Vihreän siirtymän materiaaliratkaisut – ViSiMa toimintamalli : Kappaleen sisäisten vikojen selvittäminen 20.8.2025 v1.2 TS.

Toimintamalli kappaleen sisäisten vikojen selvittämiseksi

Tämä toimintamalli kuvailee kappaleen sisäisen rakenteen selvittämistä, kun tavoitteena on selvittää materiaalissa olevia rakennevirheitä. Toimintamallia on tarkoitus soveltaa tarpeen mukaan. Eri tutkimusmenetelmiä mainitaan lyhyesti luettelona ja kaaviona, mutta syvällisempänä näkökulmana on röntgentomografia. Toimintamallin yksityiskohtainen sisältö voi kuulua myös käyttöohjeiden tai menetelmäohjeiden piiriin.

Tämä toimintamalli koostuu seuraavista osista:

• Yleistä sisäisten vikojen selvittämisestä
  • Tutkimusmenetelmiä
  • Menetelmän valintakaavio
• Yleistä röntgentomografiatutkimuksista
  • Datan hyödyntäminen
  • Rakenneanalyysin työnkulku
• Röntgentomografisen näytteen tutkimisen toimintalista
  • Suunnittelu: taustakartoitus, näytevalinta, menetelmäohjeet
  • Kuvantaminen tai datanhankinta: näyteasemointi ja laiteasetukset
  • Analysointi: datamuokkaukset ja ohjelmistoasetukset
  • Raportointi, tulosten visualisointi ja jatkotoimet.

Toimintamallista riippumatta on luonnollisesti noudatettava myös hyvää tieteellistä käytäntöä: https://tenk.fi/fi/hyva-tieteellinen-kaytanto-htk

Yleistä sisäisten vikojen selvittämisestä

Yleisesti kappaleen tyyppi ja koko rajaavat mahdollisuuksia tutkia sen sisäistä rakennetta. Kappale voi olla a) pieni ja helposti irrotettavissa ja siirrettävissä, b) osa jotakin suurta kokonaisuutta, josta sitä ei voi irrottaa, tai c) itse niin suuri, ettei sitä voi siirtää tai se ei sovi tietyllä tutkimuslaitteella tutkittavaksi. Lisäksi tutkimusmenetelmä ja laitteisto määräävät millaisia ja minkä kokoisia rakennevirheitä voidaan havaita. Voidaan pitää lähtökohtana, että erotuskyky on parhaimmillaan 3-4x kuvan pikselikoko. Esimerkiksi kun tomografiakuvan pikselikoko on 5 mikrometriä (millimetrin tuhannesosaa), erotuskyky on näille kuville 15-20 mikrometriä.

Paras tapa analysoida mittaukset ja havainnot on käydä tulosdata läpi yhtä aikaa datantuottajan ja näytteiden asiantuntijan kanssa. Samalla varmistetaan, että käytetään oikeita termejä, nimikkeitä ja tunnuksia erityisesti loppukäyttäjän näkökulmasta katsoen.

Virhetyyppejä ja selvitettäviä vikojen piirteitä voivat olla esim.

• Geometriset muodonmuutokset, aaltomaisuus, lommot
• Kulumat, naarmut
• Hapettuma, kalkkeutuma, ruoste tms. korroosio
• Säröt, halkeamat ja murtumat tai kerroshalkeilu. Nämä johtuvat monesti suurista lämpötilaeroista, sulamisalueesta, vajaasta sulamisesta, raerakenteesta, tai lämpölaajenemisesta.
• Huokoskoko, huokosen paikka ja huokoskokojakauma. Huokonen : useimmiten epäsäännöllisen muotoinen materiaalista tyhjä tila tai kaasuontelo. Joillakin aloilla huokonen tarkoittaa vähemmän tiheää mateliaalikohtaa.
• Sulkeumat, tiivistymät ja vierasmateriaalit
• Materiaalikoostumuksen vaihtelu
• Kaasukuplat : koko, lukumäärä, muoto ja sijainti vaikuttavat mekaanisiin ominaisuuksiin. Usein pinnan lähellä olevat kuplat vaikuttavat mekaanisiin ominaisuuksiin enemmän kuin syvällä kappaleen sisällä olevat kuplat.
• Ontelot
• Pinnankarheus : Esimerkiksi 3D-tulostuksessa tulostuspinnan huono laatu jättää mm. huokosia seuraavan tulostuskerroksen alle.
• Roiskeet
• Palloontumat : sula metalli muuttuu haulimaisiksi palloiksi pintajännityksen vuoksi.
• Sirpaleet
• Väärässä paikassa oleva kappale
• Värivaihtelu tai värivirhe

Tutkimusmenetelmiä

Tutkimusmenetelmän valinnan lähtökohtana on tarkoitus: mitä halutaan selvittää. Monesti mitä kattavampi analyysi halutaan sen useampia menetelmiä pitää käyttää. Kappaleen vikoja voidaan yleisesti tutkia mm. rikkomattomilla menetelmillä (NDT, non-destructive testing). Seuraavassa on lueteltu testausmenetelmiä ja niiden lyhenteitä englanninkielisine vastineineen.

1. Akustinen emissio (AE), (AT = Acoustic emission testing). Havaitsee tarkasti materiaalivaurioita, vaatii osaavaa datantulkintaa. Voidaan mitata kuormitetun materiaalin vaurioitumisesta aiheutuvia signaaleita.
2. FTIR (Fourier Transform InfraRed spectroscopy) ja Raman-spektroskopia; materiaalin kemiallinen koostumus pinnasta.
3. Maatutkaus, Ground penetrating radar (GPR); Spectral analysis of surface waves (SASW).
4. Kosketusmittaus tai koetinmittaus; geometriset tarkkuusmittaukset ja pinnankarheus.
5. Kromatografia; nesteen tai haihtuvan kaasun kemiallinen koostumus. Massaspektrometriaan yhdistettynä myös alkuaineet.
6. Laser testing (LM). Laserholografia, kappaleen korkeataajuisen värähtelyjen havainnointi sisäisten epäsäännöllisyyksien arvioimiseksi. Laser shearografia, interferometriaan perustuva kuormittamattoman ja kuormitetun kappaleen pintakuvioiden vertailumenetelmä sisäisten epäsäännöllisyyksien arvioimiseksi, havaintosyvyys jopa 40 mm. Laserprofilometria.
7. LiDaR (laser imaging, detection, and ranging) mittalaite voi olla myös liikkuvassa laitteessa (esim. drone). Menetelmä on tarkoitettu suurille kappaleille tai rakennelmille: tuulivoimalan laippa, putkilinja, tunneli, pato tms. LiDaRilla saadaan geometrisia mittoja ja karkea materiaalitunnistus.
8. Lämpökameratarkastus (TT = Thermal testing); Infrapunatarkastus (IR = Infrared testing). Pintalämpötila saadaan pistemäisenä tai kuvana, mutta paikkaerotuskyky voi olla vaatimaton.
9. Magneettijauhetarkastus (MT = Magnetic particle testing); vuomagnetointimenetelmä (MFL = Magnetic flux testing). Tarkka ferromagneettisten materiaalien pintavirheiden havaitsemisessa.
10. Mekaaniset testit rasittavat tutkittavaa kappaletta, tai jopa rikkovat tutkittavan kappaleen.
    1. Kovuusmittaus, Iskusitkeys
    1. Vetolujuus, Puristuskestävyys, Taivutuslujuus, Kiertolujuus
    1. Syklinen väsytyskestävyys
11. Mikroaaltotestaus (MW = Microwave testing); mikroaaltojen heijastumisen tai läpäisyn hyödyntäminen lähinnä eristemateriaalien sisäisen rakenteen arvioimisessa.
12. Neutroniradiografia (NR = Neutron radiographic testing); erityisesti vetypitoisten materiaalien (esim. korroosiotuotteet, vesi, muovit) havainnointi metallirakennelmien sisältä.
13. Optinen mittaus; geometriset tarkkuusmittaukset ja pinnankarheuden arviointi.
14. Painetarkastus; neste- tai kaasusäiliön eheyden, painelujuuden ja vuototiiviyden testaaminen.
15. Pyörrevirtatarkastus (ET = Eddy current testing), magneettivuo. Käytetään johtavien materiaalien epäjatkuvuuskohtien havaitsemiseen. Herkkä johtavuusvaihteluille ja materiaalin epäsäännöllisyyksille.
16. Radiografinen tarkastus (RT = Radiographic testing); radioskopia, filmi- ja digitaalitekniikka sekä filmien ja digitaalikuvien tulkinta. Sopii kaikille materiaaleille (paitsi Pb).
17. Röntgentomografia (XRM = X-ray microscopy). Yksi käytetyimmistä NDT-tekniikoista, luotettava ja helposti tulkittavissa. Havaitsee (liki) kaikentyyppiset virheet sekä pinnalta että materiaalin sisältä, jos säteilyn läpäisevyys on sopiva. Tilavuuspikselin harmaasävyn numeroarvo on verrannollinen materiaalin tiheyteen, mutta kuvahäiriöt on huomioitava. Virheiden erotuskyky on parhaimmillaan 3-4 pikseliä tai vokselia.
18. Röntgenspektrikuvaus antaa alkuaineet Z > ₄₃Tc ja niiden sijainnin 3D-kappaleessa.
19. Silmämääräinen tarkastus (VT = Visual testing); Valomikroskopia ja (valo)kuvaus; Koneoppiminen tulostuskappaleiden (valo)kuvista, konenäkösovellukset tulostettaessa tai pintatutkimuksessa. Havaittavissa vain pinnassa näkyvät virheet.
20. Spektroskopia, aineen säteilemän, heijastuneen, läpäisseen tai imeytyneen sähkömagneettisen säteilyn avulla tehtävä alkuainekoostumusanalyysi.
21. Sähköinen impedanssitomografia (EIT = Electrical Impedance Tomography). Eri taajuisten vaihtovirtojen kulkuvastuksen havainnointi (jännite, virta ja näiden vaihe-ero) kappaleen sisäisen rakenteen selvittämiseksi. Vaatii osaavaa datanlaskentaa. Voidaan soveltaa eri kokoisiin kappaleisiin ja maaperään. Aikaerotuskyky on huomattavasti parempi kuin paikkaerotuskyky esim. röntgentomografiaan verrattuna.
22. Tunkeumanestetarkastus (PT = Liquid Penetrant testing). Vahvistaa pinnassa näkyvien virheiden havaitsemista, tutkittavan pinnan puhdistaminen erittäin tärkeää.
23. Ultraäänitarkastus (UT = Ultrasonic testing); kulkuaikatekniikka (TOFD = Time-of-flight diffraction), vaiheistettu ultraäänitekniikka (PAUT = Phased array ultrasonic testing); Ultrasonic pulse velocity (UPV); Ultrasonic pulse echo (UPE); Advanced ultrasonic testing (AUT). Yksi käytetyimmistä NDT-tekniikoista, sopii lähes kaikille materiaaleille, nopea, havaittava virhekoko vähintään puoli aallonpituutta. Pääsy kappaleen pinnalle yhdestä suunnasta riittää, mutta pinnankarheus voi vaikuttaa tuloksiin. Guided wave (GW). Matalataajuisen ultraäänisignaalin kulkuaikaa ja amplitudia putkessa tai palkissa havainnoidaan rakennevirheiden paikan ja koon arvioimiseksi.
24. Venymäliuskatarkastus (ST), sovelluksena mm. rakenteen käytönaikaisten rasitusten määrittäminen.
25. Vuototarkastus (LT = Leak testing) tai vuototestaus; painemenetelmä (Pressure method), merkkikaasumenetelmä (Tracer gas method). Neste- tai kaasusäiliön eheys, painelujuus ja vuototiiviys selvitetään painetestillä tai merkkikaasulla.
26. Värähtelytarkastus (VA = Vibration analysis) tai värähtelyanalyysi; koneen, laitteen tai kappaleen värähtelyjen tarkastelu, erityisesti pyörivien laitteiden vaurioiden ennakoinnissa. Vanhin laitetarkastelumenetelmä.
27. XRF, röntgenfluoresenssi; alkuainepitoisuudet kiinteästä tai nestemäisest näytteestä.
28. XPS, röntgenfotoelektronispektroskopia (X-ray Photoelectron Spectroscopy); pienten ja kiinteiden materiaalien pinnasta alkuaineiden ja kemiallisten sidosten määrittämiseen käytetty menetelmä, joka on toiselta nimeltään ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis).
29. XRD, röntgendiffraktio (X-ray diffraction); pienten ja kiinteiden materiaalien kidesuunnat ja kiderakenne.

Menetelmän valintakaavio

Kappaleen sisäisten vikojen tutkimusmenetelmän valintaan vaikuttaa merkittävimmin se, voiko kappaletta rikkoa vai pitääkö sen säilyä sellaisenaan ja olla käyttökelpoinen tutkimuksen jälkeenkin. Tarkoitus pitää olla tutkimuksen perustana, esimerkiksi mikrorakenneanalyysi, kovuustestaus, hitsitutkimus, venytystesti, vaurioanalyysi, lämpöanalyysi, pinta-analyysi tai kemiallinen analyysi. Ilmentymän tai ilmiasun syylle on useimmiten jonkinlainen arvio, jonka perusteella lähdetään tarkentamaan tutkimuksien tarpeellisuutta ja tutkimusmenetelmien valintaa. Tutkimus tuottaa dataa, mikä pitää myös osata tulkita tarkoitusta palvelevalla tavalla.

Yleistä röntgentomografiatutkimuksista

Tavallisella röntgentomografialaitteella voidaan kuvata kappaleita, joiden koko on luokkaa 1 mm – 25 cm, eli noin muurahaisen pää – koripallo. Erikoistuneemmilla laitteilla näytekoko voi olla reippaasti pienempi kuin millimetri, tai toisaalta esimerkiksi auton kokoluokkaa. Materiaalia ei voi ilman taustatietoa kuvausdatasta tunnistaa, ja kuvattujen kappaleiden mitat ja piirteet määritetään röntgenvaimennuksen pohjalta lasketusta tilavuuspikselien harmaasävytiedosta. Erilaisten kuvahäiriöiden vaikutus analysointiin ja tulosten tulkintaan pitää tarvittaessa ottaa huomioon.

Röntgentomografialaite on pidettävä kunnossa, kalibroitava, ja tutkimushenkilöiden on oltava päteviä käyttämään tutkimusmenetelmää, jotta saadaan luotettavia tuloksia. Sekä laitteiden toimintavaatimukset että henkilöstön pätevyysvaatimukset on myös standardoitu. Henkilöiden koulutus ja ammattitaito voidaan todeta esimerkiksi standardin mukaisesti sertifioimalla, tai hyväksymällä muutoin saatu koulutus ja käytännön tuoma kokemus riittäväksi.

Lähtökohtana tavoitteelliselle röntgentomografiatutkimukselle ovat etsittävien piirteiden koko ja tyyppi, mitkä määräävät perustan näytteille ja laiteasetuksille tai jopa laitevalinnalle. Tehtävän vaatimukset rajaavat tarvittavaa erotuskykyä, tilavuuspikselin kokoa ja kuvanlaatua, sekä analysointivalintoja. Useimmiten kappale ei tarvitse kuvausta varten erityisiä valmistelujakaan, paitsi sen, että kappale pysyy liikkumattomana, eikä siitä putoa tai haihdu kuvauskammioon mitään kuvauksen aikana.

Yleisesti röntgentomografiassa kuvan laatu määräytyy erotuskyvyn, kohinan ja kuvahäiriöiden yhteisvaikutuksesta, kun säteilyn läpäisy on riittävä. Kiihdytysjännitteen, suodattimen ja filamenttivirran avulla rajataan detektorin dynamiikan sallima sävyjakauma niin, että saadaan mahdollisimman leveä käyttökelpoinen histogrammi käytettäväksi kuvalaskentaa varten. On huomioitava, ettei suodattimella rajaa vähiten vaimentavia osia näkymättömiin tarkoituksettomasti, ja toisaalta läpäisyn pitää olla riittävä eniten vaimentaville osille.

Datan hyödyntäminen

Röntgentomografiadatan avulla voi esimerkiksi:

• visualisoida kappaleen sisärakenteen
• visualisoida sisäiset materiaalivirheet (esimerkiksi huokoskasaumat tai vuotokanavat) sekä määrittää materiaalivirheiden suhteelliset paikkakoordinaatit kappaleessa
• tarkastella leikekuvatasoja mistä suunnasta tahansa
• tehdä geometrisia mittauksia kappaleesta
• verrata kuvattua kappaletta CAD-malliin
• määrittää tilavuuksia ja pinnan aloja
• muodostaa kuvatusta kappaleesta stl-tiedoston 3D-tulostusta varten.

Rakenneanalyysin työnkulku

Röntgentomografisen näytteen tutkimisen toimintalista

Toimintalistaa on tarkoitus soveltaa tai tarkentaa tarpeen mukaan. Asiakas voi olla tuttu ja tutkimus rutiininomainen, jolloin lähes kaikki alakohdat voivat olla jo valmiiksi määritettyjä ja vain aikataulun ja raportoinnin yksityiskohdissa voi olla tarkentamisen tarvetta. Uuden asiakkaan tai näytetyypin tapauksessa voi olla tarpeen käydä kaikki alla mainitut seikat jollakin tarkkuudella läpi ja dokumentoida ne.

Seuraavassa luettelossa on kirjattu röntgentomografiatutkimukseen liittyviä dokumentoitavia seikkoja. Toimintojen ja havaintojen dokumentointi on tehtävä heti.

Suunnittelu

1. Asiakkaan yhteydenotto : yhteystietojen tallentaminen ja tapaamisen sopiminen
2. Tapaaminen : tutkimuksen tarkoitus, yhteyshenkilöt, alustava aikataulu sekä kustannusrakenne
3. Taustakartoitus
   • Miten näyte on tehty, tuotantovaihe (raaka-aine, tuotantolinjalla, valmis tuote tms.)
   • Millaisia ja minkä kokoisia viat tavallisesti ovat
   • Merkityksellisten vikojen koko
   • Tarkastelun tarkoitus, kohdat ja arviointiperusteet
   • Tutkimusmenetelmän valinta
   • Tutkimus- ja apuvälineet
   • Merkintä, kuvat tai muu vian dokumentointi
   • Tulosten raportointitarkkuus, suureet, kuvailu, visualisointi
   • Valmiin lomakkeen, menettelytavan tai standardin käyttötarve
4. Tutkimusmenetelmä
   • Standardoitu menetelmä (yksilöity)
   • Ei-standardoidun menetelmän laatuhyväksyntä
   • Henkilöstön pätevyys menetelmälle ja osa-alueelle
   • Tutkimuksen tarkoitus
   • Tutkimusohjeet
   • Laitekalibrointi
   • Näytevalmistelun tarve, käyttöturvallisuus ja kontaminaatiosuojaus
5. Näytevalinta
   • Soveltuvuus, edustavuus, lukumäärä
   • Yksilötunnisteet, materiaali, mitat ja rakenne (kuvailu, piirros, CAD-tiedosto)
   • Vertailukappale
   • Näytteen kiinnittäminen näytepöydälle

Kuvantaminen

1. Kuvantaminen
   • Laitteen yksilöivä tieto, lisälaitteet, laitetyyppi
   • Näyteasemointi
     • kuva, piirros tai kuvailu näytteen paikasta, koosta ja suunnista
   • Kuvantamisasetukset (laitekohtaiset yksityiskohdat), esimerkkinä röntgentomografialaite
     • laiteohjausohjelma ja ohjelmaversio
     • kohtio ja detektori
     • kuvaustyyppi (sylinteri, helical, vajaakulma, kallistettu)
     • kiihdytysjännite (kV) riittävän läpäisyn aikaansaamiseksi, virta (µA) ja sopiva säteilyteho (W)
     • suodatin ja suodattimen paksuus (Al, Cu, Ag, Sn)
     • detektorivahvistus (dB)
     • riittävä valotusaika (ms)
     • kuvan kirkkausnormalisointi (päällä/ei, flux normalization)
     • sopiva pikselikoko (µm) tai leikepaksuus, geometrinen suurennos (kiinnittää näytepöydän paikan)
     • riittävä projektiolukumäärä
     • kuvakeskiarvoistus
     • datan nimike tai tunniste
2. Kuvalaskennan asetukset
   • kuvalaskentaohjelma ja ohjelmaversio
   • säteilykovenemakorjaus (beam hardening)
   • kuvasuodatukset
   • harmaasävyrajaus tai kalibrointi
   • vokselikoko (tilavuuspikseli, µm)
   • tilavuusrajaus (ROI/VOI – region/volume of interest)
   • kuvatyyppi (vgl, tiff, bmp, jpg, png, DICOM)
   • muut asetukset

Analysointi

1. Analysointi
   • analysointiohjelma ja versio
   • analysointialue, 2D tai 3D-analyysit
   • analysoitavat suureet (huokoset-tiivistymät, vaahto-pulveri, kuitusuunnat) ja mittaukset
   • datamuokkaukset tai suodatukset, kuvamuokkaukset
   • analysointilaskennat ja laskenta-asetukset, erikoiskoodit tai funktiot
   • kuvahäiriöiden vaikutus analysointiin
2. Visualisointi
   • kuvat ja kuvamuokkaukset, segmentointirajat
   • käyrät, kaaviot, piirrokset, taulukot
   • 3D-tiedostot
   • videot

Raportointi ja jatkotoimet

1. Raportointi ja datan toimitus asiakkaalle
2. Asiakaspalaveri : tulosten läpikäyminen, palaute
3. Näytteiden säilyttäminen, palauttaminen asiakkaalle tai hävittäminen
4. Datan säilyttäminen ja käyttäminen esimerkiksi opetuksessa ja julkaisemisessa
5. Asiakkaan laskuttaminen
6. Jatkotoimenpiteet : tutkimuksen sulkeminen, jatkojalostaminen tai jatkaminen