Konenäköä pintaa syvemmältä – Materiaalien sisäisten vikojen tutkiminen rikkomatta materiaalia, esimerkkinä aktiivinen termografia

Rikkomaton aineenkoetus (NDT, Non Distructive Testing) on menetelmä, jolla tutkitaan materiaalin sisäisiä vikoja rikkomatta materiaalia.

NDT-tutkimuksia voidaan käyttää valmistavassa teollisuudessa tutkimaan kriittisten rakenteiden virheitä, kuten säröjä, halkeamia, jännityksiä tai muodonmuutoksia. Jos tutkimuksessa käytetään jotain em. menetelmistä, voidaan muodostettuun kuvaan yleensä soveltaa esim. konenäön laadunvalvontatehtävissä käytettäviä  kuvaprosessointi- ja analyysimenetelmiä. Tässä mielessä kysymys on ”konenäöstä pintaa syvemmältä”.

NDT-mittauksessa ilmaisimina voidaan käyttää eri tekniikoihin perustuvia menetelmiä, yleisimpinä ehkä ultraääniantureita, röntgenkameroita, ja - ehkä ei niin itsestäänselvästi – myös termografiakameroita.

Aktiivinen termografia

Aineen sisäisten vikojen löytämiseksi on joskus hyödyllistä destabiloida esineen lämpötilaa jäähdyttämällä tai lämmittämällä. Aineen sisäinen vika näkyy pinnalla lämpötilan häiriönä. Tarkemmin ilmaistuna, mitatun jäähtymis- tai lämpenemisnopeuden paikallisena vaihteluna (muutosnopeus, vaihe). Viat näkyvät siis pinnalta lähtevässä lämpösäteilyssä ja ne on mahdollista mitata termografiakameralla. Tätä kutsutaan ”aktiiviseksi termografiaksi”, ks. kuva 1.

Kuva 1. Passiivinen ja aktiivinen termografia (Infratec GmbH)

Aktiivisessa termografiassa lämpöä syötetään tutkittavaan kohteeseen joko yksittäisinä pulsseina (Pulsed Phase Thermography PPT), tai pulssijonona (Lock-In Thermography, LIT). Vaste mitataan lämpökameralla (amplitudi ja vaihe).  Lämmön syöttämisen menetelmä riippuu sovelluksesta, mutta yleisiä ovat mm. sähkövirta (elektroniikkakomponenttien vianetsintä), lamput tai induktiolämmittimet.

Cheos Oy tuo maahan kameratekniikkaa laajalla spektrialueella, joten sekä röntgen- että termografiakamerat kuuluvat yrityksen tuotevalikoimaan.  Tässä johdannossa ”aktiiviseen termografiaan” sovellusesimerkeissä on käytetty Cheos Oy:n edustamia Infratec -termografiakameroita ja näiden kameroiden Irbis 3 -ohjelmistoa.

Esimerkki aktiivisesta termografiasta

Aktiivinen termografia on tehokas menetelmä materiaalivikojen etsinnässä monilla sovellusalueilla, kuten komposiitti- ja elektroniikkateollisuudessa. Ohessa esitetään esimerkkinä kohde, jossa on sovellettu aktiivista Lock-In termografiaa (LIT), käyttämällä Infratec -lämpökameraa ja IRBIS 3-ohjelmistoa. Lämmönlähteet on synkronoitu kameran kanssa käyttäen Infratec:in kontrolleriyksikköä. Mittauksessa tehdään eristevaahdolla täytetyn rakenneosan homogeenisuuden testaus aktiivisen termografian avulla (LIT menetelmä).

Kuva 2. Testikappale ja kuvausjärjestely (vasen), passiivinen termografiakuva (keskellä), LIT -kuva (oikea/alla). Pinnan alaiset viat näkyvät aktiivisessa termografiakuvassa. 

Kuvassa 2 kappaleen oletettu vika on merkittynä ympyrällä. Kuvaus ja lämmitys tapahtuvat edestä (2 kW halogeenilamppu lämmönlähteenä). Kamerana on Infratec LWIR -kamera VarioCAM HD. Kuvassa on lämpökamerakuva vasemmalla, ja Lock-In faasikuva oikealla. Kuvaus 25 fps, 50 s mittausaika (50% on/off, 0.02 Hz). Kuvaus ja evaluointi tehtiin Infratec IRBIS 3 ohjelmalla (active thermography module). Pintakerroksen alla olevan eristeen epähomogeenisuus nähdään faasikuvassa selvästi.

Aktiivinen termografia elektronikkateollisuuden laadunvalvonnassa

Erityisesti elektroniikkateollisuuden laadunvalvonnassa lämpökamerat ja aktiivinen termografia ovat osoittaneet vahvuutensa. Komponenttien koko ja virrankulutus pienenevät jatkuvasti, jolloin myös tarvittava erottelukyky sekä spatiaaliresoluution, että lämpötilaerojen suhteen on kasvanut. Lämpökameroiden detektorien parantunut mittaustarkkuus yhdessä aktiivisten termografiamenetelmien kanssa mahdollistavat tarvittavan mittaustarkkuuden vikojen etsinnässä.

Kuva 3. Elektroniikan mikrorakennetta. Passiivinen vs. aktiivinen termografia.

Kuvassa 3 demonstroidaan aktiivisen termografian etua passiviseen termografiaan verrattuna. Vasemmassa kuvassa passiivinen termografia – tausta on lämmin, mutta johteen lämpötilaerot eivät näy, koska metallin lämpökapasiteetti ja emissiivisyys ovat alhaisia. Oikeanpuoleisessa kuvassa Lock-In termografia -kuva samasta tilanteesta – tausta on häivytetty ja sähkövirran tuottama lämpö erottuu johteessa.

Infratec:in ohjelmistot on optimoitu toimimaan saumattomasti kameroiden kanssa termografiasovelluksissa. IRBIS 3 termografiaohjelmistossa on laaja valikoima termografiafunktioita sekä passiivisiin- että aktiivisiin termografiamenetelmiin. Ohjelmistosta löytyy mm. elektroniikkapiirilevyjen tarkastukseen räätälöityjä ratkaisuja. Haasteina piirilevyjen termografiamittauksissa on komponenttien suuri määrä, pieni koko, ja ennen kaikkea komponenttien eri materiaalikoostumus (muovit, keramiikka, metallit). Lämpötilojen mittauksessa termografiassa materiaalilla ja pintarakenteella on suuuri merkitys, koska materiaalien emissiivisyys vaihtelee, joten se täytyy huomioida mittauksessa. Jokaisen pikselin emissiivisyys on mahdollista sekä säätää, että mitata IRBIS 3 -ohjelmistossa. Myös muut mittaustarkkuuteen vaikuttavat tekijät voidaan huomioida ja korjata.

Infratec:in automaattisella piirilevyjen testausasemalla E-LIT voidaan automatisoida piirilevyn aktiivinen termografiatarkastus. E-LIT - Automaattinen testausratkaisujärjestelmä mahdollistaa puolijohdemateriaalin kosketuksettoman vikatestauksen valmistusprosessin aikana. Epähomogeeninen lämpötilan jakautuminen ja paikallinen tehonhäviö voidaan mitata Lock-in-termografialla. Mittausprosessin virransyöttö synkronoidaan synkronointimoduulilla ja järjestelmä havaitsee luotettavasti milliKelvin -tasoiset, tai jopa mikroKelvin tasoiset viat.

Kuva 4. E-LIT termografia testauslaitteella detektoitu viallinen piirilevykomponentti.

Kuva 5. LIT -termografiakuva komponentista eri suurennuksilla. Vasemmalla 100 mm teleobjektiivi ja 500 mm loittorengas, pikseliresoluutio 75 um. Keskellä 1X mikroskooppiobjektiivi, pikseliresoluutio 15 um. Oikealla 3X mikroskooppiobjektiivi, pikseliresoluutio 5 um.

---

Cheos Oy tarjoaa kestäviä ja laadukkaita mittauslaitteistoja ja -ratkaisuja asiakkaidensa tarpeisiin mm. tutkimukseen, tuotekehitykseen ja laadunvalvontaan. Sovelluksia on paljon ja näissä voidaan käyttää kamerateknologiaa eri mittakaavoissa, aina mikroskooppisuurennuksista kilometrien etäisyydellä seurattavien kohteiden kuvantamiseen asti.

Cheos edustaa fotoniikan, mikroskopian ja konenäön kärkivalmistajia. Yritys keskittyy valoon ja valotekniikkaan. Mutta myös muut kuin näkyvät säteilyn aallonpituusalueet ovat tärkeä osa valikoimaa aina röntgendetektoreista infrapuna-alueella toimiviin kameroihin asti. Cheos Oy ylläpitää ja kehittää  tuotetarjontaansa aktiivisesti.

www.cheos.fi , Business Park Sinihelmi, Sinimäentie 8 B, 02630 Espoo, +358 20 198 6464, sales@cheos.fi

Kuva Cheos Oy:n showroomista Sinimäentiellä; blogin kirjoittaja Tuomas Friman kuvassa oikealla.