Podróż do wnętrza materii

Multidyscyplinarne Centrum Badawcze UKSW wzbogaciło się w ostatnim czasie o nowoczesny tomograf komputerowy. Prześwietla on elementy wykonane z dowolnego materiału. Jednocześnie pozwala na precyzyjną, trójwymiarową wizualizację ich wewnętrznej struktury.

Celem Multidyscyplinarnego Centrum Badawczego UKSW, otwartego niedawno w podwarszawskim Dziekanowie Leśnym, jest tworzenie nowych technologii, które znajdą zastosowanie w szeroko rozumianej gospodarce, w tym w przemyśle i ochronie środowiska. Taki jest też cel badań z użyciem tomografu, który od niedawna jest ważną częścią zaplecza naukowo-badawczego MCB.

Spośród innych urządzeń tego typu wyróżnia go wyposażenie w dwie lampy: transmisyjną, umożliwiającą obserwację w mikro skali oraz drugą – odbiciową, odpowiednią dla gabarytów, których waga dochodzi do 50 kg.

Wykryje każdą wadę

– Jak działa tomograf? Najpierw wiązka promieni rentgenowskich prześwietla obiekt obracający się wokół własnej osi. Czas skanowania  trwa do kilku godzin i jest zależny od rozmiarów, grubości i gęstości badanego elementu, a także od spodziewanej dokładności pomiarów – wyjaśnia mgr inż. Michał Ziętala, specjalista ds. technicznych MCB. – Detektor rejestruje następnie obrazy, zaś program komputerowy CT 3D Pro Nikon pozwala na wizualizację kształtu połączoną ze wstępnym opracowaniem modelu 3D z chmury punktów. Służy on do obróbki i analizy docelowego modelu trójwymiarowego obrazu tomograficznego.

Proces ten pozwala nie tylko na wizualizację kształtów i wymiarów obiektu, ale na wykrycie mikropęknięć, zanieczyszczeń, porowatości materiału, z którego wykonana jest badany element. Dzieje się tak niezależnie od materiału z jakiego jest wykonany – czy jest to metal, ceramika, materiały polimerowe, kompozytowe czy biologiczne.

Tomograf umożliwia nie tylko wykrycie wad, ale również ich charakteru i miejsca występowania. Tak różnych jak tych występujących w turbinach silników i w elementach urządzeń elektronicznych, bez rozkładania ich na elementy składowe. Pozwala na wejrzenie w struktury komórkowe – porowate, ażurowe, o budowie plastra miodu. Przy użyciu tomografu prześwietlić można wszystko, dokonać precyzyjnej ekspertyzy bez naruszenia badanej struktury.

Rewolucja w procesie kontroli jakości

Możliwość wglądu w elementy metaliczne czy ceramiczne to rewolucja w procesie kontroli jakości. Nie niszcząc sprawdzanych elementów można je zbadać, postawić diagnozę i dokonać koniecznych zmian. Tomograficzne badanie pozwala zrozumieć dlaczego badany element zbyt wcześnie się zużył, pęka, czy też ulega korozji, jak również wykryć czy materiał ma jednorodną strukturę. Równocześnie można określić w jaki sposób defekt materiału ją osłabił, czy też znaleźć ogniska korozji.

Nie mając dokumentacji technicznej badanego elementu, można stworzyć model trójwymiarowy na potrzeby technologii przyrostowych (tzw. druku 3D) i taką dokumentację opracować. Możliwe jest również zaprojektowanie modelu przestrzennego o zadanych parametrach, wydrukowanie go, a następnie zbadanie jego struktury. W ten sposób można dowiedzieć się czy wydruk modelu spełnia założone przez projekt wymagania i czy został dobrze odwzorowany podczas procesu wytwarzania.

– Nasz tomograf ma szerokie spektrum zastosowań – mówi mgr inż. Ziętala. – Może być również pomocny w badaniu elementów kostnych i implantów np. stawów biodrowych. Jeśli ulegną przedwczesnemu zużyciu, dzięki badaniu tomograficznemu dowiemy się, dlaczego tak się stało. Możemy również dowiedzieć się co kryje się we wnętrzu cennych znalezisk archeologicznych, których nie chcemy ani naruszyć, ani, tym bardziej, uszkodzić.

Pionierskie badania

Ale to nie wszystko. Badania tomograficzne w MCB są niezbędne do prowadzenia badań nad właściwościami metali w ekstremalnych warunkach.

Dowodem na to jest prototyp obiektu, wykonany z opracowanego w MCB stopu tytan-ren, o unikatowej wytrzymałości. Mająca wyjściowo formę proszku, wytworzona na drukarce 3D do metalu, kostka została umieszczona we wnętrzu tomografu i jest poddawana analizie.

– Naszym celem jest opracowanie nowatorskiego składu chemicznego stopów miedzi i srebra, tytanu i renu – mówi ks. dr inż. Marek Muzyk, dyrektor MCB. – możliwość zbadania ich za pomocą tomografu jest przy tym niezbędna. Pierwsze testy, z racji ich doskonałych właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach, wydają się obiecujące. Stopy mogłyby zostać użyte między innymi w lotnictwie, przemyśle rafineryjnym i chemicznym.

UKSW prowadzi badania nad zastosowaniem w przemyśle nowych materiałów projektowanych w MCB we współpracy z krajowymi oraz międzynarodowymi korporacjami i instytutami badawczymi. Badania z użyciem tomografu MCB prowadzi obecnie z Instytutem Techniki Budowlanej, Instytutami Inżynierii Materiałowej i Techniki Uzbrojenia WAT, a także firmami Orlen, PGE i Timet.

Tomograf XTH 225ST2X firmy Nikon. Waga – 4200 kg. Wymiary – 2,41m x 1,27m x 2,2 m. Masa analizowanego elementu nie może przekraczać 50 kg. Maksymalna powierzchnia skanowania – 430 mm x 430 mm. Tomograf wyposażony jest w dwa źródła: odbiciowe i transmisyjne, o odpowiednio maksymalnej mocy 225 W i 20 W. Rozmiar plamki ogniskowej wynosi 3 um przy 7W i 225 um przy 225 W dla lampy odbiciowej oraz 1 um przy 3 W i 20 um przy 20 W, dla lampy transmisyjnej.