Uncategorized

Fotolitograafia loob teraste rebimiseks mustreid

Materjali omaduste uurimise eesmärk laevaehituses on välja selgitada materjali sobivus laevakonstruktsioonidesse. Professor Mihkel Kõrgesaare projektis „Arvutusmudel uudsete kokkupõrkekindlate laevakonstruktsioonide arendamiseks“ on olulisel kohal terase plastsete mehaaniliste omaduste määramine. Lihtsustatult: terase purunemist uuritakse esmalt katseliselt, selgunud seaduspärasuste põhjal koostatakse vastav arvutusmudel. Tulevikus saabki sobiva terase valida ainult arvutuste põhjal. Katsete läbiviimiseks kasutatakse ülitäpset meetodit – fotolitograafiat.

Laevade projekteerimisel arvestatakse peamiselt terase elastseid omadusi (elastsusmoodul ja voolepiir). Siiski on sageli oluline teada ka seda, kuidas teras plastses olukorras käitub ning millal materjal puruneb. Materjali purunemist kirjeldavat infot kasutatakse näiteks selliste tööstusprotsesside simulatsioonides, kus materjalide purunemist esineda võib (nt vormimine).

Laevakonstruktsioonide analüüsil kasutatakse purunemise infot piirkoormuste hindamisel. Piirkoormuse all mõistetakse konstruktsiooni maksimaalset võimet kanda koormust. Piirkoormuse ületamisel ei täida konstruktsioon või selle element deformeerumise tõttu enam ettenähtud funktsiooni.

Arvutisimulatsiooni abil (lõplike elementide meetod, LEM) võib ennustada materjali käitumist suurtel deformatsioonidel ja seeläbi ennetada materjali purunemist ilma vastavat katset päriselt sooritamata. See omakorda võimaldab tööstusel langetada tootearenduskulusid ja lõpptoote omahinda.

Teras deformeerub, siis puruneb

Metalliliste materjalide purunemisele eelneb deformatsiooni lokaliseerumine seal, kus leidub mikropragusid või defekte. Alltoodud animatsioonis väljendub deformatsiooni lokaliseerumine katsekeha laiuse vähenemises ja enne katsekeha purunemist väljajoonistuvates kollastes deformatsioonikontuurides. Neid lokaalseid deformatsioone kasutatakse indikaatorina hindamaks, millise hetkeni võime materjali koormata purunemist vältides.

Kokkupõrkekindlate laevakonstruktsioonide projektis uuritakse teraste lokaalsed deformatsioone ning purunemist erinevates koormusolukordades. Koormusolukordade varieerimiseks kasutatakse erineva kujuga terasplaatide tõmbekatseid. Terasest katsekeha asetatakse materjalilaboris tõmbeteimi ehk seadmesse, mis suudab terasdetaili puruks rebida.

Erikujulised terasplaadid tõmbekatseteks
Deformatsiooni hinnatakse mustrinihke abil piksliruudustikus

Lokaalseid deformatsioone saab hinnata DIC (digital image correlation) süsteemi abil. Süsteemi rakendamiseks kantakse katsekehale kontrastne muster. Katsekeha filmitakse tõmbekatsel,  ühe või kahe kaameraga, et luua katse kulgemisest vastavalt kahe- või kolmemõõtmeline pilt. DIC tarkvara tuvastab mustris olevad täpid (speckle). Katse jooksul tehakse väga suure kaadrisagedusega pilte ja jälgitakse deformeeruvat mustrit katsekeha pinnal. Iga katse jooksul tehtud pilt vastab erinevale staatilisele koormusele. Iga tehtud pilti võrreldakse eelmisega, et jälgida mustri nihkumist. Kuna pilt on eelnevalt jagatud kindlaks arvuks piksliteks ja on teada mustritäppide esialgne asend piksliruudustikus, saab piltide võrdluse tulemusel leida lokaalse deformatsiooni.

DIC süsteemis sõltub mõõtmistulemuste korrektsus olulisel määral mustri suurusest ja ühtlusest.

Katsekeha on kaetud kahe värvikihiga. Aluskiht on valge, see on kalibreeritud värvipüstolit kasutades omakorda stohhastiliselt musta värviga kaetud. Kalibreerimisega saame kontrollida mustritäpi suurusjärku katsekeha pinnal, ent antud meetod ei taga täiesti ühtlast mustrit, mille tõttu on ka deformatsioonide mõõtmised ebatäpsed.

Sageli kantakse mõõtmuster katsekehale aerosoolvärviga. Ülalnäidatud katsel kasutati mustri pealekandmiseks värvipüstolit, kusjuures püstol oli antud katseks spetsiaalselt kalibreeritud. See meetod aga ei taga fikseeritud täpi suurust ja värvi ühtlast jaotumist katsekeha pinnal, mis tähendab, et selliselt loodud mustri põhjal ei saa DIC süsteemis deformatsioone määrata või mõõtmistulemused on ebatäpsed.

Fotolitograafia kopeerib UV-kiirgusega mustreid

Väikelaevaehituse kompetentsikeskuse materjalilaboris on DIC süsteemi rakendamiseks väljaarendamisel fotolitograafial põhinev meetod, kus kindlate parameetritega muster katsekehale UV-kiirgusega kopeeritakse. Kasutatav muster töötati välja Aalto Ülikoolis Soomes ning on mõeldud just DIC analüüsides kasutamiseks.

Esmalt kantakse katsekehale UV-fotoresist (UV-kiirguses kõvenev värv). Seejärel kuvatakse soovitud muster katsekeha pinnale UV-kiirgusega. Mustri kuvamiseks kasutatakse arvutiga ühendatud LCD ekraani, millel on UV-valgusallikas. Ekraani kasutamine muudab süsteemi paindlikuks – mustri muutmine ei nõua templi, maatriksi vms uuesti valmistamist.

Kui fotoresistiga kaetud pinda on mõnda aega valgustatud, asetatakse see ilmutusvedelikku, kus valgustatud värv lahustub, jättes katsekeha pinnale mustri negatiivi. Paljastunud pind kaetakse uuesti galvaniseerimismeetodil, mis kannab katsekehale DIC süsteemi rakendamiseks vajaliku kontrastiga mustri. Lisaks galvaniseerimisele on võimalik muster katsekeha pinda söövitada. Kui muster on pinnale kantud, lahustatakse katsekehalt ülejäänud fotoresist ning terasplaat on tõmbekatseks valmis.  

Kontakt

MIHKEL KÕRGESAAR, DSc

Laevade turvalisus
Laevaehituse professor +372 5343 9557 mihkel.korgesaar@taltech.ee ETIS