Metrologia de superfície - Surface metrology

A metrologia de superfície é a medição de recursos de pequena escala em superfícies e é um ramo da metrologia . A forma primária da superfície, a fractalidade da superfície e a rugosidade da superfície são os parâmetros mais comumente associados ao campo. É importante para muitas disciplinas e é mais conhecido pela usinagem de peças e conjuntos de precisão que contêm superfícies de contato ou que devem operar com altas pressões internas.

O acabamento da superfície pode ser medido de duas maneiras: métodos de contato e sem contato . Os métodos de contato envolvem arrastar uma caneta de medição pela superfície; esses instrumentos são chamados de profilômetros . Os métodos sem contato incluem: interferometria , holografia digital , microscopia confocal , variação de foco , luz estruturada , capacitância elétrica , microscopia eletrônica , fotogrametria e profilômetros sem contato .

Visão geral

O método mais comum é usar um perfilômetro de ponta de diamante . A caneta é colocada perpendicularmente à configuração da superfície. A sonda geralmente traça ao longo de uma linha reta em uma superfície plana ou em um arco circular em torno de uma superfície cilíndrica. O comprimento do caminho que ele traça é chamado de comprimento de medição . O comprimento de onda do filtro de frequência mais baixa que será usado para analisar os dados é geralmente definido como o comprimento de amostragem . A maioria dos padrões recomenda que o comprimento da medição seja pelo menos sete vezes maior do que o comprimento da amostra e, de acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon , deve ser pelo menos duas vezes maior do que o comprimento de onda de características interessantes. O comprimento da avaliação ou comprimento da avaliação é o comprimento dos dados que serão usados para análise. Normalmente, um comprimento de amostragem é descartado de cada extremidade do comprimento de medição. As medições 3D podem ser feitas com um perfilômetro, digitalizando sobre uma área 2D na superfície.

A desvantagem de um perfilômetro é que ele não é preciso quando o tamanho das características da superfície são quase do mesmo tamanho da caneta. Outra desvantagem é que os profilômetros têm dificuldade em detectar falhas do mesmo tamanho geral que a rugosidade da superfície. Também existem limitações para instrumentos sem contato. Por exemplo, instrumentos que dependem de interferência óptica não podem resolver recursos que são menores do que alguma fração do comprimento de onda operacional. Essa limitação pode dificultar a medição precisa da rugosidade mesmo em objetos comuns, uma vez que as características interessantes podem estar bem abaixo do comprimento de onda da luz. O comprimento de onda da luz vermelha é cerca de 650 nm, enquanto a rugosidade média, (R _a ) de um eixo de aterramento pode ser 200 nm.

A primeira etapa da análise é filtrar os dados brutos para remover os dados de frequência muito alta (chamados de "micro-rugosidade"), uma vez que muitas vezes podem ser atribuídos a vibrações ou detritos na superfície. Filtrar a microrrugosidade em um determinado limite de corte também permite aproximar a avaliação da rugosidade feita usando profilômetros com raios de esfera de ponta diferentes, por exemplo, raios de 2 µm e 5 µm. Em seguida, os dados são separados em rugosidade, ondulação e forma. Isso pode ser realizado usando linhas de referência, métodos de envelope, filtros digitais, fractais ou outras técnicas. Finalmente, os dados são resumidos usando um ou mais parâmetros de rugosidade ou um gráfico. No passado, o acabamento da superfície era geralmente analisado à mão. O traço de rugosidade seria plotado em papel milimetrado e um maquinista experiente decidia quais dados ignorar e onde colocar a linha média. Hoje, os dados medidos são armazenados em um computador e analisados usando métodos de análise de sinal e estatísticas.

O efeito de diferentes técnicas de remoção de forma na análise de acabamento de superfície
Gráficos que mostram como a frequência de corte do filtro afeta a separação entre ondulação e rugosidade
Ilustração que mostra como o perfil bruto de um traço de acabamento de superfície é decomposto em um perfil primário, forma, ondulação e rugosidade
Ilustração que mostra o efeito do uso de diferentes filtros para separar um traço de acabamento de superfície em ondulação e rugosidade

Equipamento

Contato (medição tátil)

Os instrumentos de contato baseados em pontas têm as seguintes vantagens:

O sistema é muito simples e suficiente para medições básicas de rugosidade, ondulação ou forma, exigindo apenas perfis 2D (por exemplo, cálculo do valor Ra).
O sistema nunca é atraído pelas propriedades ópticas de uma amostra (por exemplo, altamente reflexivo, transparente, microestruturado).
A caneta ignora a película de óleo que cobre muitos componentes de metal durante o processo industrial.

Tecnologias :

Perfilômetros de contato - tradicionalmente usam uma caneta de diamante e funcionam como um fonógrafo .
Microscópio de força atômica às vezes também é considerado perfilador de contato operando em escala atômica.

Sem contato (microscópios ópticos)

Os instrumentos de medição ótica têm algumas vantagens sobre os táteis como segue:

sem tocar na superfície (a amostra não pode ser danificada)
a velocidade de medição é geralmente muito maior (até um milhão de pontos 3D podem ser medidos em um segundo)
alguns deles são genuinamente construídos para topografia de superfície 3D, em vez de traços únicos de dados
eles podem medir superfícies através de um meio transparente, como vidro ou filme plástico
a medição sem contato pode às vezes ser a única solução quando o componente a ser medido é muito macio (por exemplo, depósito de poluição) ou muito duro (por exemplo, papel abrasivo).

Digitalização vertical :

Varredura horizontal :

Não digitalização

Microscopia holográfica digital

Escolha do instrumento de medição certo

Como cada instrumento tem vantagens e desvantagens, o operador deve escolher o instrumento certo dependendo da aplicação de medição. A seguir, algumas vantagens e desvantagens das principais tecnologias são listadas:

Interferometria: Este método tem a maior resolução vertical de qualquer técnica óptica e resolução lateral equivalente à maioria das outras técnicas ópticas, exceto para confocal que tem melhor resolução lateral. Os instrumentos podem medir superfícies muito lisas usando interferometria de deslocamento de fase (PSI) com alta repetibilidade vertical; tais sistemas podem ser dedicados à medição de peças grandes (até 300 mm) ou baseados em microscópio. Eles também podem usar interferometria de varredura de coerência (CSI) com uma fonte de luz branca para medir superfícies íngremes ou ásperas, incluindo metal usinado, espuma, papel e muito mais. Como é o caso com todas as técnicas ópticas, a interação da luz com a amostra para estes instrumentos não é totalmente compreendida. Isso significa que erros de medição podem ocorrer especialmente para medição de rugosidade.
Holografia digital: este método fornece topografia 3D com resolução semelhante à interferometria. Além disso, por ser uma técnica de não varredura, é ideal para a medição de amostras em movimento, superfícies deformáveis, dinâmica de MEMS, reações químicas, o efeito do campo magnético ou elétrico em amostras e medição da presença de vibrações, em particular para controle de qualidade.:
Variação de foco: este método fornece informações de cor, pode medir em flancos íngremes e pode medir em superfícies muito ásperas. A desvantagem é que esse método não pode medir em superfícies com rugosidade superficial muito lisa, como uma pastilha de silício. A principal aplicação é amostras de metal (peças usinadas e ferramentas), plástico ou papel.
Microscopia confocal: este método tem a vantagem de alta resolução lateral devido ao uso de um orifício de alfinete, mas tem a desvantagem de não poder medir em flancos íngremes. Além disso, ele perde rapidamente a resolução vertical ao olhar para grandes áreas, uma vez que a sensibilidade vertical depende da objetiva do microscópio em uso.
Aberração cromática confocal: Este método tem a vantagem de medir certas faixas de altura sem uma varredura vertical, pode medir superfícies muito rugosas com facilidade e superfícies lisas até a faixa de nm único. O fato de esses sensores não possuírem partes móveis permite velocidades de varredura muito altas e os torna muito repetíveis. Configurações com uma abertura numérica alta podem medir em flancos relativamente íngremes. Vários sensores, com faixas de medição iguais ou diferentes, podem ser usados simultaneamente, permitindo abordagens de medição diferencial (TTV) ou expandindo o caso de uso de um sistema.
Perfilômetro de contato: este método é a técnica de medição de superfície mais comum. As vantagens são que é um instrumento barato e tem resolução lateral maior do que as técnicas ópticas, dependendo do raio da ponta da caneta escolhido. Novos sistemas podem fazer medições 3D além de traços 2D e podem medir formas e dimensões críticas, bem como rugosidade. No entanto, as desvantagens são que a ponta da ponta deve estar em contato físico com a superfície, o que pode alterar a superfície e / ou a ponta e causar contaminação. Além disso, devido à interação mecânica, as velocidades de varredura são significativamente mais lentas do que com métodos ópticos. Por causa do ângulo da haste da ponta, os profilômetros de ponta não podem medir até a borda de uma estrutura ascendente, causando uma "sombra" ou área indefinida, geralmente muito maior do que o típico para sistemas ópticos.

Resolução

A escala da medição desejada ajudará a decidir qual tipo de microscópio será usado.

Para medições 3D, a sonda é comandada para digitalizar sobre uma área 2D na superfície. O espaçamento entre os pontos de dados pode não ser o mesmo nas duas direções.

Em alguns casos, a física do instrumento de medição pode ter um grande efeito nos dados. Isso é especialmente verdadeiro ao medir superfícies muito lisas. Para medições de contato, o problema mais óbvio é que a caneta pode arranhar a superfície medida. Outro problema é que o estilete pode ser cego demais para atingir o fundo de vales profundos e pode arredondar as pontas de picos agudos. Nesse caso, a sonda é um filtro físico que limita a precisão do instrumento.

Parâmetros de rugosidade

A geometria da superfície real é tão complicada que um número finito de parâmetros não pode fornecer uma descrição completa. Se o número de parâmetros usados for aumentado, uma descrição mais precisa pode ser obtida. Esta é uma das razões para a introdução de novos parâmetros para avaliação de superfície. Os parâmetros de rugosidade da superfície são normalmente classificados em três grupos de acordo com sua funcionalidade. Esses grupos são definidos como parâmetros de amplitude, parâmetros de espaçamento e parâmetros híbridos.

Parâmetros de rugosidade do perfil

Os parâmetros usados para descrever superfícies são em grande parte indicadores estatísticos obtidos de muitas amostras da altura da superfície. Alguns exemplos incluem:

Tabela de métricas de superfície úteis
Parâmetro	Nome	Descrição	Modelo	Fórmula
R _a , R _aa , R _yni	média aritmética de valores absolutos	Média dos valores absolutos das alturas do perfil medidos a partir de uma linha média calculada sobre o perfil	Amplitude	${\ displaystyle R_ {a} = {\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} \ left \| y_ {i} \ right \|}$
R _q , R _RMS	raiz média quadrada		Amplitude	${\ displaystyle R_ {q} = {\ sqrt {{\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} y_ {i} ^ {2}}}}$
R _v	profundidade máxima do vale	Profundidade máxima do perfil abaixo da linha média com o comprimento de amostragem	Amplitude	${\ displaystyle R_ {v} = \ min _ {i} y_ {i}}$
R _p	altura máxima de pico	Altura máxima do perfil acima da linha média dentro do comprimento de amostragem	Amplitude	${\ displaystyle R_ {p} = \ max _ {i} y_ {i}}$
R _t	Altura Máxima do Perfil	Altura máxima de pico a vale do perfil no comprimento de avaliação	Amplitude	${\ displaystyle R_ {t} = R_ {p} -R_ {v}}$
R _sk	Skewness	Simetria do perfil sobre a linha média	Amplitude	${\ displaystyle R_ {sk} = {\ frac {1} {nR_ {q} ^ {3}}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} y_ {i} ^ {3}}$
R _ku	Curtose	Medida da nitidez do perfil da superfície	Híbrido	${\ displaystyle R_ {ku} = {\ frac {1} {nR_ {q} ^ {4}}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} y_ {i} ^ {4}}$
RS _m	Espaçamento de pico médio	Espaçamento médio entre picos na linha média	Espacial	${\ displaystyle RS_ {m} = {\ frac {1} {n}} \ sum _ {i = 1} ^ {n} S_ {i}}$

Este é um pequeno subconjunto de parâmetros disponíveis descritos em padrões como ASME B46.1 e ISO 4287. A maioria desses parâmetros se originou dos recursos de profilômetros e outros sistemas de sondas mecânicas. Além disso, novas medidas de dimensões superficiais foram desenvolvidas, as quais estão mais diretamente relacionadas às medidas possibilitadas pelas tecnologias de medição óptica de alta definição.

Muitos desses parâmetros podem ser estimados usando o plugin SurfCharJ [1] para o ImageJ .

Parâmetros de superfície Areal

A rugosidade da superfície também pode ser calculada sobre uma área. Isso dá os valores de S _{a em} vez de R _a . A série ISO 25178 descreve todos esses valores de rugosidade em detalhes. As vantagens sobre os parâmetros do perfil são:

valores mais significativos
mais relação com a função real possível
medição mais rápida possível com instrumentos reais (instrumentos baseados em área óptica podem medir um S _a em velocidade mais alta do que R _a .

As superfícies têm propriedades fractais , medições em várias escalas também podem ser feitas, como Análise Fractal em Escala de Comprimento ou Análise Fractal em Escala de Área.

Filtrando

Para obter a característica da superfície, quase todas as medições estão sujeitas a filtragem. É um dos tópicos mais importantes quando se trata de especificar e controlar atributos de superfície, como rugosidade, ondulação e erro de forma. Esses componentes dos desvios da superfície devem ser distintamente separáveis na medição para alcançar um entendimento claro entre o fornecedor da superfície e o recipiente da superfície quanto às características esperadas da superfície em questão. Normalmente, os filtros digitais ou analógicos são usados para separar o erro de forma, ondulação e rugosidade resultante de uma medição. Os principais métodos de filtragem multi-escala são filtragem Gaussiana, transformada Wavelet e, mais recentemente, Decomposição Modal Discreta. Existem três características desses filtros que devem ser conhecidas para entender os valores dos parâmetros que um instrumento pode calcular. Estes são o comprimento de onda espacial no qual um filtro separa a aspereza da ondulação ou ondulação do erro de forma, a nitidez de um filtro ou quão claramente o filtro separa dois componentes dos desvios da superfície e a distorção de um filtro ou o quanto o filtro altera um espaço componente de comprimento de onda no processo de separação.

Veja também

Perfilômetro
Imagem de alcance - Técnica que produz uma imagem 2D mostrando a distância a pontos em uma cena a partir de um ponto específico.

links externos

Guia de metrologia de superfície

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