Применение компьютерной томографии в автопромышленности

Применение компьютерной томографии в автопромышленности

В 2015 году в Европе должны вступить в силу правила регулирования выбросов Euro-6, что должно привести к ещё большему сокращению допустимого количества вредных элементов и частиц в выхлопных газах автомобилей. В связи с этим перед производителями автомобильных двигателей встала задача по разработке и внедрению передовых технологий в системах управления подачи воздуха. В результате это должно способствовать не только уменьшению загрязнения окружающей среды, но и экономии топлива, а также улучшению рабочих характеристик транспортного средства.

Одним из первых, внедрившим в производство автомобили, соответствующие стандарту Евро-6, стал концерн Honda. Следом и другие компании последовали примеру и принялись разрабатывать авто, соответствующие высоким экологическим требованиям. В рамках реализации этой программы в Научном центре BorgWarner (Польша) для инспекции образцов неразрушающим методом и исследования компонентов и сборочных частей используется система компьютерной томографии (КТ) модель XT H 450 от фирмы Nikon Metrology. Мощная (450 кВ) микрофокусная система КТ от Nikon Metrology позволяет проникать сквозь плотные материалы, используемые в турбонасосе, проверять неразрушающим методом качество внутренних материалов в отливках и целостность сварных швов в сборках. Кроме того, система помогает получать данные измерений, как внешних, так и внутренних размеров специфических компонентов гораздо быстрее, чем при использовании координатно-измерительных машин (КИМ).

Предприятие BorgWarner, представленное тремя филиалами – в Прикарпатском Научном и Технологическом Парке в Жешуве и Южной Польше – включает в себя производственный комплекс мощностью более одного миллиона турбокомпрессоров в год. Они применяются в бензиновых и дизельных автомобильных двигателях, выпущенных на территории Западной и Восточной Европы. Недавно открывшийся Технический Центр призван помогать предприятию в производстве турбонасосов, предоставляя приложения для разработки и дизайна, моделирования,  тестирования и проверки качества, а также в анализе материалов. Техноцентр позволяет значительно расширить возможности BorgWarner в производстве и научных исследованиях в Европе.

В Техническом Центре в Польше в феврале 2014 года была установлена новая микрофокусная система КТ от Nikon Metrology модель XT H 450. «Мы закупаем у нескольких поставщиков разные по размерам комплектующие для наших турбонасосов – от алюминиевых компрессорных дисков до разнообразных деталей из нержавеющей стали или отливок из чугуна. До того, как мы установим изготовленный нами турбонасос в эмулятор двигателя для проверки на прочность и термомеханическое тестирование, нам необходимо проверить качество входящих в него отдельных компонентов и узлов. Ранее мы делали это путём механического разделения (разрезания) отливок образцов, которые затем измеряли и контролировали на координатно-измерительных машинах (КИМ). Но это означало то, что мы уничтожали дорогостоящие прототипы или предсерийные компоненты. Кроме того, части, которые мы тестировали, были типичными примерами из той же партии, а не те, которые мы фактически инспектировали разрушающим методом. Теперь мы знаем, что на эмуляторе тестируются только те компоненты, которые мы проверили по размерам, а в случае корпусов отливок – на наличие пористости и включений (примесей),» – говорит руководитель группы – управляющий лаборатории материалов Лукаш Кравчик.

С появлением системы компьютерной томографии XT H 450 сотрудникам Технического Центра стало проще получить необходимую информацию и производить более тщательный анализ, экономя при этом финансовые средства для повторного тестирования образцов. Программное обеспечение позволяет сравнить любые исследуемые модели с CAD-моделями, или с самим образцом, либо посредством прямого сравнения, а также с помощью модулей Геометрических измерений и погрешностей (GD&T).

В отливках, например, возможно определить расположение и размер пустот или трещин и их вероятную причину происхождения: неудовлетворительный тип или качество материала,  дизайн компонентов.

Также, с помощью рентгена можно проверить подшипниковые узлы на наличие внутренних компонентов (количество роликов или шариков) и тем самым избежать затраты на демонтаж. Сварной шов, который соединяет колесо и вал, может быть исследован на пористость и механическую целостность, что невозможно сделать визуально.

Лукаш Кравчик отмечает, что КТ в последнее время получила гораздо более широкое применение в качестве технологии инспекции и стала настолько гибкой, что её применяют везде, где это возможно, в предпочтение к КИМ и другому метрологическому оборудованию.

Лукашом Кравчиком и его командой были рассмотрены пять потенциальных поставщиков КТ высокой мощности. В результате была выбрана система Nikon Metrology с 450 кВ микрофокусной рентген-трубкой, обладающей высоким уровнем детализации изображения и идеально подходящей для приложения BorgWarner. Данная система, несмотря на свою низкую стоимость, позволяет проводить более полный анализ и измерения. Кроме того, она оснащена двумя детекторами – плоскопанельным и детектором с криволинейным диодным массивом (CLDA), – установленными на одну систему. Лёгкое переключение между детекторами позволяет достичь оптимального разрешения и улучшить инспекцию образцов.

Плоскопанельный детектор – лучший выбор для получения изображения всего компонента и является предпочтительным способом для сканирования и быстрого нахождения дефектов, в то время как CLDA детектор делает одномерное секционное изображение для создания более детализированного изображения образца. Данная технология идеальна для предотвращения рассеивания рентген-пучка при работе с более плотными материалами, используемыми в турбинах. Последний режим используется также для метрологии из-за высокого уровня детализации.

Ещё один экономический аспект использования XT H 450 – низкая стоимость  катодов, которые могут быть заменены оператором, работающим на системе, без необходимости звонить в службу поддержки. Как следствие, снижение расходов на техническое обслуживание. Лукаш Кравчик также указывает на высокий уровень обслуживания системы от производителя, с мгновенными ответами по техническим неисправностям и запросам на технические консультации.

Сегодня производители вынуждены в сжатые сроки выпускать новую продукцию по более низкой цене, и поэтому количество итераций прототипов становится меньше. Разрушающий контроль уже не вызывает большого интереса, так как необходимо проводить множество тестов на одном прототипе. Тактильные или сканирующие контрольно-измерительные машины дают возможность проводить внешние измерения, а так же могут измерять сложные внутренние структуры, только если образец разрушен или разобран. КТ предлагает быстрое и простое в использовании решение, позволяющее проводить детальные измерения, изучать структуру материала и инспекцию сборочных образцов, а также быстро устранять дефекты.

КТ –  это простой процесс. Исследуемый объект помещается на вращающийся стол между рентген-трубкой и детектором, который делает набор простых 2D рентген-снимков во время вращения образца. После поворота образца на 360 градусов, 2D снимки реконструируются в трёхмерную модель. Каждый элемент 3D модели – это воксель (трехмерный пиксель), который имеет дискретное положение и плотность. При КТ собирается информация не только о поверхности образца, как при построении 3D облака точек при использовании лазерных сканеров, но и данные о внутренних поверхностях. Это производится путём сопоставления плотности объекта, тем самым предоставляется информация о том, что находится между внешними поверхностями.

В основе КТ-системы лежит рентген-трубка. Существуют трубки открытого и закрытого типов, но по существу рентген-трубка представляет собой закрытый цилиндр с нитью накаливания внутри (катод, аналог лампочки) на одном конце, вместе с высоким напряжением на катоде и аноде, магнитными линзами и металлической мишенью (обычно из вольфрама) на другом конце. Компания Nikon Metrology применяет собственные разработки – открытые рентген-трубки, которые позволяют менять катоды. Как результат, низкая стоимость обслуживания по сравнению с закрытыми трубками, которые меняются полностью в случае возникновения неисправностей.

Ток подаётся на катод, что приводит к его нагреву и излучению электронов. Электроны отталкиваются от катода и притягиваются к аноду в область высокого напряжения, которое разгоняет электроны до 80% от скорости света в направлении мишени. До того, как электроны покинут трубку, электронный пучок фокусируется на мишени при помощи электромагнитных линз. После удара электронного пучка о мишень 99% энергии преобразуются в тепло.

Менее 1% электронов, которые образуются на конусе пучка на мишени, производят рентген-излучение. Чем выше напряжение в трубке, тем больше энергии в пучке и, следовательно, больше мощности передаётся на мишень, соответственно, больше размер фокального пятна и производится больше рентген излучения.

Ограничение применения КТ в промышленности обусловлено тем, что некоторые образцы имеют большую плотность, особенно металлы, которые сильно ослабляют рентген-излучение. Многие производители систем КТ предлагают микрофокусные рентген-трубки напряжением только до 225 кВ, в то время как мини-фокусные трубки производят более мощное рентген-излучение, но с размеров фокального пятна на порядок больше, что снижает точность получаемых данных. Микрофокусная рентген-трубка необходима для получения точных детализированных данных КТ для большинства высокоточных приложений промышленной компьютерной томографии.

Система Nikon Metrology XT H 450 обеспечивает непрерывную максимальную мощность 450 Ватт, без каких-либо ограничений по времени измерений, с сохранением небольшого размера фокального пятна - от 50 до 113 микрон - и устраняет рассеивание на КТ данных с 25 микронной точностью и повторяемостью. Образцы весом до 100 кг могут быть исследованы в рабочей зоне 400×600×600 мм. Таким образом, Nikon Metrology XT H 450 обеспечивает комбинирование трёхмерного неразрушающего анализа дефектов и геометрических измерений в одной высокоточной системе.

В рамках соглашения о расширении сотрудничества с компанией Nikon Metrology учебно-технический центр компании «Совтест АТЕ» был оборудован системой промышленной томографии XT H 225ST. Летом этого года оборудование было успешно введено в эксплуатацию. Кроме того, специалисты «Совтест АТЕ» прошли многоуровневое обучение работе с системой, как на собственном предприятии, так и в Centre-of-Excellence в Великобритании – самом большом научном центре Nikon Metrology, где занимаются вопросами рентгеноскопии и компьютерной томографии.

Компания «Совтест АТЕ» успешно сотрудничает с фирмой Nikon Metrology, являясь официальным дистрибьютором данного производителя оборудования для неразрушающего контроля. Приобретённая в этом году томографическая система XT H 225ST является уже второй разработкой Nikon, которая успешно применяется на собственных производственных мощностях российской компании «Совтест АТЕ».

Sovtest.ru

На данном сайте используются cookie для сбора информации технического характера и обрабатывается Ваш IP-адрес. Продолжая использовать этот сайт, вы даете согласие на использование файлов cookies.