IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE

SULLE CRITICITA’ SULLE CRITICITA’ DIDI MATERIALI E COMPONENTIMATERIALI E COMPONENTI

G R U P P O D I S T U D I O T E C N O L O G I E M E C C A N I C H E

Relatori:Relatori:Dott. Marco PELOI, Dott. Diego DREOSSI, Dott.ssa Cristina MODOLODott. Marco PELOI, Dott. Diego DREOSSI, Dott.ssa Cristina MODOLO

Giovedì 30 giugno 2011Giovedì 30 giugno 2011

Ore 18.00Ore 18.00

Centro Produttività Veneto Centro Produttività Veneto -- Fondazione Giacomo RumorFondazione Giacomo Rumor

Area Gruppi di StudioArea Gruppi di Studio

Sincrotrone Trieste SCpA

Il sincrotrone getta una nuova luce sulle criticità di materiali e componenti

Cristina Modolo Marco Peloi

Diego Dreossi Contact: Industrial Liaison Office - ilo@elettra.trieste.it

Website: ilo.elettra.trieste.it

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Sincrotrone Trieste SCpA

Indice dei Contenuti

!  Sincrotrone Trieste S.C.p.A. !  La societa’ !  Il Laboratorio Elettra !  Come funziona un Sincrotrone !  Attività di Trasferimento Tecnologico

!  Microfabbricazione con luce di sincrotrone !  Microfluidistica, Micromeccanica

! La Tomografia con luce di sincrotrone: !  La tecnica !  Potenzialità !  Esempi Applicativi:

•  Tessuti leggeri •  Schiume polimeriche •  Fratture nei metalli •  Dispositivo Biomedicale •  Componenti elettronici •  Celle combustibili

!  Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone !  Corrosione / erosione !  Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED !  Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti !  Nanotubi !  Infrarosso

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Sincrotrone Trieste SCpA

Sincrotrone Trieste S.C.p.A.

Società Consortile di Interesse Nazionale riconosciuta dalla legge 370/99 dello Stato Italiano, i cui soci sono Area Science Park, Regione FVG, CNR, Invitalia.

La societa’ gestisce due laboratori per un totale di circa 400 dipendenti:

La Missione e’ promuovere la crescita culturale e socio/economica attraverso:

Elettra FERMI@Elettra

•  La ricerca di base ed applicata nei campi di rilievo

•  La formazione tecnica e scientifica

•  Il trasferimento tecnologico e della conoscenza

•  acceleratore di particelle •  costruito nel 1993 •  specializzato nell’analisi profonda

dei materiali

il terzo laser ad elettroni liberi al mondo che consentirà di analizzare processi ultraveloci per svelare il comportamento dinamico dei materiali.

Operativo dal 2011, Progetto Bandiera nel PNR 2011-2013

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Sincrotrone Trieste SCpA

Linee di Luce: 23 operative, 2 in costruzione, 1 linea FEL

Cosa offre oggi Sincrotrone Trieste

10 Laboratori di supporto Soft X-Ray Optics, Hard X-Ray Optics,

Instrumentation and Detectors, Surface Science, Workshop for Beamline support,

Structural Biology, Interdisciplinary Lithography, Microscopy Laboratory, Soft X-

Ray Polarimetry, Multilayers

- Elettra -

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Sincrotrone Trieste SCpA

Come funziona un Sincrotrone

Booster Sincrotrone

anello di accumulazione

Linea di luce Stazione

di misura

•  24 Linee di Luce

•  5000 ore luce/anno

•  Piu’ di 1000 Utenti, provenienti da piu’ di 25 Paesi

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Linea di luce

Linea di luce

Linea di

luce

Linea di luce Linea di luce

Elettra è un potente microscopio che utilizza un particolare tipo di radiazione, la “luce di Sincrotrone” per effettuare misure ed analisi dei materiali.

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Sincrotrone Trieste SCpA

Come funziona un Sincrotrone Insertion Devices and Bending magnet

Bending magnet

Insertion devices (straight sections)

Undulator Wiggler

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Sincrotrone Trieste SCpA

Come funziona un Sincrotrone Caratteristiche della luce

!  Possibilità di scegliere la lunghezza d’onda in base al materiale da esaminare

!  Luce intensa, che permette misure estremamente rapide

!  Luce fortemente collimata e coerente

Elettra

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Sincrotrone Trieste SCpA

Come funziona un Sincrotrone La luce come sonda e strumento

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Sincrotrone Trieste SCpA

Scala spaziale Scala temporale

attoseconds

Come funziona un Sincrotrone La luce come sonda e strumento

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Sincrotrone Trieste SCpA

Attività di Trasferimento tecnologico

!  Un ampio spettro di competenze: Fisica, Chimica, Meccanica, Biologia, IT etc..

!  Tecnologie “leading edge” !  Laboratori, beamlines etc…

!  Diversi settori applicativi: Materiali High tech, Micro e Nanotecnologie, Chimica e Catalisi, Medicina e Diagnostica, etc…

!  Collaborazione in progetti di R&D su innovazione e miglioramento: !  Processi !  Prodotti

!  Servizi di Analisi chimiche e strutturali dei materiali

!  Microfabbricazione

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Sincrotrone Trieste SCpA

1.  Discussione delle esigenze cliente

2.  Scouting interno delle competenze

disponibili

3.  Elaborazione Studio di Fattibilità

4.  Presentazione soluzioni possibili e

proposta commerciale

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Attività di Trasferimento tecnologico Come lavoriamo

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Sincrotrone Trieste SCpA

!  Il primo test di fattibilità è “free of charge”

!  Quotazione con costs analysis

!  Le attività sono organizzate con una struttura a progetto

!  Costante condivisione dei risultati e Report finale

!  Confidenzialità

Attività di Trasferimento tecnologico Come lavoriamo

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Sincrotrone Trieste SCpA

Indice dei Contenuti

!  Sincrotrone Trieste S.C.p.A. !  La societa’ !  Il Laboratorio Elettra !  Come funziona un Sincrotrone !  Attivita’ di Trasferimento Tecnologico

!  Microfabbricazione con luce di sincrotrone !  Microfluidistica, Micromeccanica

! La Tomografia con luce di sincrotrone: !  La tecnica !  Potenzialità !  Esempi Applicativi:

•  Tessuti leggeri •  Schiume polimeriche •  Fratture nei metalli •  Dispositivo Biomedicale •  Componenti elettronici •  Celle combustibili

!  Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone !  Corrosione / erosione !  Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED !  Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti !  Nanotubi !  Infrarosso

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Sincrotrone Trieste SCpA

Microfabbricazione con luce di sincrotrone Litografia Profonda con la tecnica LIGA

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Sincrotrone Trieste SCpA

Fabbricazione di Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) per “nanotrapping” e manipolazione di macromolecole

Microfabbricazione con luce di sincrotrone Microfluidica

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Sincrotrone Trieste SCpA

Campi di applicazione:

- Tecnologia per sensori e attuatori - Tecnologia spaziale e automotive - Chirurgia non invasiva - Rilascio di medicinali

Microfabbricazione con luce di sincrotrone Micromeccanica

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Sincrotrone Trieste SCpA

Indice dei Contenuti

!  Sincrotrone Trieste S.C.p.A. !  La societa’ !  Il Laboratorio Elettra !  Come funziona un Sincrotrone !  Attivita’ di Trasferimento Tecnologico

!  Microfabbricazione con luce di sincrotrone !  Microfluidistica, Micromeccanica

! La Tomografia con luce di sincrotrone: !  La tecnica !  Potenzialità !  Esempi Applicativi:

•  Tessuti leggeri •  Schiume polimeriche •  Fratture nei metalli •  Dispositivo Biomedicale •  Componenti elettronici •  Celle combustibili

!  Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone !  Corrosione / erosione !  Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED !  Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti !  Nanotubi !  Infrarosso

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Sincrotrone Trieste SCpA

Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Corrosione / erosione

Particolato sospeso in impianto di raffreddamento d’acqua 18

Sincrotrone Trieste SCpA

Pixel neri negli OLED

In

In

Al

Al2p 64 µm

Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED

Al

Aumento la tensione per arrivare alla rottura

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Sincrotrone Trieste SCpA

Presenza di metalli nelle foglie del the

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Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti

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Sincrotrone Trieste SCpA

CNTs grown on substrates: SiC Nanoparticles Fe/Al2O3 Nanoparticles Fe/SiO2 ITO/glass

Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone: Nanotubi

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Sincrotrone Trieste SCpA

Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Beamline SISSI – Infrarosso - Analisi di filati

Collaborazione tra Sincrotrone Trieste e Carvico SPA.

L'obiettivo dell'attività di ricerca condotta nel corso del primo anno di attività era quello di ottimizzare il processo di produzione ed in particolare garantire una qualità ancora più elevata del prodotto al cliente finale.

Utilizzo di tecniche di analisi spettroscopica nel vicino e medio infrarosso sui filati per comprenderne le proprietà e valutare la reazioni a determinate lavorazioni.

! Grazie ai risultati ottenuti è stato possibile selezionare dei parametri di lavaggio solvente più efficienti che permetteranno all'azienda di ottenere un maggior risparmio energetico.

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Sincrotrone Trieste SCpA

Indice dei Contenuti

!  Sincrotrone Trieste S.C.p.A. !  La societa’ !  Il Laboratorio Elettra !  Come funziona un Sincrotrone !  Attivita’ di Trasferimento Tecnologico

!  Microfabbricazione con luce di sincrotrone !  Microfluidistica, Micromeccanica

! La Tomografia con luce di sincrotrone: !  La tecnica !  Potenzialità !  Esempi Applicativi:

•  Tessuti leggeri •  Schiume polimeriche •  Fratture nei metalli •  Dispositivo Biomedicale •  Componenti elettronici •  Celle combustibili

!  Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone !  Corrosione / erosione !  Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED !  Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti !  Nanotubi !  Infrarosso

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Sincrotrone Trieste SCpA

La Tomografia con luce di sincrotrone

Visualizzazioni ad alta risoluzione spaziale ed in contrasto sia planari sia volumetriche

"  R&D – Struttura dei materiali, Sviluppo di nuovi materiali

"  Ispezioni/Esempio - Inclusioni, Cracks, Porositá, Controlli di qualitá,

Ottimizzazione di processo

"  Reverse Engineering - Rapid Prototyping, Surface Rendering, CAD,

Drawing and Design

"  Metrologia

"  3D Modeling

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Sincrotrone Trieste SCpA

La tecnica: Imaging con raggi X

Raggi X convenzionali! Raggi X Elettra! Contrasto di fase ad Elettra !

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Sincrotrone Trieste SCpA

La tecnica

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Sincrotrone Trieste SCpA

La tecnica

Acquisizione proiezioni

Ricostruzione assiale (slices)

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Sincrotrone Trieste SCpA

La tecnica: Parametri fondamentali

"  Risoluzione Spaziale

"  Risoluzione in contrasto

"  Campo di vista

"  Tempo di acquisizione

Dimensioni

Composizione Oggetto

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Sincrotrone Trieste SCpA

La tecnica: Layout degli strumenti

Sorgente Energia Corrente Macchia focale Stabilitá

Magnificazione Flusso x-ray Penumbra FOV PhC

Rivelatore Convertitore: efficienza, risoluzione spaziale Pixel: risoluzione spaziale, SNR, FOV Range dinamico, DAQ time

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Sincrotrone Trieste SCpA

Esempio: Ispezioni Confronto ottico / raggi X

Il microscopio ottico ha un campo di vista limitato e non permette di vedere dentro il tessuto

Microscopio ottico A riflessione

Microscopio raggi X Elettra

Microscopio ottico A trasmissione

Area ~ 2.4 x 1.8 mm2

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Sincrotrone Trieste SCpA

Radiografia in contrasto di fase di vela in sandwich di Mylar con inserti in fibra di carbonio e basalto

Basalto

Carbonio

Mylar

3 m

m

Bolle d’aria

Esempi: Ispezioni vele hi-tech

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Sincrotrone Trieste SCpA

Esempio: Difetti da usura nei tessuti

Caratterizzazione di tessuti poco assorbenti o composti da elementi leggeri come H e C, che risultano trasparenti microscopia convenzionale

~1.2 x 1.2 mm2

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Sincrotrone Trieste SCpA

Slices! Ricostruzione3D del campione!(15.4 x 13.4 x 5.1) mm3!

1 mm

Esempio: Struttura interna schiume polimeriche

Poliuretano

Pixel size 14 micron

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Sincrotrone Trieste SCpA

0% 11.5%

23% 35.5%

Direzione di compressione

Piano dell’Immagine

Esempio Schiuma polimerica – Compressione

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Sincrotrone Trieste SCpA

Direzione di compressione

0% 11.5%

23% 35.5%

Piano dell’Imm

agine

Esempio: Schiuma polimerica – Compressione

Rendering di alcune slices

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Sincrotrone Trieste SCpA

Esempio: Schiume rinforzate con metalli

Sorrentino, Journal of Applied Science, 2011

Fino a +340% nel modulo elastico

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Sincrotrone Trieste SCpA

Ispezioni/Esempio Fratture nei metalli

Ricostruzione di cricche di fatica multiassiale in provini di Alluminio

Cosmi Bernasconi 37

Sincrotrone Trieste SCpA

Ispezioni/Esempio Fratture nei metalli

Cosmi Bernasconi 38

Sincrotrone Trieste SCpA

Esempio Controlli di qualitá

Attacco metallico per un dispositivo biomedicale

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Sincrotrone Trieste SCpA

3--/#4-56-.+.7# 81/#4-56-.+.7#

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Esempio Controlli di qualitá

Sincrotrone Trieste SCpA

Celle Combustibile

Membrane Electrode Assembly

1 mm

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Visualizzazione di liquido all’interno delle serpentine

Problematiche tipiche del settore

Criticità di processi e prodotti

Problematiche tipiche del settore elettronico e meccatronico

Vicenza 30 Giugno 2011Ing. A. Cecchetto (GAU – Gruppo automazione e conversione dell’energia)

Contesto operativo

L’analisi dei modi e della cause di guasto potrebbe essere fa tta dal fornitore delprodotto e/o processo sotto esame.Ma,Ma, inin piùpiù didi qualchequalche casocaso sisi richiederichiede:•Approccio di ente terzo al problema sotto analisi•Rapidità nell’avere i risultati•Certificazione delle prove e dei risultati (anche autorevolezza, immagine, …)•Certificazione delle prove e dei risultati (anche autorevolezza, immagine, …)

Per le PMI non si tratta sempre di semplici attività da gestire.

ValutazioniValutazioni:•Costo/beneficio delle attività di analisi (Analisi economica, valutazione rischio, …)•Studiare se ci sono problematiche comuni a gruppi di imprese (Es. validazioni prodotti eprocessi)

Processo di saldatura

Verifica Rx uniformità ed

integrità saldature

Verifica migrazione ionica su

leghe (PCB NiAu, finitura

componente Sn, lega SAC)

Processo di saldatura

Verifica presenza

contaminanti ambientali e

contaminazione da materiali

di processo (es. flussanti)

Rx non evidenzia la mancata

saldatura, ma di fatto manca

continuità Ohmmica. Una

sezione meccanica altera

condizioni.

Guasti alla componentistica

Comportamento inner layers

PCB sotto schock termici (288°C

per 10 s). Normalmente analisi

in condizioni “statiche”.

Rx evidenzia penetrazione contaminanti a livello di

die del chip sotto esame. Occorre analisi tipologia

ed analisi struttura protettiva case.

Guasti alla componentistica

Rx dice componente. Si notano

soldering voids dovuti ad

extratemperature conseguenza

del guasto

Sezione della zona di breakdown nel

punto di rottura. Stesso componente

dell’immagine a sinistra.

Meccatronica

Nell’integrazione delle applicazioni non si possono più scindere a livello di prodotto

problematiche meccaniche da elettroniche.

Alcuni esempi:

•Interazioni trattamenti superficiali metalli con parti elettroniche.

•Composizione carpenterie plastiche con funzioni schermanti.

•Affidabilità meccanica ed elettronica devono avere lo stesso ordine di grandezza.•Affidabilità meccanica ed elettronica devono avere lo stesso ordine di grandezza.

Se poi si inizia a lavorare nel mondo delle nanotecnologie, gli strumenti

convenzionali di analisi non sempre sono idonei allo scopo.

Tribologia Nanotribologia.