trazione
Inconel Titanio
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Software Controllo palette turbina saldati con scarica
capacitiva su BLISK con i metodi UT EC
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Applicazione aeronautica per il controllo del rotore
principale dell’elicottero EH101
• Controllo di componenti
piani di grandi dimensioni
2 metri di diametro
pale da 9 metri di L
• Controllo componenti
complessi con superfici curve
• Velocità di Scansione > 200
mm/sec
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Tecniche ultrasonore
• TT True-Trasmission
–
–
–
–
–
Grossi spessori
Scansione veloce
Materiali disomogenei
Mappe tipo C-scan
Gain variabile
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Tecniche ultrasonore
• PE Pulse-Echo
–
–
–
–
Materiali omogenei
Spessori limitati
Esame volumetrico
Mappe di tipo A-B-C-D-F
Scan
– Elaborazione dati
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Sistema automatico a 6 gradi libertà
• Costruzione e
progettazione
meccanica ed
elettronica
• SIMITECNO
• COMEB
• EUROSYSTEM
Dimensione
4 x 3 x 3 metri
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Sistema automatico
Obiettivi ENEA
• Progettazione SW
• Realizzazione SW
• Messa a punto del sistema
elettromeccanico
• Messa a punto delle tecniche
ultrasonore
• precollaudo
• collaudo finale
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Sistema automatico
• Sistema 6 assi
• 5 traslativi 1 rotativo
• 1 coppia di assi indipendenti
per entrambe le sonde
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Software di Acquisizione
Acquisizione
l
l
l
l
l
l
Acquisizione con scheda
oscilloscopio PCI
100MHz ADC
800MHz in ETS
A - C SCAN in tempo reale
Rifasamento
dell’interfaccia
Medie
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Software
Motion Control
Scheda PCI 8 assi
l Scansione piana
1 asse di corsa e 2 assi in
sincronia per l’index
l
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Software
Motion Control
l
l
l
l
l
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Scheda PCI 8 assi
Scansione complessa
Asse XY posizione fulcro
asse
Asse rotativo angolazione
sonda
Asse Z di corsa
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Software di apprendimento profili curvi
Acquisizione delle posizione
tramite testina Renishaw
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Acquisizione Profilo Tramite File Vettoriale Catia/STL
•
•
Acquisizione delle posizioni
da file CAD
Mesh a elementi triangolari
delle superfici e coseni
direttori
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Acquisizione Profilo Tramite file di immagine
•
•
•
Acquisizione delle posizione
su immagine digitale
(Bitmap)
Calibrazione
Zero immagine e
movimentazione
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Software di apprendimento profili curvi
Y dietro
Zero macchina
0,100
0
X Sinistra
X Destra
1500,
0
0,0
Y Avanti
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Software di apprendimento profili curvi
Ø
Interpolazione
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Software di apprendimento profili curvi
Ø
Interpolazione
03/07/2015
39
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Software di apprendimento profili curvi
03/07/2015
40
CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Software di apprendimento profili curvi
Ø
Selezione dei profili
03/07/2015
41
CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Software di apprendimento profili curvi
Ø
Selezione dei profili interni
03/07/2015
42
CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Software di apprendimento profili curvi
Ø
Selezione dei profili esterni
03/07/2015
43
CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Software di apprendimento profili curvi
Ø
Esecuzione traiettorie – scelta della zona
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44
CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Software di apprendimento profili curvi
Ø
Esecuzione traiettorie – Verifica traiettoria
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45
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Software di apprendimento profili curvi
Ø
Esecuzione traiettorie – Ispezione
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Software di apprendimento profili curvi
Ø
Esecuzione traiettorie – Risultati
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Software di apprendimento profili curvi
Ø
Esecuzione traiettorie – Risultati
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Software di apprendimento profili curvi
Ø
Verifica dei Risultati
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Software di apprendimento profili curvi
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Software di Elaborazione
Ø
C_scan TT
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Software di Elaborazione
Ø
A-SCAN - B-SCAN
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Software di Elaborazione
Ø
A-SCAN - C-SCAN - D-SCAN
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CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Software di Elaborazione
Ø
A-SCAN - C-SCAN - B-SCAN
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Software di Elaborazione
Ø
A-SCAN - C-SCAN - R-SCAN
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Software di Elaborazione
Ø
A-SCAN FF-SCAN
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Software di Elaborazione
Ø
3D SCAN
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Sistema Automatico di ispezione di tubi con
saldatura elicoidale tramite braccio antropomorfo
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Tomografia
• Sistema Tomografico Phoenix Nanotom m
Figure 8. Phoenix nanotom m
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Tomografia
• Sistema Tomografico Phoenix nanotom m
Max. tube voltage
Max. output
Detail detectability
180 kV
15 W
Figure 8. Phoenix nanotom
m
Up to 200nm (0.2µm)
Min. focus-detector-distance
0.4mm
Max. voxel resolution (depending on object size)
< 500nm (0.5µm)
Geometric magnification (3D)
1.5 times up to 100 times
Max. object size (height x diameter)
150mm x 120mm / 5.9" x 4.7"
Max. object weight
2 kg/ 4.4 lb
Image chain
5-Megapixel fully digital image chain
3D computed tomography
yes
Advanced surface extraction
yes (optional)
CAD comparison + dimensional measurement
yes (optional)
System size
(1640 x 1430 x 750 mm), (64.6” x 56.3” x 29.5”),
larger cabinets on request
System weight
1300kg / 2866 lb
Radiation Safety
Full protective radiation safety cabinet according
to the German RöV (attachment 2 nr. 3) and the US
Performance Standard 21 CFR 1020.40 (Cabinet Xray Systems)
- Exposure rate < 1 µSv/h emission limit measured
at 10 cm distance from accessible su
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Tomografia
Ruota Dentata:
Scopo analizzare la qualità del processo di brasatura tra la corona esterna di
INCONEL 718 e quella interna composto da una lega CuCrZr.
I dentini sempre di CuCrZr hanno una larghezza di 1mm e profondità di 1.2mm
Ing. Fabio De Pascalis – CR ENEA di Brindisi
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Tomografia
Figure 8. Phoenix nanotom m
Ing. Fabio De Pascalis – CR ENEA di Brindisi
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Tomografia
Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC
Figure 8. Phoenix nanotom m
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Tomografia
Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC
Figure 8. Phoenix nanotom m
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Tomografia
Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC
Figure 8. Phoenix nanotom m
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Tomografia
Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC
Figure 8. Phoenix nanotom m
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Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Sistema di mappatura ad ultrasuoni in
trasmissione – Sonda esterna e sonda
interna
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CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Sistema di mappatura ad ultrasuoni in
trasmissione – Sonda esterna e sonda
interna
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CICPND -DTG Vicenza 2015...........
Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
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Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
26 mm
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Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
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Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
26 mm
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Tomografia
Sistema Tomografico YXLON per pala di elicotteri
in materiale composito
Rivelatore
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Aspetto
Mappatura ad ultrasuoni
Tomografia
Forma dell’oggetto
La sonda deve essere
sempre perpendicolare
alla superficie
La radiazione non è
influenzata
dall’orientazione della
superficie
Spessore
Può attraversare grossi
spessori
Utilizzo di energia elevate
con problemi di
esposizione alla radiazione
Costo
Modesto
Elevato
Risoluzione spaziale
0,08 – 1 mm
0,5 micron
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Aspetto
Mappatura ad ultrasuoni
Tomografia
Velocità di ispezione
20 minuti per scansioni di
5 metri x 0,5
Tubo 10 mm x 5 cm
1 ora di acquisizione + 1
ora di elaborazione
Dati acquisiti
100 KB a 200 MB
2 GB
PC
Desktop
Workstation con array di
schede grafiche
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Confronto tra mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia
Grazie per l’attenzione
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