Beröringsfri 3D-avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Beröringsfri 3D-avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi

Fredrik Forsberg

Avd. för Experimentell mekanik

Luleå tekniska universitet

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

1. Bakgrund till förstudie

2. Avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi• Grön torkad pellet - sfäriskt prov med diameter 4.5 mm• Sintrad pellet - fullstor “sfärisk” pellet med diameter 13-16 mm

3. Slutsatser och framtidsutsikt

Innehåll

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Bakgrund till förstudieKort beskrivning av avhandling

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Bakgrund till förstudieKort beskrivning av avhandling

I avhandlingen presenteras en metod för 3D avbildning och analys av inre deformationer i icke-homogena material.

Det undersökta materialet avbildas med Röntgenbaserad mikrotomografi – först i obelastat och sedan i belastat tillstånd.

De två avbildningarna analyseras sedan med en 3D mönster-igenkänningsmetod, kallad Volymkorrelation, vilket resulterar i en 3D karta som beskriver den deformation som uppkommit inuti materialet vid belastningen.

Denna metod ger oss därför en kvantitativ bestämning av hur materialet påverkas av ett visst belastningsfall, i varje punkt inuti provet.

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Metodbeskrivning

Röntgenbaserad mikrotomografi

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

MetodbeskrivningVid en tomografisk avbildning tas ca 1000 röntgenbaserade projektionsbilder i jämn följd medan provet roteras ett varv.

Från dessa projektionsbilder återskapas sedan en strukturell 3D bild av provet med hjälp av en tomografiska rekonstruktionsalgoritm.

Principen är densamma som för klinisk avbildning med datortomografi (skiktröntgen) på sjukhus – fast i mindre skala och med högre upplösning.

Röntgenbaserad mikrotomografi

0˚ 180˚ 360˚

Angle of rotation

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Bakgrund till förstudie

Ursprunglig volym Deformerad volym

Kort beskrivning av avhandling3D analys av deformationer

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Beröringsfri 3D-avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi

Fredrik Forsberg

Avd. för Experimentell mekanik

Luleå tekniska universitet

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

System 1 – Mikrotomografisystem vid LTU

System 2 – Mikrotomografisystem vid Schweiz statliga materialforskningsinstitut, EMPA, Dübendorf, Schweiz.

System 3 – Mikrotomografisystem från Phoenix x-ray / GE (Demo)

System 4 – Nanotomografisystem från Phoenix x-ray / GE (Demo)

Beskrivning av de system som har använts i denna studie

Namn: “v|tome|x s” / Max. upplösning = 4 µm.

Max. upplösning ~20 µm.

Namn: “nanotom” / Max. upplösning ~ 0.5 µm.

Max. upplösning ~2 µm.

Röntgenbaserad mikrotomografi

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Tomografisk avbildning av grön torkad pellet. Sfärisk geometri med diameter 4.5 mm.

Ø4.5 mm

Avbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

Struktur i mittersta xy-plan.Avbildat med system 1Upplösning: 25 µm

Avbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Struktur i mittersta xy-plan.Avbildat med system 2Upplösning: 4.3 µm

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Förstoring av delområde

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Struktur i mittersta xy-plan.Avbildat med system 4Upplösning: 4 µm

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Förstoring av delområde

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

3D-strukturAvbildat med system 4Upplösning: 4 µm

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Analys av defekter inuti 3D struktur.

Baserat på bilddata från system 4.Upplösning: 4 µm

Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Ø13-16 mm

Avbildning av fullstor sintrad pellet

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Struktur i mittersta xy-planet.

Avbildat med system 3

Upplösning: 4 µm

Sintrad pellet – fullstor, Ø13-16 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Förstoring av delområde

Sintrad pellet – fullstor, Ø13-16 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

3D-struktur i fullstor pelletAvbildat med system 4Upplösning: 12 µm

Sintrad pellet – fullstor, Ø13-16 mmAvbildning av pellets

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Slutsatser och framtidsutsikt

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Slutsatser

1. Det är möjligt att göra tomografisk 3D avbildning av pellets med väldigt hög upplösning. Här visas rekonstruerade strukturer med upplösning 4.0 µm – 25 µm. Det är dock möjligt att göra liknande avbildning med upplösning under 1 µm.

2. Den fullständiga 3D strukturen inuti pelletsen avbildas beröringsfritt.

3. System 4 (Nanotom) klarar avbildning av såväl mindre labbprover som fullskaliga pellets.

Slutsatser och framtidsutsikt

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Slutsatser (forts.)

4. Av de fyra avbildningssystem som använts här så ger system 2, 3 och 4 väldigt hög upplösning och kontrast, medan system 1 (vårat eget) ger en begränsad upplösning.

5. Den inhomogena och slumpmässiga strukturen i det rekonstruerade 3D datat gör att materialet lämpar sig bra för deformationsanalys med Volymkorrelation.

Slutsatser och framtidsutsikt

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Möjligheter till samarbete

Slutsatser och framtidsutsikt

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Kemiteknik, TKG, LTU•Jonas Hedlund•Johanne Mouzon (SEM-avbildning)•Iftekhar Uddin Bhuiyan (SEM-avbildning)

Systemteknik, LTU•Matthew Thurley (bildbehandling malmprov)

Strömningslära, TFM, LTU•Staffan Lundström•Anna-Lena Ljung (Sim. av torkn. process)

Hållfasthetslära, TFM, LTU•Hans-Åke Häggblad•Gustaf Gustafsson (Sim. av flöden/yttre påverkan )

FoU, LKAB

Schweiz statliga materialforskningsinstitut, EMPA, Schweiz

Dept. Of Engineering Science, Oxford University, UK

Möjligheter till samarbete

Slutsatser och framtidsutsikt

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Slutsatser och framtidsutsikt

Ansökan om finasiellt stöd för inköp avnytt mikrotomogafisystem.

Siktar på ”Nanotom”-system

•Wallenbergstiftelsen•Kempestiftelsen

•Förslag...?

fredrik.forsberg@ltu.se | 2009-11-25

Tack till ProcessIT Innovationsför finasiering av denna förstudie!