atti della conferenza sulle possibili applicazioni della luce di sincrotrone all'industria
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Atti della conferenza "IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE SULLE CRITICITA’ DI MATERIALI E COMPONENTI".TRANSCRIPT
IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE IL SINCROTRONE GETTA UNA NUOVA LUCE
SULLE CRITICITA’ SULLE CRITICITA’ DIDI MATERIALI E COMPONENTIMATERIALI E COMPONENTI
G R U P P O D I S T U D I O T E C N O L O G I E M E C C A N I C H E
Relatori:Relatori:Dott. Marco PELOI, Dott. Diego DREOSSI, Dott.ssa Cristina MODOLODott. Marco PELOI, Dott. Diego DREOSSI, Dott.ssa Cristina MODOLO
Giovedì 30 giugno 2011Giovedì 30 giugno 2011
Ore 18.00Ore 18.00
Centro Produttività Veneto Centro Produttività Veneto -- Fondazione Giacomo RumorFondazione Giacomo Rumor
Area Gruppi di StudioArea Gruppi di Studio
Sincrotrone Trieste SCpA
Il sincrotrone getta una nuova luce sulle criticità di materiali e componenti
Cristina Modolo Marco Peloi
Diego Dreossi Contact: Industrial Liaison Office - [email protected]
Website: ilo.elettra.trieste.it
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Sincrotrone Trieste SCpA
Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La societa’ ! Il Laboratorio Elettra ! Come funziona un Sincrotrone ! Attività di Trasferimento Tecnologico
! Microfabbricazione con luce di sincrotrone ! Microfluidistica, Micromeccanica
! La Tomografia con luce di sincrotrone: ! La tecnica ! Potenzialità ! Esempi Applicativi:
• Tessuti leggeri • Schiume polimeriche • Fratture nei metalli • Dispositivo Biomedicale • Componenti elettronici • Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone ! Corrosione / erosione ! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED ! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti ! Nanotubi ! Infrarosso
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Sincrotrone Trieste SCpA
Sincrotrone Trieste S.C.p.A.
Società Consortile di Interesse Nazionale riconosciuta dalla legge 370/99 dello Stato Italiano, i cui soci sono Area Science Park, Regione FVG, CNR, Invitalia.
La societa’ gestisce due laboratori per un totale di circa 400 dipendenti:
La Missione e’ promuovere la crescita culturale e socio/economica attraverso:
Elettra FERMI@Elettra
• La ricerca di base ed applicata nei campi di rilievo
• La formazione tecnica e scientifica
• Il trasferimento tecnologico e della conoscenza
• acceleratore di particelle • costruito nel 1993 • specializzato nell’analisi profonda
dei materiali
il terzo laser ad elettroni liberi al mondo che consentirà di analizzare processi ultraveloci per svelare il comportamento dinamico dei materiali.
Operativo dal 2011, Progetto Bandiera nel PNR 2011-2013
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Sincrotrone Trieste SCpA
Linee di Luce: 23 operative, 2 in costruzione, 1 linea FEL
Cosa offre oggi Sincrotrone Trieste
10 Laboratori di supporto Soft X-Ray Optics, Hard X-Ray Optics,
Instrumentation and Detectors, Surface Science, Workshop for Beamline support,
Structural Biology, Interdisciplinary Lithography, Microscopy Laboratory, Soft X-
Ray Polarimetry, Multilayers
- Elettra -
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Sincrotrone Trieste SCpA
Come funziona un Sincrotrone
Booster Sincrotrone
anello di accumulazione
Linea di luce Stazione
di misura
• 24 Linee di Luce
• 5000 ore luce/anno
• Piu’ di 1000 Utenti, provenienti da piu’ di 25 Paesi
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Linea di luce
Linea di luce
Linea di
luce
Linea di luce Linea di luce
Elettra è un potente microscopio che utilizza un particolare tipo di radiazione, la “luce di Sincrotrone” per effettuare misure ed analisi dei materiali.
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Sincrotrone Trieste SCpA
Come funziona un Sincrotrone Insertion Devices and Bending magnet
Bending magnet
Insertion devices (straight sections)
Undulator Wiggler
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Sincrotrone Trieste SCpA
Come funziona un Sincrotrone Caratteristiche della luce
! Possibilità di scegliere la lunghezza d’onda in base al materiale da esaminare
! Luce intensa, che permette misure estremamente rapide
! Luce fortemente collimata e coerente
Elettra
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Sincrotrone Trieste SCpA
Come funziona un Sincrotrone La luce come sonda e strumento
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Sincrotrone Trieste SCpA
Scala spaziale Scala temporale
attoseconds
Come funziona un Sincrotrone La luce come sonda e strumento
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Sincrotrone Trieste SCpA
Attività di Trasferimento tecnologico
! Un ampio spettro di competenze: Fisica, Chimica, Meccanica, Biologia, IT etc..
! Tecnologie “leading edge” ! Laboratori, beamlines etc…
! Diversi settori applicativi: Materiali High tech, Micro e Nanotecnologie, Chimica e Catalisi, Medicina e Diagnostica, etc…
! Collaborazione in progetti di R&D su innovazione e miglioramento: ! Processi ! Prodotti
! Servizi di Analisi chimiche e strutturali dei materiali
! Microfabbricazione
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Sincrotrone Trieste SCpA
1. Discussione delle esigenze cliente
2. Scouting interno delle competenze
disponibili
3. Elaborazione Studio di Fattibilità
4. Presentazione soluzioni possibili e
proposta commerciale
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Attività di Trasferimento tecnologico Come lavoriamo
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Sincrotrone Trieste SCpA
! Il primo test di fattibilità è “free of charge”
! Quotazione con costs analysis
! Le attività sono organizzate con una struttura a progetto
! Costante condivisione dei risultati e Report finale
! Confidenzialità
Attività di Trasferimento tecnologico Come lavoriamo
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Sincrotrone Trieste SCpA
Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La societa’ ! Il Laboratorio Elettra ! Come funziona un Sincrotrone ! Attivita’ di Trasferimento Tecnologico
! Microfabbricazione con luce di sincrotrone ! Microfluidistica, Micromeccanica
! La Tomografia con luce di sincrotrone: ! La tecnica ! Potenzialità ! Esempi Applicativi:
• Tessuti leggeri • Schiume polimeriche • Fratture nei metalli • Dispositivo Biomedicale • Componenti elettronici • Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone ! Corrosione / erosione ! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED ! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti ! Nanotubi ! Infrarosso
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Sincrotrone Trieste SCpA
Microfabbricazione con luce di sincrotrone Litografia Profonda con la tecnica LIGA
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Sincrotrone Trieste SCpA
Fabbricazione di Micro ElectroMechanical Systems (MEMS) per “nanotrapping” e manipolazione di macromolecole
Microfabbricazione con luce di sincrotrone Microfluidica
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Sincrotrone Trieste SCpA
Campi di applicazione:
- Tecnologia per sensori e attuatori - Tecnologia spaziale e automotive - Chirurgia non invasiva - Rilascio di medicinali
Microfabbricazione con luce di sincrotrone Micromeccanica
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Sincrotrone Trieste SCpA
Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La societa’ ! Il Laboratorio Elettra ! Come funziona un Sincrotrone ! Attivita’ di Trasferimento Tecnologico
! Microfabbricazione con luce di sincrotrone ! Microfluidistica, Micromeccanica
! La Tomografia con luce di sincrotrone: ! La tecnica ! Potenzialità ! Esempi Applicativi:
• Tessuti leggeri • Schiume polimeriche • Fratture nei metalli • Dispositivo Biomedicale • Componenti elettronici • Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone ! Corrosione / erosione ! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED ! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti ! Nanotubi ! Infrarosso
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Sincrotrone Trieste SCpA
Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Corrosione / erosione
Particolato sospeso in impianto di raffreddamento d’acqua 18
Sincrotrone Trieste SCpA
Pixel neri negli OLED
In
In
Al
Al2p 64 µm
Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED
Al
Aumento la tensione per arrivare alla rottura
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Sincrotrone Trieste SCpA
Presenza di metalli nelle foglie del the
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Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti
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Sincrotrone Trieste SCpA
CNTs grown on substrates: SiC Nanoparticles Fe/Al2O3 Nanoparticles Fe/SiO2 ITO/glass
Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone: Nanotubi
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Sincrotrone Trieste SCpA
Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone Beamline SISSI – Infrarosso - Analisi di filati
Collaborazione tra Sincrotrone Trieste e Carvico SPA.
L'obiettivo dell'attività di ricerca condotta nel corso del primo anno di attività era quello di ottimizzare il processo di produzione ed in particolare garantire una qualità ancora più elevata del prodotto al cliente finale.
Utilizzo di tecniche di analisi spettroscopica nel vicino e medio infrarosso sui filati per comprenderne le proprietà e valutare la reazioni a determinate lavorazioni.
! Grazie ai risultati ottenuti è stato possibile selezionare dei parametri di lavaggio solvente più efficienti che permetteranno all'azienda di ottenere un maggior risparmio energetico.
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Sincrotrone Trieste SCpA
Indice dei Contenuti
! Sincrotrone Trieste S.C.p.A. ! La societa’ ! Il Laboratorio Elettra ! Come funziona un Sincrotrone ! Attivita’ di Trasferimento Tecnologico
! Microfabbricazione con luce di sincrotrone ! Microfluidistica, Micromeccanica
! La Tomografia con luce di sincrotrone: ! La tecnica ! Potenzialità ! Esempi Applicativi:
• Tessuti leggeri • Schiume polimeriche • Fratture nei metalli • Dispositivo Biomedicale • Componenti elettronici • Celle combustibili
! Tecniche di analisi chimica con luce di sincrotrone ! Corrosione / erosione ! Micro-analisi Spettrometrica difetti negli OLED ! Micro-analisi Spettrometrica - Analisi dei contaminanti ! Nanotubi ! Infrarosso
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Sincrotrone Trieste SCpA
La Tomografia con luce di sincrotrone
Visualizzazioni ad alta risoluzione spaziale ed in contrasto sia planari sia volumetriche
" R&D – Struttura dei materiali, Sviluppo di nuovi materiali
" Ispezioni/Esempio - Inclusioni, Cracks, Porositá, Controlli di qualitá,
Ottimizzazione di processo
" Reverse Engineering - Rapid Prototyping, Surface Rendering, CAD,
Drawing and Design
" Metrologia
" 3D Modeling
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Sincrotrone Trieste SCpA
La tecnica: Imaging con raggi X
Raggi X convenzionali! Raggi X Elettra! Contrasto di fase ad Elettra !
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Sincrotrone Trieste SCpA
La tecnica
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Sincrotrone Trieste SCpA
La tecnica
Acquisizione proiezioni
Ricostruzione assiale (slices)
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Sincrotrone Trieste SCpA
La tecnica: Parametri fondamentali
" Risoluzione Spaziale
" Risoluzione in contrasto
" Campo di vista
" Tempo di acquisizione
Dimensioni
Composizione Oggetto
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Sincrotrone Trieste SCpA
La tecnica: Layout degli strumenti
Sorgente Energia Corrente Macchia focale Stabilitá
Magnificazione Flusso x-ray Penumbra FOV PhC
Rivelatore Convertitore: efficienza, risoluzione spaziale Pixel: risoluzione spaziale, SNR, FOV Range dinamico, DAQ time
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Sincrotrone Trieste SCpA
Esempio: Ispezioni Confronto ottico / raggi X
Il microscopio ottico ha un campo di vista limitato e non permette di vedere dentro il tessuto
Microscopio ottico A riflessione
Microscopio raggi X Elettra
Microscopio ottico A trasmissione
Area ~ 2.4 x 1.8 mm2
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Sincrotrone Trieste SCpA
Radiografia in contrasto di fase di vela in sandwich di Mylar con inserti in fibra di carbonio e basalto
Basalto
Carbonio
Mylar
3 m
m
Bolle d’aria
Esempi: Ispezioni vele hi-tech
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Sincrotrone Trieste SCpA
Esempio: Difetti da usura nei tessuti
Caratterizzazione di tessuti poco assorbenti o composti da elementi leggeri come H e C, che risultano trasparenti microscopia convenzionale
~1.2 x 1.2 mm2
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Sincrotrone Trieste SCpA
Slices! Ricostruzione3D del campione!(15.4 x 13.4 x 5.1) mm3!
1 mm
Esempio: Struttura interna schiume polimeriche
Poliuretano
Pixel size 14 micron
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Sincrotrone Trieste SCpA
0% 11.5%
23% 35.5%
Direzione di compressione
Piano dell’Immagine
Esempio Schiuma polimerica – Compressione
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Sincrotrone Trieste SCpA
Direzione di compressione
0% 11.5%
23% 35.5%
Piano dell’Imm
agine
Esempio: Schiuma polimerica – Compressione
Rendering di alcune slices
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Sincrotrone Trieste SCpA
Esempio: Schiume rinforzate con metalli
Sorrentino, Journal of Applied Science, 2011
Fino a +340% nel modulo elastico
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Sincrotrone Trieste SCpA
Ispezioni/Esempio Fratture nei metalli
Ricostruzione di cricche di fatica multiassiale in provini di Alluminio
Cosmi Bernasconi 37
Sincrotrone Trieste SCpA
Ispezioni/Esempio Fratture nei metalli
Cosmi Bernasconi 38
Sincrotrone Trieste SCpA
Esempio Controlli di qualitá
Attacco metallico per un dispositivo biomedicale
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Sincrotrone Trieste SCpA
3--/#4-56-.+.7# 81/#4-56-.+.7#
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Esempio Controlli di qualitá
Sincrotrone Trieste SCpA
Celle Combustibile
Membrane Electrode Assembly
1 mm
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Visualizzazione di liquido all’interno delle serpentine
Problematiche tipiche del settore
Criticità di processi e prodotti
Problematiche tipiche del settore elettronico e meccatronico
Vicenza 30 Giugno 2011Ing. A. Cecchetto (GAU – Gruppo automazione e conversione dell’energia)
Contesto operativo
L’analisi dei modi e della cause di guasto potrebbe essere fa tta dal fornitore delprodotto e/o processo sotto esame.Ma,Ma, inin piùpiù didi qualchequalche casocaso sisi richiederichiede:•Approccio di ente terzo al problema sotto analisi•Rapidità nell’avere i risultati•Certificazione delle prove e dei risultati (anche autorevolezza, immagine, …)•Certificazione delle prove e dei risultati (anche autorevolezza, immagine, …)
Per le PMI non si tratta sempre di semplici attività da gestire.
ValutazioniValutazioni:•Costo/beneficio delle attività di analisi (Analisi economica, valutazione rischio, …)•Studiare se ci sono problematiche comuni a gruppi di imprese (Es. validazioni prodotti eprocessi)
Processo di saldatura
Verifica Rx uniformità ed
integrità saldature
Verifica migrazione ionica su
leghe (PCB NiAu, finitura
componente Sn, lega SAC)
Processo di saldatura
Verifica presenza
contaminanti ambientali e
contaminazione da materiali
di processo (es. flussanti)
Rx non evidenzia la mancata
saldatura, ma di fatto manca
continuità Ohmmica. Una
sezione meccanica altera
condizioni.
Guasti alla componentistica
Comportamento inner layers
PCB sotto schock termici (288°C
per 10 s). Normalmente analisi
in condizioni “statiche”.
Rx evidenzia penetrazione contaminanti a livello di
die del chip sotto esame. Occorre analisi tipologia
ed analisi struttura protettiva case.
Guasti alla componentistica
Rx dice componente. Si notano
soldering voids dovuti ad
extratemperature conseguenza
del guasto
Sezione della zona di breakdown nel
punto di rottura. Stesso componente
dell’immagine a sinistra.
Meccatronica
Nell’integrazione delle applicazioni non si possono più scindere a livello di prodotto
problematiche meccaniche da elettroniche.
Alcuni esempi:
•Interazioni trattamenti superficiali metalli con parti elettroniche.
•Composizione carpenterie plastiche con funzioni schermanti.
•Affidabilità meccanica ed elettronica devono avere lo stesso ordine di grandezza.•Affidabilità meccanica ed elettronica devono avere lo stesso ordine di grandezza.
Se poi si inizia a lavorare nel mondo delle nanotecnologie, gli strumenti
convenzionali di analisi non sempre sono idonei allo scopo.
Tribologia Nanotribologia.