L'imaging avanzato incontra l'intelligenza artificiale

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La caratterizzazione dei materiali è fondamentale per le prestazioni e la sicurezza in molti settori industriali, ma i metodi convenzionali sono spesso carenti. Il sistema Apreo ChemiSEM di Thermo Scientific offre una soluzione completa ed efficace integrando l'imaging avanzato con l'analisi guidata dall'intelligenza artificiale, migliorando significativamente la velocità e la precisione della valutazione dei materiali.

Applicati in uno strato sottile sulla superficie di un componente, i rivestimenti a barriera termica (TBC) possono estendere la durata di vita dei componenti aumentando la resistenza alle alte temperature, alla corrosione e alle sollecitazioni meccaniche.1 Per questo motivo, i TBC sono stati ampiamente adottati nell'industria aerospaziale. Tuttavia, la caratterizzazione e l'ottimizzazione di questi materiali rimane una sfida a causa delle loro strutture complesse e dei requisiti di prestazione. Il sistema Apreo ChemiSEM di Thermo Scientific offre una soluzione utilizzando un approccio di microscopia correlativa che integra varie tecniche con l'analisi delle immagini assistita dall'intelligenza artificiale per semplificare il processo di caratterizzazione.

Le industrie che utilizzano i TBC richiedono tipicamente che i componenti resistano a condizioni estreme, supportando al contempo la vita umana e costosi carichi. Ciò è esemplificato nelle applicazioni aerospaziali, dove le pale delle turbine e le parti dei motori devono operare a temperature prossime ai 1800 °C.

I metodi tradizionali di caratterizzazione dei materiali, come la preparazione manuale dei campioni e l'analisi estesa dei dati, possono essere lenti e soggetti a errori. Ciò comporta ritardi nello sviluppo dei materiali e inefficienze nel controllo della qualità, con un impatto finale sulle prestazioni e sulla sicurezza.

I TBC sono tipicamente costituiti da un top coat ceramico, da un bond coat e da ossidi cresciuti termicamente. La morfologia, la composizione chimica e le proprietà fisiche e meccaniche di questi strati possono influenzare direttamente l'efficacia del TBC. L'intricatezza di materiali multistrato come questi rappresenta una sfida per le tecniche di imaging convenzionali e i metodi tradizionali di preparazione dei campioni, come il taglio, la molatura e la lucidatura, richiedono un notevole sforzo manuale e tempo. Inoltre, l'elaborazione e l'interpretazione manuale delle immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) e l'analisi della composizione su ampie aree richiedono molto lavoro e possono introdurre pregiudizi da parte dell'utente, complicando ulteriormente il processo.

Il sistema Apreo ChemiSEM è stato progettato per superare queste sfide combinando l'imaging ad alta risoluzione, l'analisi chimica integrata e l'automazione avanzata per semplificare il processo di caratterizzazione dei materiali. Di seguito sono illustrati i passi necessari per superare queste sfide chiave:

Per superare i metodi di preparazione dei campioni che richiedono tempo e lavoro, il sistema Apreo ChemiSEM è compatibile con il sistema a fascio ionico CleanMill Broad per ridurre significativamente il tempo di preparazione dei campioni da 13 ore a soli 90 minuti. In questo modo è possibile preparare in modo efficiente anche materiali complessi come le TBC, senza compromettere la qualità dei dati.

Il sistema di rivelazione Trinity dell'Apreo ChemiSEM fornisce immagini ad alta risoluzione anche per campioni complessi, raccogliendo simultaneamente informazioni sulla superficie, sulla topografia e sulla composizione, offrendo una serie completa di informazioni in una sola volta. Un flusso di lavoro come quello descritto, ottimizzato per la massima automazione per garantire i risultati più affidabili, è particolarmente prezioso in ambito industriale. In questi ambienti, la capacità di analizzare rapidamente e con precisione campioni di grandi dimensioni può portare a prodotti più performanti e di maggiore durata.

Una caratteristica fondamentale di Apreo ChemiSEM è la sua tecnologia ChemiPhase, che mappa automaticamente la distribuzione e quantifica le diverse fasi all'interno di un materiale. Nelle applicazioni aerospaziali, questa tecnica consente un'analisi dettagliata dei rivestimenti di legante e di finitura TBC, identificando le trasformazioni di fase causate dall'esposizione alle alte temperature. Il rivelatore TruePix Electron Backscatter Diffraction (EBSD) e il software EBSD del sistema migliorano ulteriormente la caratterizzazione del materiale fornendo informazioni cristallografiche insieme alla composizione chimica, consentendo di approfondire le proprietà del materiale come la struttura dei grani, fondamentale per le applicazioni ad alte sollecitazioni.

L'Apreo ChemiSEM integra diverse modalità di imaging per fornire una visione completa delle microstrutture dei materiali. Il SEM viene utilizzato insieme alla spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDS) per identificare i diversi materiali presenti nei vari strati del TBC, mentre l'analisi delle immagini assistita dall'intelligenza artificiale automatizza il rilevamento delle fasi sull'intera superficie del materiale. Ciò consente la visualizzazione simultanea della morfologia e della composizione chimica su un'ampia area, riducendo l'input manuale e accelerando i tempi di ottenimento dei risultati. Automatizzando l'analisi delle immagini attraverso l'apprendimento automatico, il sistema è in grado di identificare e segmentare le fasi con un'accuratezza superiore al 95% per le metriche di segmentazione delle fasi. Questo approccio guidato dall'intelligenza artificiale garantisce una caratterizzazione più rapida e accurata di materiali complessi.

> Aerospaziale: come spiegato in precedenza, i TBC utilizzati nei motori degli aerei possono essere caratterizzati per la diffusione degli elementi, la trasformazione di fase e l'integrità strutturale dopo un servizio prolungato a temperature estreme. L'analisi rapida fornita da Apreo ChemiSEM contribuisce a garantire l'affidabilità dei componenti e a ridurre i costi di manutenzione. Inoltre, la caratterizzazione automatizzata e completa dei materiali consente un'ispezione approfondita dei diversi materiali utilizzati nel settore aerospaziale, offrendo una visione più approfondita di questo settore in costante evoluzione.

> Automotive: Il sistema Apreo ChemiSEM consente l'esame dettagliato e l'ottimizzazione dei rivestimenti e dei materiali utilizzati nell'industria automobilistica. I rivestimenti migliorati aumentano la durata dei veicoli fornendo una migliore protezione contro la corrosione, i danni da raggi UV e l'usura, migliorando anche l'efficienza del carburante grazie alle proprietà di basso attrito o aerodinamiche. Inoltre, i rivestimenti di lunga durata e le finiture di qualità superiore offrono un'estetica migliore e costi di manutenzione inferiori.

> Produzione di batterie: I componenti delle batterie agli ioni di litio richiedono un controllo preciso della composizione e della microstruttura dei materiali. L'Apreo ChemiSEM potrebbe offrire l'imaging e l'analisi chimica di complessi elettroliti multistrato allo stato solido per le batterie al litio, consentendo una migliore comprensione e ottimizzazione delle interfacce degli elettroliti. Ciò potrebbe aumentare le prestazioni delle batterie, incrementare la densità di energia e aumentare la sicurezza delle batterie al litio allo stato solido, rendendo il sistema estremamente prezioso per il progresso delle tecnologie delle batterie di prossima generazione.

Il sistema Apreo ChemiSEM di Thermo Scientific offre una soluzione efficiente e automatizzata per la caratterizzazione dei materiali in settori in cui prestazioni elevate e affidabilità sono essenziali. Integrando la microscopia correlativa con l'analisi assistita dall'intelligenza artificiale, il sistema riduce significativamente il tempo e la complessità dell'analisi di materiali multistrato come i TBC, i rivestimenti automobilistici e i componenti delle batterie. Per i produttori del settore aerospaziale, automobilistico e delle batterie, Apreo ChemiSEM è uno strumento potente che promette di accelerare lo sviluppo del prodotto, rafforzare il controllo di qualità e garantire la durata a lungo termine dei componenti critici. La sua capacità di integrarsi con altri dispositivi, consentendo di migliorare la preparazione dei campioni, l'imaging automatico e l'analisi di fase, lo rende una risorsa vitale per qualsiasi laboratorio industriale che affronta le sfide della moderna caratterizzazione dei materiali.

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