Дифракционный способ определения внутренних дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии

Изобретение относится к неразрушающим способам обнаружения дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии из неметаллических материалов, прозрачных для электромагнитных волн с длинами 10^-4 до 10^-3 метра, и может быть использовано для автоматического обнаружения скрытых дефектов структуры. Способ включает обнаружение дефектов изготовления материала, таких как трещины, пустоты, полости, поры, соизмеримых по величине с длиной монохромной волны, проходящей через исследуемый материал. При взаимодействии электромагнитной волны с дефектом возникает эффект дифракции. Дифракционная картина проецируется на экран, находящийся за исследуемым объектом и состоящий из болометрических ячеек, чувствительных к терагерцевому излучению. Дифракционная картина считывается с экрана и преобразуется в компьютерное изображение, пригодное для последующего анализа. Техническим результатом изобретения является упрощение процедуры фиксации присутствия дефекта и его безопасность по сравнению с аналогичными методами рентгеновской томографии за счет использования неионизирующего излучения. 3 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающим способам обнаружения дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии из неметаллических материалов, прозрачных для электромагнитных волн с длинами 10^-4 до 10^-3 метра, и может быть использовано при решении вопросов автоматического контроля качества этих изделий, выявления скрытых трещин, пор и других мелкоразмерных дефектов структуры. Основным ограничением практического применения деталей, выполненных по аддитивной технологии, является наличие внутренних дефектов, которые образуются при спекании технологических слоев и являются особенностью данной технологии. Для обнаружения указанных дефектов используются ультразвуковые способы контроля, однако из-за расположения указанных дефектов один над другим данный способ не всегда позволяет обнаружить все дефекты.

Известен способ рентгеновской томографии для определения дефектов в оптически непрозрачных средах [Вайнберг Э.И., Клюев В.В., Курозаев В.П. Промышленная рентгеновская вычислительная томография, в кн.: Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, под ред. В.В. Клюева, 2 изд., т. 1, М., 1986].

Способ заключается в получении рентгеновских снимков исследуемого объекта с разных ракурсов с последующей компьютерной обработкой для получения трехмерной картины внутренней структуры материала. На полученной картине видны как отличные по цвету и яркости все дефекты внутренней структуры материала. К недостаткам этого способа относятся: необходимость выполнения нескольких снимков с разных ракурсов, что либо значительно повышает стоимость используемого оборудования, либо требует увеличения времени на поиск дефекта; необходимость использования сложного программного обеспечения для получения искомой трехмерной картины и значительные затраты вычислительных ресурсов; использование источника ионизирующего рентгеновского излучения, вредного для здоровья.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ рентгеновской томографии [патент RU 2505800 C2. Сырямкин В.И. и др. «Способ рентгеновской томографии и устройство для его осуществления», заявка №2012119065/28 от 10.05.2012, опубликовано: 27.01.2014, Бюл. №3], заключающийся в том, что облучают и воспринимают массив изображения энергетического спектра рентгеновского излучения, проходящего через объект, при этом восстанавливают изображение по теневым проекциям объекта, затем формируют, сравнивают и анализируют текущие и эталонные интегральные характеристики изображения объекта, определяют дефекты объекта и отображают результаты анализа объекта.

К недостаткам этого способа можно отнести:

1. Использование опасного для здоровья рентгеновского излучения.

2. Необходимость вращения объекта по трем взаимно перпендикулярным осям координат.

3. Сложность и высокая стоимость используемого оборудования.

Целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков.

Поставленная цель достигается за счет использования источника монохромного электромагнитного терагерцового излучения (длина волны λ=0,1-1 мм, частота ν=3⋅10¹¹-3⋅10¹² Гц). Волны этого диапазона свободно проникают через большинство диэлектриков, в частности пластик, керамику, полимеры, которые как раз используются при трехмерной печати (аддитивные технологии). Геометрические размеры дефектов изготовления (трещины, пустоты, полости, поры) в материале соизмеримы по величине с длиной монохромной волны, проходящей через исследуемый материал. При взаимодействии электромагнитной волны с дефектом возникает эффект дифракции, аналогичный дифракции оптических волн на щели или дифракционной решетке. Полученная дифракционная картина проецируется на экран, находящийся за исследуемым объектом и состоящий из болометрических ячеек, чувствительных к терагерцевому излучению. Дифракционная картина считывается с экрана и преобразуется в компьютерное изображение, пригодное для последующего анализа. В процессе исследования объект остается неподвижным, съемка выполняется с одного ракурса.

Амплитуда светового сигнала на экране в общем случае описывается выражением Релея-Зоммерфельда:

,

где U(P₀) - комплексная амплитуда излучения в точке P₀ на экране, U(P₁) - комплексная амплитуда излучения в точке P₁ внутри объекта, r - расстояние между точками P₀ и P₁, λ - длина волны излучения, θ - угол между нормалью из точки P₁ к плоскости экрана и вектором r из точки P₀ в точку P₁, i - мнимая единица, S₁ - поверхность, содержащая семейство точек P₁. В точках расположения дефектов величина U(P₁) будет отличаться от величины U(P₁) в однородной части объекта. Интенсивность электромагнитного сигнала в точке Р₀ связана с комплексной амплитудой соотношением:

,

где U*(P₀) - величина, комплексно сопряженная с величиной амплитуды U(P₀).

Таким образом, величина комплексной амплитуды и связанной с ней интенсивности сигнала в дифракционной картине на экране будут различными в зависимости от того, есть внутри исследуемого объекта дефект или нет.

Существенными отличиями заявляемого решения являются:

1. «Поставленная цель достигается за счет использования источника монохромного электромагнитного терагерцового излучения». В прототипе использовалось рентгеновское излучение.

2. «При взаимодействии электромагнитной волны с дефектом возникает эффект дифракции, аналогичный дифракции оптических волн». В прототипе для выявления дефектов используются теневые проекции объекта.

3. «Дифракционная картина считывается с экрана и преобразуется в компьютерное изображения, пригодное для последующего анализа». В прототипе по теневым проекциям формируют, сравнивают и анализируют текущие и эталонные интегральные характеристики изображения объекта.

4. «В процессе исследования объект остается неподвижным». В прототипе осуществлялось вращение и смещение объекта по трем взаимно перпендикулярным осям системы координат.

Фиг. 1 поясняет суть предлагаемого метода. Источник когерентного терагерцового излучения 1 (терагерцевый лазер) просвечивает монохроматическим лучом 2 исследуемый объект 3. Если внутри исследуемого объекта на пути луча 2 располагается трещина, то на экране 5 отображается дифракционная картина. P₀ - точка на экране 5, в которой регистрируется некоторая интенсивность электромагнитного сигнала. P₁ - точка внутри исследуемого объекта, источник вторичного электромагнитного излучения в результате дифракции луча 2 на трещине 4. Радиус-вектор r из точки в точку составляет угол θ с осью Z. Экран 5 представляет собой матрицу фотоприемников, чувствительных к терагерцевому излучению, изготовленную, например, по технологии [патент RU 2545497 C1. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Кочкарев Д.В., Кузнецов М.В. «Способ изготовления детекторов терагерцового диапазона», заявка №2014100144/28 от 09.01.2014, опубликовано: 10.04.2015, Бюл. №10]. Картина, полученная на экране 5, фиксируется в виде цифрового изображения и обрабатывается в дальнейшем на компьютере. При наличии внутри объекта 3 дефекта 4, соизмеримого с длиной волны луча 2, она представляет собой упорядоченный набор дифракционных максимумов M_j (на Фиг. 1 обозначены белыми эллипсами в поле темного экрана 5). Среднее расстояние между соседними дифракционными максимумами может быть определено по формуле

,

где Δ_{j, j+1} - расстояние между соседними дифракционными максимумами M_j и M_j+1; j - индекс максимума, где j=0 - индекс центрального дифракционного максимума, j_max - индекс последнего наблюдаемого (наиболее удаленного от центрального) дифракционного максимума.

На Фиг. 2 приведены изображения, зафиксированные на экране 5 в случае исследования объекта без внутренних дефектов (а) и имеющейся внутри него трещиной (б). На Фиг. 2(б) ясно видны дифракционные максимумы, свидетельствующие о наличии внутри исследуемого объекта дефекта его структуры.

На Фиг. 3 приведена зависимость среднего расстояния между соседними дифракционными максимумами, расположенными на оси X, от расстояния между трещиной внутри исследуемого объекта и плоскостью XY экрана 5. Из приведенного графика следует, что с увеличением расстояния L между трещиной и экраном возрастает и среднее расстояние между дифракционными максимумами.

Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что заявляемый метод работоспособен. Он позволяет в автоматическом режиме и с высокой скоростью, без проведения съемки с разных ракурсов и разрушения объекта исследования, не только выявлять наличие скрытого дефекта структуры в объекте, изготовленном по аддитивной технологии, но и оценивать его геометрическое положение. Для реализации метода достаточно источника когерентного излучения с фиксированной длиной волны в диапазоне от 0,1 до 1 мм и экрана, чувствительного к вышеуказанному излучению, с устройством преобразования интенсивности принятого сигнала в цифровой компьютерный формат. Заявляемый способ не требует другого специального дорогостоящего оборудования, прецизионной юстировки и квалифицированного обслуживания.

Дифракционный способ определения внутренних дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии, заключающийся в том, что получают дифракционную картину, наблюдаемую при облучении исследуемого объекта, изготовленного из неметаллического материала по аддитивной технологии, терагерцевым лазером (длина волны λ=0,1-1 мм, частота ν=3⋅10¹¹-3⋅10¹² Гц), причем при наличии внутри объекта скрытых дефектов (трещин, пор и т.п.) в проецируемой на расположенный за исследуемым объектом экран дифракционной картине будут наблюдаться упорядоченные максимумы интенсивности, отличающийся тем, что используют безопасное для человека терагерцевое излучение, длина волны которого соизмерима с размерами дефектов внутренней структуры объекта, а о наличии, размерах и расположении этих дефектов судят по распределению интенсивности дифракционных максимумов I(x_j,y_j)=U(x_j,y_j)U⋅(x_j,y_j) в проецируемой на экран дифракционной картине, где (x_j,y_j) - координаты j-го дифракционного максимума, U(x_j,y_j) - комплексная амплитуда светового сигнала в точке i-го дифракционного максимума, U⋅(x_j,y_j) - комплексно сопряженная с ней величина, амплитуда светового сигнала в дифракционной картине описывается выражением Релея-Зоммерфельда

где U(P₀(x,y)) - комплексная амплитуда излучения в точке P₀ на экране, U(P₁) - комплексная амплитуда излучения в точке P₁ внутри объекта, r - расстояние между точками P₀ и P₁, λ - длина волны излучения, θ - угол между нормалью из точки P₁ к плоскости экрана и вектором r из точки P₀ в точку P₁, i - мнимая единица, S₁ - поверхность, содержащая семейство точек P₁, где наличие дефекта влияет на распределение величины U(P₁).