Strona główna
Baza wiedzy
Chropowatość i kontur Bezstykowe pomiary nierówności powierzchni

Bezstykowe pomiary nierówności powierzchni

Stykowe metody pomiaru nierówności powierzchni nazywane powszechnie (choć nie do końca zgodnie z prawdą) metodami pomiaru chropowatości, od szeregu lat są najpopularniejsze w praktyce przemysłowej. Obejmują one ana­lizę powierzchni w szerokim zakresie nierówności, zarówno w kierunku pionowym jak i obu poziomych. Występują w nich jednak pewne wa­dy, między innymi: kontakt końcówki po­miarowej z analizowaną powierzchnią, mała prędkość przesuwu, łatwość uszkodzenia końcówki i powierzchni delikatnych [1, 8]. Z tego względu od szeregu lat czynione są wysiłki w celu opracowania in­nych – bezstykowych metod analizy struktury geo­met­rycz­nej powierzchni, alternatywnych do profilometrii stykowej. Wśród nich poczesne miejsce zajmują metody optyczne, ze zmiennym szczęściem stosowane od prawie 100 lat.

Nową bezstykową metodą pomiaru nierówności powierzchni wykorzystywaną do powierzchni wytwarzanych metodami addytywnymi jest natomiast tomografia komputerowa [5]. Do aplikacji metod optycznych przyczynił się fakt, że właściwością na którą chro­powatość wpływa w sposób chyba najbardziej ewi­dent­ny jest wygląd zew­nętrz­ny, czyli to, na co oko ludzkie reaguje najbardziej. Metody optyczne wykorzystują bardzo różne techniki pomiarowe i rozwiązania.

Są wśród nich metody oparte o rozproszenie światła, elipsometrię, interferencję, ho­lografię, plamki, stylus optyczny, mikroskopy konfokalne i inne, często będące kombinacją podanych powyżej albo kombinacją optyki i innych metod analizy nierówności powierzchni. Wiążą się one z wiązką światła padającego na powierzchnię i analizą wiązki od­bi­tej, niezależnie od tego, w jakiej formie ona występuje, ponieważ nierówności powierzchni zawsze powo­du­­ją pew­ne za­bu­rzenia właściwości fali odbitej. Za ich pomocą pomiary odbywać się mogą profilometrycznie (siatka skanowania) lub powierzchniowo (analiza fragmentu powierzchni) [12].
Do ich zalet należy duża szybkość pomiaru, a do wad efekty optyczne i wpływ refleksyjności powierzchni na wyniki pomiarów oraz konieczność zapewnienia czystości mierzonych przedmiotów (usunięcie zanieczyszczeń, cząsteczek me­ta­lu i poostałościach po płynach obróbkowych). Niemniej jednak potencjalne zalety są na tyle kuszące, że do badań nad przyrządami optycznymi do analizy nierówności powierzchni przykłada się dużą wagę, tak w pracach konstrukcyjnych jak i modelowych [7].

Podstawowe metody optyczne stosowane w pomiarach nierówności powierzchni to mikroskopia różnicowania ogniskowego, skaningowa mikroskopia koherencyjna i mikroskopia bądź profilometria konfokalna. Najszerzej stosowaną z nich w inżynierii mechanicznej jest mikroskopia różnicowania ogniskowego, która polega na wykorzystaniu ostrości obrazu powierzchni w mikroskopie optycznym do oceny wysokości nierówności powierzchni [3]. Przedmiot mierzony oświetlany jest światłem o odpowiedniej modulacji ogniskowanym na powierzchni. Światło odbite przekazywane jest do detektora cyfrowego wyszukującego wiązkę zogniskowaną. Ze względu na bardzo małą głębokość ogniskowania układu optycznego tylko mały fragment obiektu ma obraz ostry (w ognisku) i tylko ta część obrazu wykorzystywana jest do dalszego przetwarzania. Całość kształtu uzyskuje się przez skanowanie pionowe powierzchni (zmiana odległości pomiędzy obiektywem a detektorem) i sukcesywne uzupełnienie obszarów, w których poprzednio nie uzyskano ogniskowania. Zebrane dane z obrazów przetwarzane są na widok trójwymiarowy.

Mikroskop różnicowania ogniskowego umożliwia więc rekonstrukcję topografii powierzchni z obrazów 2D zarejestrowanych pomiędzy najniższym i najwyższym punktem ogniskowania. System pomiarowy jest przy tym mikroskopem optycznym, a więc wszystkie obrazy mierzonego przedmiotu są kolorowe. Schemat takiej analizy pokazano na rysunku 1.

Rys. 1. Rekonstrukcja obrazu 3D w systemie różnicowania ogniskowego

 

 

 

  

 

 

 

 

 

Współczesny system pomiarowy wykorzystujący różnicowanie ogniskowania jest układem skanującym często wyposażonym w cały zestaw obiektywów do różnych zadań pomiarowych. Zastosowanie uchwytu rewolwerowego umożliwia wygodną zmianę powiększeń. Wygląd pokazano na rysunku 2.

Rys. 2. Mikroskop różnicowania ogniskowego [2]

Pozwala on na zebranie kilkudziesięciu milionów punktów pomiarowych w czasie mierzonym w sekundach. W zależności od zastosowanego obiektywu zakres pomiarowy może wynosić od około 3 mm przy rozdzielczości pionowej 10 nm, do ponad 20 mm przy rozdzielczości rzędu 400 nm. Przedmioty mierzone mogą być wykonane z różnych materiałów, o bardzo różnej chropowatości i refleksyjności. Przyrząd daje również informację cechach geometrycznych mieszczących się w jego zakresie pomiarowym, w tym również na powierzchniach nachylonych o kącie do 87°.

Do zalet tej metody należy zaliczyć fakt, że w przeciwieństwie do wielu innych technik optycznych w mikroskopie różnicowania ogniskowego lokalne pochylenie nie zależy od apertury numerycznej, czyli można mierzyć nawet strome zbocza. Jest to związane z oświetleniem, ponieważ opisaną technikę można realizować przy różnych źródłach światła, na przykład pierścieniowych. Można również używać polaryzatorów światła poprawiających odblaski, co jest czasem przydatne przy niektórych gładkich powierzchniach metalicznych. Mikroskopii różnicowania ogniskowego coraz częściej nie ogranicza się jedynie do analizy w skali mikro, ale wchodzi ona w skalę mezo, a nawet makro. Przykładem przyrządu realizującego takie zadania jest mikroskop zbudowany w konwencji portalowej współrzędnościowej maszyny pomiarowej, pokazany na rysunku 3.

Rys. 3. Mikroskop różnicowania ogniskowego µCMM w konwencji maszyny pomiarowej i jego zakres aplikacyjny [11]

Rozwiązanie pokazane na rysunku ma 5 osi pomiarowych i umożliwia pomiary w przestrzeni o wymiarach (X x Y x Z): 310 x 310 x 310 mm. Przemieszczenia odbywają się z prędkością do 100 mm/s, na łożyskach powietrznych. System wyposażony jest w 9 czujników temperatury, 3 czujniki drgań oraz wewnętrzny układ monitorowania napięcia i prądu. Magazynek wymiany obiektywów zawiera 4 predefiniowane pozycje. Parametry dokładnościowe charakteryzujące przyrząd zgodnie z normą PN EN ISO 10360-8 mają wartości: EUni:Tr:ODS,MPE = (0.8 + L/600) μm (L in mm) oraz EUniZ:St:ODS,MPE = (0.15 + L/50) μm (L in mm), przy jednoczesnej możliwości pomiaru nierówności charakteryzowanych parametrem: Ra (Sa) = od 0.1 μm oraz promieni krawędzi od 5 μm [Alicona].

Pomiary chropowatości / topografii powierzchni można realizować również za pomocą tomografii komputerowej (rys. 4). Jednak w tym przypadku pewne ograniczenie stanowi wielkość obiektu oraz materiał z jakiego został wykonany [6].

 Rys. 4. Tomograf komputerowy GE v|tome|x s: 
            a) widok, b) wzorcowanie

Wzrost wymiarów elementu może ograniczać możliwość uzyskania odpowiedniego powiększenia geometrycznego. Wad tych praktycznie pozbawione są tradycyjne urządzenia do pomiaru topografii powierzchni. Jednak zastosowanie tomografii komputerowej do pomiaru topografii jest w wielu przypadkach uzasadnione, a w przypadku gdy nie ma możliwości dostępu do kontrolowanej powierzchni może okazać się techniką niezastąpioną.

Przykładem takiej powierzchni może być wynik pomiaru wewnętrznych ścianek podporowych elementu wykonanego z polilaktydu metodami addytywnymi – techniką osadzanie topionego materiału (ang. Fused Deposition Modeling FDM) [4, 10]. Badaniu poddano obiekt, którego zewnętrzna powierzchnia wsparta jest jedynie na kilku ścianach wewnętrznych (rys. 5a). Na rysunku 5b przedstawiono wynik pomiaru topografii powierzchni takiej ściany – jest ona niedostępna do oceny innymi technikami bez zniszczenia elementu. Wyraźnie zauważalne są poszczególne warstwy nakładanego tworzywa, które ze względu na swoją funkcję nie muszą być wykonane estetycznie. Z tego również powodu można zaobserwować nieciągłości stanowiące przerwy pomiędzy fragmentami warstw. Nieciągłości te mają wpływ na wytrzymałość obiektu i w przypadku gdyby miał on pełnić rolę inną, niż wizualizacja przestrzenna obiektu, konieczna byłaby weryfikacja takiej struktury.

Rys. 5. Wynik pomiaru wewnętrznej struktury nośnej elementu wykonanego techniką FDM:
            a) rozmieszczenie podpór na obrazie tomograficznym,
            b) obraz topografii powierzchni przykładowej ściany

Tomografia pomiarowa jest również jedyną techniką umożliwiającą badanie przebiegu zarysu powierzchni nazywanego w języku angielskim re-entrant surface. Określenie to można tłumaczyć na język polski jako powierzchnia wielowejściowa lub powierzchnia o wielu rzędnych czyli taka, gdzie podczas analizy zarysu 2D dla jednej wartości odciętych przypadać może wiele wartości rzędnych [9].

Mikroskopia różnicowania ogniskowego jest stosunkowo nową techniką pomiarową, oferującą bardzo szerokie możliwości analityczne w skali mikro i mezo, wkraczające nawet w skalę makro. Jej szybkość i rozdzielczość pozwalają na wiarygodną analizę powierzchni i wymiarów nie tylko w inżynierii mechanicznej.

Tomografia komputerowa jest niezastąpionym narzędziem do oceny elementów uzyskanych technikami addytywnymi. Ze względu na specyfikę procesu wytwórczego, oraz możliwość praktycznie dowolnego kształtowania przestrzeni wewnętrznych coraz chętniej wykonywane są tą techniką korpusy z kanałami pozwalającymi na transport różnego typu mediów. Ocena topografii takich powierzchni daje możliwość weryfikacji i przewidywania poprawności ich eksploatacji w przyszłości. Uzyskiwane rozdzielczości są jak na razie dużo poniżej możliwości technik optycznych. Niemniej opcja pomiaru powierzchni wielowejściowych jest całkowicie unikalna.

LITERATURA:

1. Adamczak S., Świderski J., Miller T., Wieczorowski M., Chmielik I., Zasady dobrej praktyki metrologicznej, zapewniające wiarygodne wyniki pomiarów struktury geometrycznej powierzchni, Mechanik, 12, 2018, 1104-1109, DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2018.12.196.
2. Alicona Infinite Focus G5, 2016.
3. Danzl R., Helmli F., Scherer S., Focus Variation – a robust technology for high resolution optical 3D surface metrology, Journal of Mechanical Engineering, 57, 3, 2011, 245-256.
4. Gapiński B., Janicki P., Marciniak-Podsadna L., Jakubowicz M.: Application of the computed tomography to control parts made on additive manufacturing process. Proceedings of International Conference on Manufacturing Engineering and Materials, ICMEM 2016, Edited by: Hloch S.; Krolczyk G., Book Series: Procedia Engineering, 149/2016, s. 105-121, DOI: 10.1016/j.proeng.2016.06.645
5. Gapiński B., Wieczorowski M., Grzelka M., Arroyo Alonso P., Bermúdez Tomé A., The application of micro CT to assess quality of workpieces manufactured by means of rapid prototyping, Polimery, 62, 1, 2017, 53-59.
6. Gapiński B., Wieczorowski M., Marciniak-Podsadna L., Dominguez AP., Cepova L., Rey AM.: Measurement of Surface Topography Using Computed Tomography. Advances in Manufacturing (Manufacturing 2017), Book Series: Lecture Notes in Mechanical Engineering. 5th International Scientific-Technical Conference Manufacturing, s.815-824 (2018)
7. Kiely A.B. i in., A model of an optical roughness-measuring instrument, Int.J.Mach.T. Manuf., 1992, 32, 33-35.
8. Pawlus P., Wieczorowski M., Mathia T., The errors of stylus methods in surface topography measurements, ZAPOL, Szczecin, 2014.
9. Townsend A., Pagani L., Scott PJ., Blunt L.: CT measurement of re-entrant additively manufactured surfaces. Proceedings of the 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT2018), 6-9.02.2018, Wels, Austria, s. 89-90.
10. Thompson A., Maskery I., Leach RK.: X-ray computed tomography for additive manufacturing: a review. Measurement Science and Technology, Volume 27/7 (2016), DOI: 10.1088/0957-0233/27/7/072001.
11. Wieczorowski M., Digitalizacja powierzchni w aplikacjach mikro, mezo i makro, Mechanik, 11, 2018, 944-949, DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2018.11.166.
12. Wieczorowski M., Metrologia nierówności powierzchni – metody i systemy, ZAPOL, Szczecin, 2013.

Treść powyższego artykułu korzysta z ochrony udzielanej przez przepisy ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (j.t. Dz. U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 ze zm.). Każdy z Klientów zobowiązany jest do poszanowania praw autorskich pod rygorem odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów tej ustawy. Treść artykułu – w całości bądź jakiejkolwiek części – może być wykorzystywana tylko w zakresie dozwolonego użytku osobistego. Wykorzystanie tego artykułu - w całości bądź jakiejkolwiek części - do innych celów a w szczególności - komercyjnych, w tym kopiowanie, publiczne odtwarzanie, lub udostępnianie osobom trzecim w jakikolwiek inny sposób, może następować tylko pod warunkiem uzyskania wyraźnego pisemnego zezwolenia ITA i na warunkach określonych przez ITA. W celu uzyskania zgody na wykorzystanie zawartości Strony, należy skontaktować się z ITA za pośrednictwem formularza kontaktowego dostępnego w zakładce Kontakt. Korzystanie z powyższej treści w celu innym niż do użytku osobistego, a więc do kopiowania, powielania, wykorzystywania w innych publikacjach w całości lub w części bez pisemnej zgody ITA jest zabronione i podlega odpowiedzialności cywilnoprawnej oraz karnej wynikającej z przepisów ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych.

ITA spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Sp. k. ul. Poznańska 104, Skórzewo,  
60-185 Poznań

Kontakt

+48612225800 +48612225800