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掃描電鏡不同程度的自動(dòng)化|選擇適合您工作流程的自動(dòng)化等級

 更新時(shí)間:2021-12-17 點(diǎn)擊量:1823

您是否還在耗費(fèi)大量時(shí)間獲取掃描電鏡圖像?您是否還在和海量的數(shù)據(jù)收集和分析做斗爭?您是否還在擔(dān)心人為檢測的準(zhǔn)確性?自動(dòng)化等級的初、中、高級水平,適合您的是哪個(gè)?

 

為什么選擇掃描電鏡自動(dòng)化?

 

自掃描電鏡(SEM)普及以來,人們一直渴望實(shí)現(xiàn) SEM 自動(dòng)化。研究人員通過在微觀層面研究樣品需要人工重復(fù)的步驟,可以尋找替代方案來努力提高這些過程的效率。隨著 SEM 技術(shù)的不斷成熟,人們對掃描電鏡(SEM)的要求也越來越復(fù)雜,比如增加更復(fù)雜的圖像處理算法,提高分析大量數(shù)據(jù)的能力等。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),人們對于 SEM 自動(dòng)化的期待主要有 3 個(gè):消除人為誤差,節(jié)省時(shí)間和成本,在海量數(shù)據(jù)中快速找到目標(biāo)。

 

用戶也許會(huì)手動(dòng)拍攝數(shù)百張樣品的圖片,然后將它們拼接在一起,以獲取單個(gè)樣品的大面積圖像;也許會(huì)手動(dòng)結(jié)合二次電子(SE)和背散射電子(BSE)像,來觀察形貌和成分分布信息;也可能正在手動(dòng)搜索樣品中的微小污染物。

 

研究人員通過分析哪些重復(fù)的步驟耗費(fèi)時(shí)間最久,且存在較大的人為誤差風(fēng)險(xiǎn),就能確定哪一個(gè)流程可以通過自動(dòng)化來替代。根據(jù)具體的工作流程,可以選擇不同的自動(dòng)化程度。

 

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自動(dòng)化水平的不同等級

 

一般來說,根據(jù)在工作流程中操作人員干預(yù)的不同程度,自動(dòng)化水平可以分為初級、中級、高級。

 

1. 自動(dòng)化水平 —— 初級

 

初級的自動(dòng)化水平,仍然需要操作人員的干預(yù)。以石棉檢測為例,「石棉」一種常用于建筑的天然硅酸鹽礦物,但石棉是危險(xiǎn)材料,必須遵循相應(yīng)的規(guī)范來評估其風(fēng)險(xiǎn)。

 

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ISO 14966 規(guī)范中所述石棉分析的工作流程

 

在這個(gè)過程中,可以通過設(shè)置一個(gè)簡單的腳本來幫助操作人員實(shí)現(xiàn)初級的石棉自動(dòng)化分析。在手動(dòng)檢查石棉纖維之前,操作人員可以制作腳本來設(shè)置獲取的圖像數(shù)量,圖像自動(dòng)保存,然后操作人員將可疑的纖維繼續(xù)通過 EDS 能譜進(jìn)行成分分析。當(dāng)所有的樣品分析結(jié)束,對整體的石棉含量進(jìn)行評估,并與規(guī)范中定義的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比。如果石棉含量超過一定值,則有必要進(jìn)行人工干預(yù)篩選過程。

 

2. 自動(dòng)化水平 —— 中級

 

有些情況下,用戶希望能通過掃描電鏡(SEM)多種功能的組合來達(dá)到中級自動(dòng)化水平。以材料保護(hù)涂層的質(zhì)量檢測為例。在汽車行業(yè),磷酸鹽轉(zhuǎn)化涂層可以防止鋼部件腐蝕,同時(shí)也可以提高潤滑度。該涂層是通過將該部件浸入含有磷酸和金屬磷酸鹽的溶液中得到的,因此,鋅、錳或磷酸鐵的結(jié)晶層會(huì)沉積在鋼部件上。為確保磷酸鹽轉(zhuǎn)化涂層工藝的有效性,汽車行業(yè)的供應(yīng)商需要執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。掃描電鏡(SEM)對于評估磷酸鹽涂層的覆蓋情況非常有幫助:背散射電子(BSD)圖像可以明顯區(qū)分不同的元素。鋼在 BSD 圖像上看起來很亮,但當(dāng)它被磷酸鹽層覆蓋時(shí)會(huì)變暗。但是,手動(dòng)分析 SEM 圖像會(huì)非常費(fèi)力,并且容易出現(xiàn)人為失誤。

 

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磷酸鹽涂層質(zhì)量檢測的自動(dòng)化工藝流程

 

這個(gè)工藝流程屬于中級的自動(dòng)化水平,通過使用自動(dòng)化的編程,用戶可以定義缺陷樣本的標(biāo)準(zhǔn),例如涂層含量低于 95% 的樣品。在自動(dòng)分析圖像以確定磷酸鹽涂層的覆蓋率之前,可以自動(dòng)掃描大面積樣品,并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成報(bào)告供用戶稍后查看。操作員可以隨時(shí)運(yùn)行自動(dòng)化程序進(jìn)行檢測,并隨時(shí)查看報(bào)告,節(jié)省了寶貴的時(shí)間并提高了結(jié)果的可靠性。

 

3. 自動(dòng)化水平 —— 高級

 

在某些情況下,用戶需要達(dá)到高級的自動(dòng)化水平,例如汽車零部件的清潔度檢測。汽車行業(yè)的自動(dòng)變速器等部件是使用精密制造的電動(dòng)液壓部件,即使是極少量的污垢或碎屑也會(huì)導(dǎo)致變速器性能下降。為確保其零部件的清潔度,汽車供應(yīng)商必須嚴(yán)格遵守 VDA19 和 ISO16232 的清潔度標(biāo)準(zhǔn)。在過去,負(fù)責(zé)生產(chǎn)的工程師使用掃描電鏡(SEM)結(jié)合 X-Ray 能譜(EDS)來獲取汽車部件的清潔度數(shù)據(jù),但是這個(gè)過程極其費(fèi)力,通常需要對用戶進(jìn)行專門的培訓(xùn),并且可能導(dǎo)致生產(chǎn)延遲。

 

現(xiàn)在,用戶可以使用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)—— SEM 和 EDS 結(jié)合的自動(dòng)化分析系統(tǒng),以確認(rèn)零部件是否符合 VDA19 和 ISO16232 的清潔度標(biāo)準(zhǔn)。用戶可以設(shè)置特定參數(shù),例如顆粒的粒度范圍、分類規(guī)則、感興趣的區(qū)域和終止標(biāo)準(zhǔn),并將它們存儲(chǔ)為一個(gè)專屬的“個(gè)性化程序"。然后,只需單擊幾下,就可以啟動(dòng)樣品測試——在分析完成之前無需人工監(jiān)控。用戶可以在夜間或在執(zhí)行其他工作時(shí)同時(shí)運(yùn)行這些程序,從而節(jié)省大量時(shí)間。并且可以根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或用戶的特定要求自動(dòng)生成測試報(bào)告。分析完成后,用戶可以重新觀察感興趣的顆粒以進(jìn)行進(jìn)一步分析。

 

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根據(jù) ISO16232 標(biāo)準(zhǔn),生成專用的清潔度自動(dòng)化分析軟件

 

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Phenom ParticleX 全自動(dòng)清潔度檢測系統(tǒng)自動(dòng)輸出詳細(xì)的顆粒數(shù)據(jù),并進(jìn)行自動(dòng)歸類

 

在鋼鐵的實(shí)際生產(chǎn)過程中,為了確定鋼鐵質(zhì)量并將生產(chǎn)過程達(dá)到更高的水平,專用的自動(dòng)化軟件可用于鋼鐵夾雜物的自動(dòng)化分析,并結(jié)合三元圖顯示的結(jié)果,可以直觀看出夾雜物出現(xiàn)在不同的時(shí)間點(diǎn),以進(jìn)一步指導(dǎo)優(yōu)化煉鋼工藝。

 

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自動(dòng)化分析面臨的挑戰(zhàn)和解決方案

 

雖然實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化具有非常明顯的優(yōu)勢,但對于用戶來說,有時(shí)存在著一些挑戰(zhàn)和問題。如何克服這些問題,很多用戶也迫切地想要找到答案。

 

挑戰(zhàn)一:缺乏編程的能力

 

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,用戶首先面臨的問題便是:編寫自動(dòng)化的程序。雖然現(xiàn)在掃描電鏡(SEM)可以通過編程來獲取高質(zhì)量的 SEM 數(shù)據(jù),但用戶必須具備使用編程語言(如 Python)的能力。Python 相對容易實(shí)現(xiàn),但大部分用戶可能并沒有時(shí)間或精力投入到編程工作中。

 

解決方案

 

對于具有一定編程能力的用戶,可以使用飛納編程界面(Phenom Programming Interface,簡稱 PPI),便可以控制掃描電鏡電鏡的任何部分(包括移動(dòng)臺(tái)、導(dǎo)航相機(jī)、電鏡控制等)。PPI 廣泛支持 C++、Python、NET 等語言,支持 Windows、Linux、macOS 等操作系統(tǒng),支持包括從簡單的產(chǎn)量增強(qiáng)腳本,到復(fù)雜的全自主自動(dòng)化流水腳本,具有多樣性。

 

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對于不具有編程能力,且希望把電鏡集成到生產(chǎn)流程中或想創(chuàng)建定制化解決方案的客戶來說,可以把制作定制化解決方案的過程交給飛納電鏡?;谀墓ぷ髁鞒碳靶袠I(yè)需求,來開發(fā)專屬的自動(dòng)化解決方案。

 

挑戰(zhàn)二:自動(dòng)化工作流程中存在突發(fā)故障的可能性

 

傳統(tǒng)鎢燈絲掃描電鏡的燈絲會(huì)在 100 小時(shí)后突然斷裂,如果經(jīng)常使用傳統(tǒng)鎢燈絲掃描電鏡,通常需要每周更換一次燈絲。這也就意味著自動(dòng)化的工作流程可能會(huì)在無人監(jiān)控的過程中突然失效,需要花費(fèi)額外的時(shí)間和金錢來重復(fù)自動(dòng)化的工作流程。

 

解決方案

 

選擇六硼化鈰 (CeB6) 燈絲的飛納臺(tái)式掃描電鏡,便可以避免這個(gè)問題。鎢燈絲在成像過程中會(huì)揮發(fā)且會(huì)突然斷裂,有時(shí)甚至?xí)廴?SEM 的其他部分。CeB6 燈絲的平均使用壽命至少為 1,500 小時(shí),使用壽命可以預(yù)測,且需要更換的次數(shù)要少得多。

 

挑戰(zhàn)三:SEM 的使用具有一定的時(shí)間局限性

 

產(chǎn)線上的儀器設(shè)備需要晝夜不停,用戶非常擔(dān)心自動(dòng)化的掃描電鏡(SEM)工作流程會(huì)限制其他研究人員使用 SEM 的情況。

 

解決方案

 

飛納電鏡的全自動(dòng)化方案具有一個(gè)非常重要的好處:能夠在夜間、周末和其他無人在場的時(shí)間自動(dòng)化運(yùn)行工作流程。通過設(shè)置在低使用率期間進(jìn)行自動(dòng)化工作流程,用戶便可以將掃描電鏡(SEM)的利用率進(jìn)行zui大化,確保他們獲得 SEM 的最大使用價(jià)值。

 

總而言之,通過掃描電鏡(SEM)自動(dòng)化,用戶可以減少分析大量樣品所產(chǎn)生的人為誤差,及早發(fā)現(xiàn)故障,以便在付出更高代價(jià)之前快速調(diào)整生產(chǎn)流程,進(jìn)一步減少由劣質(zhì)原材料生產(chǎn)出缺陷成品造成的不必要損失,工作人員也可以騰出更多的時(shí)間和精力來進(jìn)行更有意義的工作。

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