Дифракционный способ определения внутренних дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии
DIFFRACTION METHOD FOR DEFINITION OF INTERNAL DEFECTS OF PRODUCTS IMPLEMENTED BY ADDITIVE TECHNOLOGY

-4
-3
Изобретение относится к неразрушающим способам обнаружения дефектов изделий, выполненных по аддитивной технологии из неметаллических материалов, прозрачных для электромагнитных волн с длинами 10 до 10 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.
11
12
Поставленная цель достигается за счет использования источника монохромного электромагнитного терагерцового излучения (длина волны λ=0,1-1 мм, частота ν=3⋅10-3⋅10 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:
,
0
0
1
1
0
1
1
0
1
1
1
1
1
0
где U(P) - комплексная амплитуда излучения в точке P на экране, U(P) - комплексная амплитуда излучения в точке P внутри объекта, r - расстояние между точками P и P, λ - длина волны излучения, θ - угол между нормалью из точки P к плоскости экрана и вектором r из точки P в точку P, i - мнимая единица, S - поверхность, содержащая семейство точек P. В точках расположения дефектов величина U(P) будет отличаться от величины U(P) в однородной части объекта. Интенсивность электромагнитного сигнала в точке Р связана с комплексной амплитудой соотношением:
,
0
0
где U*(P) - величина, комплексно сопряженная с величиной амплитуды U(P).
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.
0
1
j
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. P - точка на экране 5, в которой регистрируется некоторая интенсивность электромагнитного сигнала. P - 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 (на Фиг. 1 обозначены белыми эллипсами в поле темного экрана 5). Среднее расстояние между соседними дифракционными максимумами может быть определено по формуле
,
j, j+1
j
j+1
max
где Δ - расстояние между соседними дифракционными максимумами M и M; j - индекс максимума, где j=0 - индекс центрального дифракционного максимума, j - 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.