RU2658098C1 - Diffraction method for definition of internal defects of products implemented by additive technology - Google Patents
Diffraction method for definition of internal defects of products implemented by additive technology Download PDFInfo
- Publication number
- RU2658098C1 RU2658098C1 RU2017111766A RU2017111766A RU2658098C1 RU 2658098 C1 RU2658098 C1 RU 2658098C1 RU 2017111766 A RU2017111766 A RU 2017111766A RU 2017111766 A RU2017111766 A RU 2017111766A RU 2658098 C1 RU2658098 C1 RU 2658098C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- defects
- diffraction
- screen
- point
- diffraction pattern
- Prior art date
Links
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 28
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 8
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 8
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 title claims 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 19
- 238000003325 tomography Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to non-destructive methods for detecting defects in products made using additive technology of non-metallic materials transparent to electromagnetic waves with lengths of 10 -4 to 10 -3 meters, and can be used in solving issues of automatic quality control of these products, identifying hidden cracks, pores and other small-sized structural defects. The main limitation of the practical application of parts made by additive technology is the presence of internal defects that form during sintering of technological layers and are a feature of this technology. Ultrasonic monitoring methods are used to detect these defects, however, due to the location of these defects one above the other, this method does not always allow to detect all defects.
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].A known method of x-ray tomography for determining defects in optically opaque media [Weinberg E.I., Klyuev V.V., Kurozaev V.P. Industrial X-ray computational tomography, in the book: Devices for non-destructive testing of materials and products. Handbook, ed. V.V. Klyueva, 2nd ed., Vol. 1, M., 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.The method consists in obtaining x-ray images of the test object from different angles, followed by computer processing to obtain a three-dimensional picture of the internal structure of the material. In the resulting picture, all defects in the internal structure of the material are seen as excellent in color and brightness. The disadvantages of this method include: the need to take several pictures from different angles, which either significantly increases the cost of the equipment used, or requires an increase in the time to search for a defect; the need to use complex software to obtain the desired three-dimensional picture and the significant cost of computing resources; use of a source of ionizing x-ray radiation that is harmful to health.
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.Closest to the proposed method is a method of x-ray tomography [patent RU 2505800 C2. Syryamkin V.I. and others. "Method of x-ray tomography and a device for its implementation", application No. 2012119065/28 of 05/10/2012, published: 01/27/2014, Bull. No. 3], which consists in the fact that the image array of the energy spectrum of x-ray radiation passing through the object is irradiated and perceived, while the image is restored from the shadow projections of the object, then the current and reference integral characteristics of the image of the object are formed, compared and analyzed, the defects of the object are determined and display the results of the analysis of the object.
К недостаткам этого способа можно отнести:The disadvantages of this method include:
1. Использование опасного для здоровья рентгеновского излучения.1. Use of hazardous X-rays.
2. Необходимость вращения объекта по трем взаимно перпендикулярным осям координат.2. The need to rotate the object along three mutually perpendicular coordinate axes.
3. Сложность и высокая стоимость используемого оборудования.3. The complexity and high cost of the equipment used.
Целью настоящего изобретения является устранение этих недостатков.The aim of the present invention is to remedy these disadvantages.
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.The goal is achieved by using a source of monochrome electromagnetic terahertz radiation (wavelength λ = 0.1-1 mm, frequency ν = 3⋅10 11 -3⋅10 12 Hz). Waves of this range freely penetrate most dielectrics, in particular plastic, ceramics, polymers, which are just used in three-dimensional printing (additive technologies). The geometric dimensions of manufacturing defects (cracks, voids, cavities, pores) in the material are comparable in magnitude with the monochrome wavelength passing through the material under study. When an electromagnetic wave interacts with a defect, a diffraction effect arises, similar to the diffraction of optical waves on a slit or diffraction grating. The obtained diffraction pattern is projected onto a screen located behind the object under study and consisting of bolometric cells sensitive to terahertz radiation. The diffraction pattern is read from the screen and converted into a computer image suitable for subsequent analysis. In the process of research, the object remains motionless, shooting is carried out from one angle.
Амплитуда светового сигнала на экране в общем случае описывается выражением Релея-Зоммерфельда:The amplitude of the light signal on the screen in the General case is described by the expression of Rayleigh-Sommerfeld:
, ,
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:where U (P 0 ) is the complex radiation amplitude at point P 0 on the screen, U (P 1 ) is the complex radiation amplitude at point P 1 inside the object, r is the distance between points P 0 and P 1 , λ is the radiation wavelength, θ is the angle between the normal from the point P 1 to the plane of the screen and the vector r from the point P 0 to the point P 1 , i is the imaginary unit, S 1 is the surface containing the family of points P 1 . At the defect location points, the value of U (P 1 ) will differ from the value of U (P 1 ) in the homogeneous part of the object. The intensity of the electromagnetic signal at the point P 0 is connected with the complex amplitude by the ratio:
, ,
где U*(P0) - величина, комплексно сопряженная с величиной амплитуды U(P0).where U * (P 0 ) is the value complex conjugate to the amplitude U (P 0 ).
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.Thus, the magnitude of the complex amplitude and the signal intensity associated with it in the diffraction pattern on the screen will be different depending on whether there is a defect in the object under investigation or not.
Существенными отличиями заявляемого решения являются:Significant differences of the proposed solutions are:
1. «Поставленная цель достигается за счет использования источника монохромного электромагнитного терагерцового излучения». В прототипе использовалось рентгеновское излучение.1. "The goal is achieved through the use of a source of monochrome electromagnetic terahertz radiation." The prototype used x-ray radiation.
2. «При взаимодействии электромагнитной волны с дефектом возникает эффект дифракции, аналогичный дифракции оптических волн». В прототипе для выявления дефектов используются теневые проекции объекта.2. "When an electromagnetic wave interacts with a defect, a diffraction effect arises similar to the diffraction of optical waves." In the prototype, shadow projections of an object are used to identify defects.
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.3. "The diffraction pattern is read from the screen and converted into a computer image suitable for subsequent analysis." In the prototype, shadow projections form, compare and analyze the current and reference integrated characteristics of the image of the object.
4. «В процессе исследования объект остается неподвижным». В прототипе осуществлялось вращение и смещение объекта по трем взаимно перпендикулярным осям системы координат.4. "In the process of research, the object remains motionless." In the prototype, the object was rotated and displaced along three mutually perpendicular axes of the coordinate system.
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 Mj (на Фиг. 1 обозначены белыми эллипсами в поле темного экрана 5). Среднее расстояние между соседними дифракционными максимумами может быть определено по формулеFIG. 1 explains the essence of the proposed method. The source of coherent terahertz radiation 1 (terahertz laser) shines through the
, ,
где Δj, j+1 - расстояние между соседними дифракционными максимумами Mj и Mj+1; j - индекс максимума, где j=0 - индекс центрального дифракционного максимума, jmax - индекс последнего наблюдаемого (наиболее удаленного от центрального) дифракционного максимума.where Δ j, j + 1 is the distance between adjacent diffraction maxima M j and M j + 1 ; j is the maximum index, where j = 0 is the index of the central diffraction maximum, j max is the index of the last observed (farthest from the central) diffraction maximum.
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.In FIG. 2 shows the images captured on
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.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the average distance between neighboring diffraction maxima located on the X axis on the distance between the crack inside the object under study and the XY plane of
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.The experimental data indicate that the inventive method is workable. It allows in automatic mode and at high speed, without taking pictures from different angles and destroying the object of study, not only to detect the presence of a hidden structural defect in the object made using additive technology, but also to evaluate its geometric position. To implement the method, a coherent radiation source with a fixed wavelength in the range from 0.1 to 1 mm and a screen sensitive to the above radiation with a device for converting the received signal intensity to a digital computer format are sufficient. The inventive method does not require other special expensive equipment, precision alignment and qualified service.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017111766A RU2658098C1 (en) | 2017-04-06 | 2017-04-06 | Diffraction method for definition of internal defects of products implemented by additive technology |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017111766A RU2658098C1 (en) | 2017-04-06 | 2017-04-06 | Diffraction method for definition of internal defects of products implemented by additive technology |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2658098C1 true RU2658098C1 (en) | 2018-06-19 |
Family
ID=62620290
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017111766A RU2658098C1 (en) | 2017-04-06 | 2017-04-06 | Diffraction method for definition of internal defects of products implemented by additive technology |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2658098C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001059439A1 (en) * | 2000-02-11 | 2001-08-16 | Muradin Abubekirovich Kumakhov | Method for obtaining a picture of the internal structure of an object using x-ray radiation and device for the implementation thereof |
EP0727671B1 (en) * | 1995-02-15 | 2003-09-24 | AT&T Corp. | Method and apparatus for terahertz imaging |
US20070138392A1 (en) * | 2003-08-22 | 2007-06-21 | Cole Bryan E | Method and apparatus for investigating a sample |
RU2505800C2 (en) * | 2012-05-10 | 2014-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Method for x-ray tomography and apparatus for realising said method |
-
2017
- 2017-04-06 RU RU2017111766A patent/RU2658098C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0727671B1 (en) * | 1995-02-15 | 2003-09-24 | AT&T Corp. | Method and apparatus for terahertz imaging |
WO2001059439A1 (en) * | 2000-02-11 | 2001-08-16 | Muradin Abubekirovich Kumakhov | Method for obtaining a picture of the internal structure of an object using x-ray radiation and device for the implementation thereof |
US20070138392A1 (en) * | 2003-08-22 | 2007-06-21 | Cole Bryan E | Method and apparatus for investigating a sample |
RU2505800C2 (en) * | 2012-05-10 | 2014-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Method for x-ray tomography and apparatus for realising said method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | Non-destructive investigation of paintings on canvas by continuous wave terahertz imaging and flash thermography | |
Ahi et al. | Quality control and authentication of packaged integrated circuits using enhanced-spatial-resolution terahertz time-domain spectroscopy and imaging | |
KR102479862B1 (en) | Particle Analysis Method | |
Guillet et al. | Review of terahertz tomography techniques | |
US7119339B2 (en) | Transmission mode terahertz computed tomography | |
Zhang | Three-dimensional terahertz wave imaging | |
JP2002098634A (en) | Electrical characteristic evaluation apparatus and method for semiconductor | |
JPWO2006085403A1 (en) | Real-time terahertz tomography equipment and spectroscopic imaging equipment | |
CN109186759B (en) | Grating spectrometer image quality measuring method and device | |
Brahm et al. | Optical effects at projection measurements for terahertz tomography | |
WO2016016663A2 (en) | System for non-destructive detection of internal defects | |
Koshti | Assessing visual and system flaw detectability in nondestructive evaluation | |
Glinz et al. | Non-destructive characterisation of out-of-plane fibre waviness in carbon fibre reinforced polymers by X-ray dark-field radiography | |
RU2522775C1 (en) | Method for passive location of edges of metal rectangular parallelepiped in infrared radiation | |
Thiel et al. | Localization of subsurface defects in uncoated aluminum with structured heating using high-power VCSEL laser arrays | |
RU2658098C1 (en) | Diffraction method for definition of internal defects of products implemented by additive technology | |
Belkacemi et al. | Nondestructive testing based on scanning-from-heating approach: application to nonthrough defect detection and fiber orientation assessment | |
US20190025231A1 (en) | A method of detection of defects in materials with internal directional structure and a device for performance of the method | |
Zhakupov et al. | Detection of hidden images based on contrast of intensity distribution of terahertz radiation | |
Wang et al. | Effects of diffuse and specular reflections on detecting embedded defects of foams with a bifocal active imaging system at 0.22 THz | |
KR102623992B1 (en) | Tomography apparatus for high-speed scanning | |
Báez-Chorro et al. | Accurate beam profile characterization in THz transmission imaging systems | |
KR101185786B1 (en) | X-ray microscopy system for tomography | |
JP5682952B2 (en) | Wood inspection apparatus and wood inspection method | |
Chen et al. | In-situ volumetric topography of IC chips for defect detection using infrared confocal measurement with active structured light |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190407 |