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Confronto tra la Tomografia a Raggi X e la Mappatura ad Ultrasuoni

Angelo TatìLaboratorio di Qualificazione Materiali e Componenti

ENEA C.R. Casaccia UTT MAT-QUALCICPND Vicenza

26 Giugno 2015

CONTROLLI INNOVATIVI PER LA COSTRUZIONE E LAMANUTENZIONE DI COMPONENTI MECCANICI ED OPERE INFRASTRUTTURALI

[email protected]@enea.it

Applicazioni dei CNDqCivileqIndustrialeqPatrimonio Artistico

03/07/2015 Angelo Tatì 2

03/07/2015CICPND -DTG Vicenza 2015...........

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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

03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015........... 5

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/PuntualePhased Array/Lineare

Lastra/immagine

Tipo di Controllo Volumetrico Volumetrico



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)



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



Ultrasuoni

Raggi X

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 subisconoeffetti di riflessione, assorbimento, rifrazione e diffusione . La cavità è attraversata senza attenuazione ed è poco rilevabile

Raggi X

acquaacqua

aria aria

Ultrasuoni

Ultrasuoni

Raggi X

Raggi X

Oggetto

Oggetto



Ultrasuoni

Raggi X

La cavità in rosso nell’acciaio non riflette l’onda ultrasonora. Il difetto non è rilevabile

La cavità è attraversata per tutta la sua lunghezza. Il fascio è fortemente attenuato. Il difetto e rilevabile

acqua acqua

aria ariaRaggi X

Raggi X

Oggetto

Oggetto



Ultrasuoni

Raggi X

La superficie non è perpendicolare al fascio e quindi viene riflessa.L’oggetto non può essere ispezionato facilmente

Il fascio non subisce forti attenuazioni . Il componente può essere ispezionato facilmente

aria aria

acqua acqua

Oggetto



Ispezione con sonda angolata con onde trasversali e accoppiante.Il difetto è rilevabile

Unica esposizione evidenzia il difetto.

Saldatura di testa



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.

L’ispezione di grandi oggetti e con dimensioni differenti nelle 3 direzioni creano nella ricostruzione tomografia artefatti cioè zone di materiale non reali

Oggetto

Oggetto


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.


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


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Sviluppo del software di mappatura


Saldatura tubo di Rame con tegole di CFC e W


Software UT - campioni di superconduttore - acciaio


Software UT per controllo rotore di coda elicottero EH 109 Agusta Westland - composito


Software Eddy Current per provini cilindrici a trazione Inconel Titanio


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 dimensioni2 metri di diametropale da 9 metri di L

• Controllo componenti complessi con superfici curve

• Velocità di Scansione > 200 mm/sec


Tecniche ultrasonore

• TT True-Trasmission– Grossi spessori– Scansione veloce– Materiali disomogenei– Mappe tipo C-scan– Gain variabile


Tecniche ultrasonore

• PE Pulse-Echo– Materiali omogenei– Spessori limitati– Esame volumetrico – Mappe di tipo A-B-C-D-F

Scan– Elaborazione dati


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


Software di Acquisizione

Acquisizione

l Acquisizione con scheda oscilloscopio PCI

l 100MHz ADC l 800MHz in ETSl A - C SCAN in tempo realel Rifasamento

dell’interfaccial Medie


Software

Motion Control

l Scheda PCI 8 assil Scansione piana

1 asse di corsa e 2 assi in sincronia per l’index


Software

Motion Control

l Scheda PCI 8 assil Scansione complessa l Asse XY posizione fulcro

assel Asse rotativo angolazione

sondal Asse Z di corsa

03/07/2015 CICPND -DTG Vicenza 2015...........

Software di apprendimento profili curvi

Acquisizione delle posizionetramite 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


Acquisizione Profilo Tramite file di immagine

• Acquisizione delle posizione su immagine digitale (Bitmap)

• Calibrazione • Zero immagine e

movimentazione



Zero macchina

0,01500,0

0,1000

Y dietro

X Sinistra

Y Avanti

X Destra



Ø Interpolazione



Ø Selezione dei profili



Ø Selezione dei profili interni



Ø Selezione dei profili esterni



Ø Esecuzione traiettorie – scelta della zona



Ø Esecuzione traiettorie – Verifica traiettoria



Ø Esecuzione traiettorie – Ispezione



Ø Esecuzione traiettorie – Risultati



Ø Verifica dei Risultati


Software di Elaborazione

ØØ C_scanC_scan TTTT



ØØ AA--SCAN SCAN -- BB--SCANSCAN



ØØ AA--SCAN SCAN -- CC--SCAN SCAN -- DD--SCANSCAN



ØØ AA--SCAN SCAN -- CC--SCAN SCAN -- BB--SCANSCAN



ØØ AA--SCAN SCAN -- CC--SCAN SCAN -- RR--SCANSCAN



ØØ AA--SCAN FSCAN F--SCANSCAN



ØØ 3D SCAN3D SCAN


Sistema Automatico di ispezione di tubi con saldatura elicoidale tramite braccio antropomorfo


Tomografia

• Sistema Tomografico Phoenix Nanotom mFigure 8. Phoenix nanotom m


Tomografia

• Sistema Tomografico Phoenix nanotom m

Figure 8. Phoenix nanotom mMax. tube voltage 180 kVMax. output 15 WDetail detectability Up to 200nm (0.2µm)Min. focus-detector-distance 0.4mmMax. voxel resolution (depending on object size) < 500nm (0.5µm)Geometric magnification (3D) 1.5 times up to 100 timesMax. object size (height x diameter) 150mm x 120mm / 5.9" x 4.7"Max. object weight 2 kg/ 4.4 lbImage chain 5-Megapixel fully digital image chain3D computed tomography yesAdvanced 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 X-ray Systems)- Exposure rate < 1 µSv/h emission limit measured at 10 cm distance from accessible su


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


Tomografia

Figure 8. Phoenix nanotom m

Ing. Fabio De Pascalis – CR ENEA di Brindisi


Tomografia


Tubo ( guaina reattore nucleare di IV Generazione ) in SiC


Tomografia




Confronto tra Mappatura ad Ultrasuoni e Tomografia

Sistema di mappatura ad ultrasuoni in trasmissione – Sonda esterna e sonda interna



Sistema di mappatura ad ultrasuoni in trasmissione – Sonda esterna e sonda interna



26 mm


TomografiaSistema Tomografico YXLON per pala di elicotteri

in materiale composito

Rivelatore



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 grossispessori

Utilizzo di energia elevate con problemi di esposizione alla radiazione

Costo Modesto Elevato

Risoluzione spaziale 0,08 – 1 mm 0,5 micron



Aspetto Mappatura ad ultrasuoni Tomografia

Velocità di ispezione 20 minuti per scansioni di 5 metri x 0,5

Tubo 10 mm x 5 cm1 ora di acquisizione + 1 ora di elaborazione

Dati acquisiti 100 KB a 200 MB 2 GB

PC Desktop Workstation con array di schede grafiche



Grazie per l’attenzione

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