La metrología de superficies es la medición de características a pequeña escala en superficies y es una rama de la metrología . La forma primaria de la superficie, la fractalidad de la superficie y la rugosidad de la superficie son los parámetros más comúnmente asociados con el campo. Es importante para muchas disciplinas y es principalmente conocido por el mecanizado de piezas y ensamblajes de precisión que contienen superficies de contacto o que deben operar con altas presiones internas.
El acabado de la superficie se puede medir de dos formas: métodos de contacto y sin contacto . Los métodos de contacto implican arrastrar un lápiz de medición por la superficie; estos instrumentos se denominan perfilómetros . Los métodos sin contacto incluyen: interferometría , holografía digital , microscopía confocal , variación de enfoque , luz estructurada , capacitancia eléctrica , microscopía electrónica , fotogrametría y perfilómetros sin contacto .
Descripción general
El método más común es utilizar un perfilómetro de aguja de diamante . El lápiz se coloca perpendicular a la superficie. [1] La sonda generalmente se traza a lo largo de una línea recta sobre una superficie plana o en un arco circular alrededor de una superficie cilíndrica. La longitud del camino que traza se llama longitud de medición . La longitud de onda del filtro de frecuencia más baja que se utilizará para analizar los datos generalmente se define como la longitud de muestreo . La mayoría de los estándares recomiendan que la longitud de la medición sea al menos siete veces mayor que la longitud del muestreo y, según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon , debe ser al menos dos veces más larga que la longitud de onda [ cita requerida ] de características interesantes. La duración de la evaluación o la duración de la evaluación es la longitud de los datos que se utilizarán para el análisis. Por lo general, se descarta una longitud de muestreo de cada extremo de la longitud de medición. Se pueden realizar mediciones en 3D con un perfilómetro escaneando un área 2D en la superficie.
La desventaja de un perfilómetro es que no es preciso cuando el tamaño de las características de la superficie está cerca del mismo tamaño que el de la aguja. Otra desventaja es que los perfilómetros tienen dificultades para detectar defectos del mismo tamaño general que la rugosidad de la superficie. [1] También existen limitaciones para los instrumentos sin contacto. Por ejemplo, los instrumentos que dependen de la interferencia óptica no pueden resolver características que son menores que una fracción de la longitud de onda operativa. Esta limitación puede dificultar la medición precisa de la rugosidad incluso en objetos comunes, ya que las características interesantes pueden estar muy por debajo de la longitud de onda de la luz. La longitud de onda de la luz roja es de aproximadamente 650 nm, [2] , mientras que la rugosidad media, (R una ) de un árbol de tierra podría ser 200 nm.
El primer paso del análisis es filtrar los datos sin procesar para eliminar los datos de muy alta frecuencia (llamados "microrrugosidad"), ya que a menudo se pueden atribuir a vibraciones o escombros en la superficie. El filtrado de la microrrugosidad en un umbral de corte dado también permite acercar la evaluación de la rugosidad realizada utilizando perfilómetros que tienen diferentes radios de bola de palpador, por ejemplo, radios de 2 µm y 5 µm. A continuación, los datos se separan en rugosidad, ondulación y forma. Esto se puede lograr utilizando líneas de referencia, métodos de envolvente, filtros digitales, fractales u otras técnicas. Finalmente, los datos se resumen utilizando uno o más parámetros de rugosidad o un gráfico. En el pasado, el acabado de la superficie se analizaba generalmente a mano. La traza de rugosidad se trazaría en papel cuadriculado y un maquinista experimentado decidió qué datos ignorar y dónde colocar la línea media. Hoy en día, los datos medidos se almacenan en una computadora y se analizan utilizando métodos de análisis de señales y estadísticas. [3]
El efecto de diferentes técnicas de eliminación de formas en el análisis del acabado superficial.
Gráficos que muestran cómo la frecuencia de corte del filtro afecta la separación entre ondulación y rugosidad
Ilustración que muestra cómo el perfil en bruto de una traza de acabado superficial se descompone en un perfil primario, forma, ondulación y rugosidad
Ilustración que muestra el efecto de usar diferentes filtros para separar una traza de acabado superficial en ondulación y rugosidad
Equipo
Contacto (medición táctil)
Los instrumentos de contacto basados en lápiz óptico tienen las siguientes ventajas:
- El sistema es muy simple y suficiente para la medición básica de rugosidad, ondulación o forma que requiere solo perfiles 2D (por ejemplo, cálculo del valor Ra).
- El sistema nunca se ve atraído por las propiedades ópticas de una muestra (por ejemplo, altamente reflectante, transparente, microestructurada).
- La aguja ignora la película de aceite que cubre muchos componentes metálicos durante su proceso industrial.
Tecnologías :
- Perfilómetros de contacto : tradicionalmente utilizan una aguja de diamante y funcionan como un fonógrafo .
- Los microscopios de fuerza atómica a veces también se consideran perfiladores de contacto que operan a escala atómica.
Sin contacto (microscopios ópticos)
Los instrumentos de medición ópticos tienen algunas ventajas sobre los táctiles de la siguiente manera:
- sin tocar la superficie (la muestra no se puede dañar)
- la velocidad de medición suele ser mucho mayor (se pueden medir hasta un millón de puntos 3D en un segundo)
- algunos de ellos están realmente construidos para topografía de superficie 3D en lugar de trazas únicas de datos
- Pueden medir superficies a través de un medio transparente como vidrio o película de plástico.
- La medición sin contacto a veces puede ser la única solución cuando el componente a medir es muy blando (por ejemplo, un depósito de contaminación) o muy duro (por ejemplo, papel abrasivo).
Escaneo vertical :
- Interferometría de exploración de coherencia
- Microscopia confocal
- Variación de enfoque
- Aberración cromática confocal
Escaneo horizontal :
- Microscopio láser de barrido (SLM)
- Escaneo de luz estructurado
Sin escaneo
Elección del instrumento de medición adecuado
Debido a que cada instrumento tiene ventajas y desventajas, el operador debe elegir el instrumento adecuado según la aplicación de medición. A continuación, se enumeran algunas ventajas y desventajas de las principales tecnologías:
- Interferometría: este método tiene la resolución vertical más alta de cualquier técnica óptica y una resolución lateral equivalente a la mayoría de las otras técnicas ópticas, excepto la confocal, que tiene una mejor resolución lateral. Los instrumentos pueden medir superficies muy lisas utilizando interferometría de desplazamiento de fase (PSI) con alta repetibilidad vertical; Estos sistemas pueden estar dedicados a la medición de piezas grandes (hasta 300 mm) o basados en microscopios. También pueden usar interferometría de escaneo de coherencia (CSI) con una fuente de luz blanca para medir superficies escarpadas o rugosas, que incluyen metal mecanizado, espuma, papel y más. Como ocurre con todas las técnicas ópticas, la interacción de la luz con la muestra para estos instrumentos no se comprende completamente. Esto significa que pueden ocurrir errores de medición especialmente para la medición de rugosidad. [4] [5]
- Holografía digital: este método proporciona topografía 3D con una resolución similar a la interferometría. Además, al ser una técnica sin escaneo, es ideal para la medición de muestras en movimiento, superficies deformables, dinámica de MEMS, reacciones químicas, el efecto del campo magnético o eléctrico en las muestras y la medición de la presencia de vibraciones, en particular para control de calidad.:
- Variación de enfoque: este método proporciona información de color, puede medir en flancos empinados y puede medir en superficies muy rugosas. La desventaja es que este método no puede medir en superficies con una rugosidad superficial muy suave como una oblea de silicio. La aplicación principal es metal (piezas mecanizadas y herramientas), plástico o muestras de papel.
- Microscopía confocal: este método tiene la ventaja de una alta resolución lateral debido al uso de un orificio de alfiler, pero tiene la desventaja de que no puede medir en flancos empinados. Además, pierde rápidamente la resolución vertical al mirar grandes áreas, ya que la sensibilidad vertical depende del objetivo del microscopio en uso.
- Aberración cromática confocal: este método tiene la ventaja de medir ciertos rangos de altura sin un escaneo vertical, puede medir superficies muy rugosas con facilidad y superficies lisas hasta el rango de un solo nm. El hecho de que estos sensores no tengan partes móviles permite velocidades de escaneo muy altas y los hace muy repetibles. Las configuraciones con una apertura numérica alta pueden medir en flancos relativamente empinados. Se pueden utilizar simultáneamente varios sensores, con los mismos o diferentes rangos de medición, lo que permite enfoques de medición diferencial (TTV) o amplía el caso de uso de un sistema.
- Perfilómetro de contacto: este método es la técnica de medición de superficies más común. Las ventajas son que es un instrumento económico y tiene una resolución lateral más alta que las técnicas ópticas, dependiendo del radio de la punta del palpador elegido. Los nuevos sistemas pueden realizar mediciones en 3D además de trazos en 2D y pueden medir la forma y las dimensiones críticas, así como la rugosidad. Sin embargo, las desventajas son que la punta de la aguja tiene que estar en contacto físico con la superficie, lo que puede alterar la superficie y / o la aguja y causar contaminación. Además, debido a la interacción mecánica, las velocidades de escaneo son significativamente más lentas que con los métodos ópticos. Debido al ángulo del vástago de la aguja, los perfilómetros de aguja no pueden medir hasta el borde de una estructura ascendente, lo que genera una "sombra" o un área indefinida, generalmente mucho más grande de lo que es típico para los sistemas ópticos.
Resolución
La escala de la medida deseada ayudará a decidir qué tipo de microscopio se utilizará.
Para las mediciones 3D, se ordena a la sonda que escanee un área 2D de la superficie. El espaciado entre puntos de datos puede no ser el mismo en ambas direcciones.
En algunos casos, la física del instrumento de medición puede tener un gran efecto sobre los datos. Esto es especialmente cierto cuando se miden superficies muy lisas. Para las mediciones de contacto, el problema más obvio es que el lápiz puede rayar la superficie medida. Otro problema es que la aguja puede ser demasiado desafilada para llegar al fondo de valles profundos y puede redondear las puntas de picos afilados. En este caso, la sonda es un filtro físico que limita la precisión del instrumento.
Parámetros de rugosidad
La geometría de la superficie real es tan complicada que un número finito de parámetros no puede proporcionar una descripción completa. Si se aumenta el número de parámetros utilizados, se puede obtener una descripción más precisa. Ésta es una de las razones para introducir nuevos parámetros para la evaluación de superficies. Los parámetros de rugosidad de la superficie se clasifican normalmente en tres grupos según su funcionalidad. Estos grupos se definen como parámetros de amplitud, parámetros de espaciado y parámetros híbridos. [6]
Parámetros de rugosidad del perfil
Los parámetros utilizados para describir superficies son en gran parte indicadores estadísticos obtenidos de muchas muestras de la altura de la superficie. Algunos ejemplos incluyen:
Parámetro | Nombre | Descripción | Tipo | Fórmula |
---|---|---|---|---|
R una , R aa , R Yni | media aritmética de valores absolutos | Media de los valores absolutos de las alturas de perfil medidas a partir de una línea media promediada sobre el perfil | Amplitud | |
R q , R RMS | raíz cuadrada media | Amplitud | ||
R v | profundidad máxima del valle | Profundidad máxima del perfil por debajo de la línea media con la longitud de muestreo | Amplitud | |
R p | altura máxima del pico | Altura máxima del perfil por encima de la línea media dentro de la longitud de muestreo | Amplitud | |
R t | Altura máxima del perfil | Altura máxima de pico a valle del perfil en la longitud de evaluación | Amplitud | |
R sk | Oblicuidad | Simetría del perfil sobre la línea media. | Amplitud | |
R ku | Curtosis | Medida de la nitidez del perfil de la superficie. | Híbrido | |
RS m | Espaciado de pico medio | Espaciado medio entre picos en la línea media | Espacial |
Este es un pequeño subconjunto de parámetros disponibles descritos en estándares como ASME B46.1 [7] e ISO 4287. [8] La mayoría de estos parámetros se originaron a partir de las capacidades de los perfilómetros y otros sistemas de sonda mecánica. Además, se han desarrollado nuevas medidas de las dimensiones de la superficie que están más directamente relacionadas con las medidas que son posibles gracias a las tecnologías de medición óptica de alta definición.
La mayoría de estos parámetros se pueden estimar utilizando el complemento SurfCharJ [1] para ImageJ .
Parámetros de superficie areal
La rugosidad de la superficie también se puede calcular sobre un área. Esto da valores de S a en lugar de R a . La serie ISO 25178 describe todos estos valores de rugosidad en detalle. La ventaja sobre los parámetros del perfil son:
- valores más significativos
- más relación posible con la función real
- Es posible realizar una medición más rápida con instrumentos reales [se necesita aclaración ] (los instrumentos ópticos basados en áreas pueden medir un S a a mayor velocidad que R a .
Las superficies tienen propiedades fractales , también se pueden realizar mediciones en múltiples escalas, como el Análisis fractal a escala de longitud o el Análisis fractal a escala de área. [9]
Filtración
Para obtener la característica de la superficie, casi todas las mediciones están sujetas a filtrado. Es uno de los temas más importantes cuando se trata de especificar y controlar atributos de superficie como rugosidad, ondulación y error de forma. Estos componentes de las desviaciones de la superficie deben ser claramente separables en la medición para lograr un entendimiento claro entre el proveedor de la superficie y el receptor de la superficie en cuanto a las características esperadas de la superficie en cuestión. Normalmente, se utilizan filtros digitales o analógicos para separar el error de forma, la ondulación y la rugosidad que resultan de una medición. Los principales métodos de filtrado de múltiples escalas son el filtrado gaussiano, la transformación Wavelet y, más recientemente, la descomposición modal discreta. Hay tres características de estos filtros que deben conocerse para comprender los valores de los parámetros que puede calcular un instrumento. Estas son la longitud de onda espacial a la que un filtro separa la rugosidad de la ondulación o la ondulación del error de forma, la nitidez de un filtro o qué tan limpiamente el filtro separa dos componentes de las desviaciones de la superficie y la distorsión de un filtro o cuánto el filtro altera un espacio. componente de longitud de onda en el proceso de separación. [7]
Ver también
- Perfilómetro
- Imágenes de rango : técnica que produce una imagen en 2D que muestra la distancia a puntos en una escena desde un punto específico.
enlaces externos
- Guía de metrología de superficies
Referencias
- ^ a b Degarmo, E. Paul; Black, J T .; Kohser, Ronald A. (2003). Materiales y procesos en la fabricación (9ª ed.). Wiley. págs. 223–224. ISBN 0-471-65653-4.
- ^ "¿Qué longitud de onda va con un color?" . Archivado desde el original el 20 de julio de 2011 . Consultado el 14 de mayo de 2008 .
- ^ Whitehouse, DJ. (1994). Manual de metrología de superficies , Bristol: Institute of Physics Publishing. ISBN 0-7503-0039-6
- ^ Gao, F; Leach, RK; Petzing, J; Coupland, JM (2008). "Errores de medición de superficie utilizando interferómetros de luz blanca de escaneo comerciales" . Ciencia y Tecnología de la Medición . 19 (1): 015303. Código Bibliográfico : 2008MeScT..19a5303G . doi : 10.1088 / 0957-0233 / 19/1/015303 .
- ^ Rhee, HG; Vorburger, TV; Lee, JW; Fu, J (2005). "Discrepancias entre las mediciones de rugosidad obtenidas con interferometría de cambio de fase y luz blanca" . Óptica aplicada . 44 (28): 5919–27. Código Bibliográfico : 2005ApOpt..44.5919R . doi : 10.1364 / AO.44.005919 . PMID 16231799 .
- ^ Gadelmawla ES; Koura MM; Maksoud TMA; Elewa IM; Soliman HH (2002). "Parámetros de rugosidad". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 123 : 133-145. doi : 10.1016 / S0924-0136 (02) 00060-2 .
- ^ a b ASME B46.1 . Asme.org. Consultado el 26 de marzo de 2016.
- ^ ISO 4287 Archivado el 19 de enero de 2004 en la Wayback Machine.
- ^ Laboratorio de metrología de superficie - Washburn Shops 243 - Análisis fractal sensible a escala . Me.wpi.edu. Consultado el 26 de marzo de 2016.