Beröringsfri 3D-avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi

1. Beröringsfri 3D-avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi Fredrik Forsberg Avd. för Experimentell mekanik Luleå tekniska universitet

2. Innehåll • Bakgrund till förstudie • 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 • Slutsatser och framtidsutsikt

3. Kort beskrivning av avhandling Bakgrund till förstudie

4. Kort beskrivning av avhandling Bakgrund till förstudie 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.

5. Metodbeskrivning Röntgenbaserad mikrotomografi

6. Röntgenbaserad mikrotomografi Metodbeskrivning Vid 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. Angle of rotation 0˚ 360˚ 180˚

7. Kort beskrivning av avhandling 3D analys av deformationer Bakgrund till förstudie Ursprunglig volym Deformerad volym

8. Beröringsfri 3D-avbildning av pellets med röntgenbaserad mikrotomografi Fredrik Forsberg Avd. för Experimentell mekanik Luleå tekniska universitet

9. Röntgenbaserad mikrotomografi Beskrivning av de system som har använts i denna studie 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) Max. upplösning ~20 µm. Max. upplösning ~2 µm. Namn: “v|tome|x s” / Max. upplösning = 4 µm. Namn: “nanotom” / Max. upplösning ~ 0.5 µm.

10. Avbildning av pellets Tomografisk avbildning av grön torkad pellet. Sfärisk geometri med diameter 4.5 mm. Ø4.5 mm

11. Avbildning av pellets Struktur i mittersta xy-plan. Avbildat med system 1 Upplösning: 25 µm • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

12. Avbildning av pellets Struktur i mittersta xy-plan. Avbildat med system 2 Upplösning: 4.3 µm • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

13. Avbildning av pellets Förstoring av delområde • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

14. Avbildning av pellets Struktur i mittersta xy-plan. Avbildat med system 4 Upplösning: 4 µm • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

15. Avbildning av pellets Förstoring av delområde • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

16. Avbildning av pellets 3D-struktur Avbildat med system 4 Upplösning: 4 µm • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm

22. Avbildning av pellets • Grön pellet – sfäriskt prov, Ø4.5 mm Analys av defekter inuti 3D struktur. Baserat på bilddata från system 4. Upplösning: 4 µm

23. Avbildning av fullstor sintrad pellet Ø13-16 mm

24. Avbildning av pellets Sintrad pellet – fullstor, Ø13-16 mm • Struktur i mittersta xy-planet. • Avbildat med system 3 • Upplösning: 4 µm

25. Avbildning av pellets Sintrad pellet – fullstor, Ø13-16 mm Förstoring av delområde

26. Avbildning av pellets Sintrad pellet – fullstor, Ø13-16 mm 3D-struktur i fullstor pellet Avbildat med system 4 Upplösning: 12 µm

27. Slutsatser och framtidsutsikt

28. Slutsatser och framtidsutsikt • Slutsatser • 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. • Den fullständiga 3D strukturen inuti pelletsen avbildas beröringsfritt. • System 4 (Nanotom) klarar avbildning av såväl mindre labbprover som fullskaliga pellets.

29. Slutsatser och framtidsutsikt Slutsatser (forts.) 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. Den inhomogena och slumpmässiga strukturen i det rekonstruerade 3D datat gör att materialet lämpar sig bra för deformationsanalys med Volymkorrelation.

30. Slutsatser och framtidsutsikt Möjligheter till samarbete

31. Slutsatser och framtidsutsikt Möjligheter till samarbete • 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

32. Slutsatser och framtidsutsikt • Ansökan om finasiellt stöd för inköp av • nytt mikrotomogafisystem. • Siktar på ”Nanotom”-system • Wallenbergstiftelsen • Kempestiftelsen • Förslag...?

33. Tack till ProcessIT Innovations för finasiering av denna förstudie!