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掃描電鏡不同程度的自動化|選擇適合您工作流程的自動化等級

發布時間: 2021-12-17  點擊次數: 1235次

您是否還在耗費大量時間獲取掃描電鏡圖像?您是否還在和海量的數據收集和分析做斗爭?您是否還在擔心人為檢測的準確性?自動化等級的初、中、高級水平,適合您的是哪個?


為什么選擇掃描電鏡自動化?


自掃描電鏡(SEM)普及以來,人們一直渴望實現 SEM 自動化。研究人員通過在微觀層面研究樣品需要人工重復的步驟,可以尋找替代方案來努力提高這些過程的效率。隨著 SEM 技術的不斷成熟,人們對掃描電鏡(SEM)的要求也越來越復雜,比如增加更復雜的圖像處理算法,提高分析大量數據的能力等。經過調查發現,人們對于 SEM 自動化的期待主要有 3 個:消除人為誤差,節省時間和成本,在海量數據中快速找到目標。

 

用戶也許會手動拍攝數百張樣品的圖片,然后將它們拼接在一起,以獲取單個樣品的大面積圖像;也許會手動結合二次電子(SE)和背散射電子(BSE)像,來觀察形貌和成分分布信息;也可能正在手動搜索樣品中的微小污染物。

 

研究人員通過分析哪些重復的步驟耗費時間最久,且存在較大的人為誤差風險,就能確定哪一個流程可以通過自動化來替代。根據具體的工作流程,可以選擇不同的自動化程度。

 

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自動化水平的不同等級

 

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

 

1. 自動化水平 —— 初級

 

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

 

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ISO 14966 規范中所述石棉分析的工作流程

 

在這個過程中,可以通過設置一個簡單的腳本來幫助操作人員實現初級的石棉自動化分析。在手動檢查石棉纖維之前,操作人員可以制作腳本來設置獲取的圖像數量,圖像自動保存,然后操作人員將可疑的纖維繼續通過 EDS 能譜進行成分分析。當所有的樣品分析結束,對整體的石棉含量進行評估,并與規范中定義的標準值進行對比。如果石棉含量超過一定值,則有必要進行人工干預篩選過程。

 

2. 自動化水平 —— 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到中級自動化水平。以材料保護涂層的質量檢測為例。在汽車行業,磷酸鹽轉化涂層可以防止鋼部件腐蝕,同時也可以提高潤滑度。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、錳或磷酸鐵的結晶層會沉積在鋼部件上。為確保磷酸鹽轉化涂層工藝的有效性,汽車行業的供應商需要執行嚴格的質量控制。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)圖像可以明顯區分不同的元素。鋼在 BSD 圖像上看起來很亮,但當它被磷酸鹽層覆蓋時會變暗。但是,手動分析 SEM 圖像會非常費力,并且容易出現人為失誤。

 

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磷酸鹽涂層質量檢測的自動化工藝流程

 

這個工藝流程屬于中級的自動化水平,通過使用自動化的編程,用戶可以定義缺陷樣本的標準,例如涂層含量低于 95% 的樣品。在自動分析圖像以確定磷酸鹽涂層的覆蓋率之前,可以自動掃描大面積樣品,并將結果轉化成報告供用戶稍后查看。操作員可以隨時運行自動化程序進行檢測,并隨時查看報告,節省了寶貴的時間并提高了結果的可靠性。

 

3. 自動化水平 —— 高級

 

在某些情況下,用戶需要達到高級的自動化水平,例如汽車零部件的清潔度檢測。汽車行業的自動變速器等部件是使用精密制造的電動液壓部件,即使是極少量的污垢或碎屑也會導致變速器性能下降。為確保其零部件的清潔度,汽車供應商必須嚴格遵守 VDA19 和 ISO16232 的清潔度標準。在過去,負責生產的工程師使用掃描電鏡(SEM)結合 X-Ray 能譜(EDS)來獲取汽車部件的清潔度數據,但是這個過程極其費力,通常需要對用戶進行專門的培訓,并且可能導致生產延遲。

 

現在,用戶可以使用先進的自動化技術—— SEM 和 EDS 結合的自動化分析系統,以確認零部件是否符合 VDA19 和 ISO16232 的清潔度標準。用戶可以設置特定參數,例如顆粒的粒度范圍、分類規則、感興趣的區域和終止標準,并將它們存儲為一個專屬的“個性化程序"。然后,只需單擊幾下,就可以啟動樣品測試——在分析完成之前無需人工監控。用戶可以在夜間或在執行其他工作時同時運行這些程序,從而節省大量時間。并且可以根據汽車行業標準或用戶的特定要求自動生成測試報告。分析完成后,用戶可以重新觀察感興趣的顆粒以進行進一步分析。

 

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根據 ISO16232 標準,生成專用的清潔度自動化分析軟件

 

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Phenom ParticleX 全自動清潔度檢測系統自動輸出詳細的顆粒數據,并進行自動歸類

 

在鋼鐵的實際生產過程中,為了確定鋼鐵質量并將生產過程達到更高的水平,專用的自動化軟件可用于鋼鐵夾雜物的自動化分析,并結合三元圖顯示的結果,可以直觀看出夾雜物出現在不同的時間點,以進一步指導優化煉鋼工藝。

 

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自動化分析面臨的挑戰和解決方案

 

雖然實現自動化具有非常明顯的優勢,但對于用戶來說,有時存在著一些挑戰和問題。如何克服這些問題,很多用戶也迫切地想要找到答案。

 

挑戰一:缺乏編程的能力

 

實現自動化,用戶首先面臨的問題便是:編寫自動化的程序。雖然現在掃描電鏡(SEM)可以通過編程來獲取高質量的 SEM 數據,但用戶必須具備使用編程語言(如 Python)的能力。Python 相對容易實現,但大部分用戶可能并沒有時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(包括移動臺、導航相機、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,支持包括從簡單的產量增強腳本,到復雜的全自主自動化流水腳本,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流程中或想創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需求,來開發專屬的自動化解決方案。

 

挑戰二:自動化工作流程中存在突發故障的可能性

 

傳統鎢燈絲掃描電鏡的燈絲會在 100 小時后突然斷裂,如果經常使用傳統鎢燈絲掃描電鏡,通常需要每周更換一次燈絲。這也就意味著自動化的工作流程可能會在無人監控的過程中突然失效,需要花費額外的時間和金錢來重復自動化的工作流程。

 

解決方案

 

選擇六硼化鈰 (CeB6) 燈絲的飛納臺式掃描電鏡,便可以避免這個問題。鎢燈絲在成像過程中會揮發且會突然斷裂,有時甚至會污染 SEM 的其他部分。CeB6 燈絲的平均使用壽命至少為 1,500 小時,使用壽命可以預測,且需要更換的次數要少得多。

 

挑戰三:SEM 的使用具有一定的時間局限性

 

產線上的儀器設備需要晝夜不停,用戶非常擔心自動化的掃描電鏡(SEM)工作流程會限制其他研究人員使用 SEM 的情況。

 

解決方案

 

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

 

總而言之,通過掃描電鏡(SEM)自動化,用戶可以減少分析大量樣品所產生的人為誤差,及早發現故障,以便在付出更高代價之前快速調整生產流程,進一步減少由劣質原材料生產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間和精力來進行更有意義的工作。

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