Metrología de superficie

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Medición de las características a pequeña escala en las superficies

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 el acabado de la superficie (incluida la rugosidad de la superficie) son los parámetros más comúnmente asociados con este campo. Es importante para muchas disciplinas y es conocido principalmente por el mecanizado de piezas y conjuntos de precisión que contienen superficies de contacto o que deben operar con altas presiones internas.

El acabado superficial se puede medir de dos maneras: métodos de contacto y sin contacto. Los métodos de contacto implican arrastrar un lápiz de medición por la superficie; Estos instrumentos se llaman 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 pasa perpendicular a la disposición de la superficie. La sonda generalmente traza una línea recta sobre una superficie plana o 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 medición debe ser al menos siete veces más larga que la longitud de muestreo y, según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, debe ser al menos dos veces más larga que la longitud de onda de las características interesantes. La duración de la evaluación o duración de la evaluación es la longitud de los datos que se utilizarán para el análisis. Normalmente 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 de la superficie.

La desventaja de un perfilómetro es que no es preciso cuando el tamaño de las características de la superficie son casi del mismo tamaño que el lápiz. Otra desventaja es que los perfilómetros tienen dificultades para detectar defectos del mismo tamaño general que la rugosidad de la superficie. También existen limitaciones para los instrumentos sin contacto. Por ejemplo, los instrumentos que dependen de la interferencia óptica no pueden resolver características que sean 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 unos 650 nm, mientras que la rugosidad media (R_a) de un pozo de tierra podría ser de 200 nm.

El primer paso del análisis es filtrar los datos sin procesar para eliminar los datos de muy alta frecuencia (llamados "microrugosidad"), ya que a menudo pueden atribuirse a vibraciones o residuos en la superficie. Filtrar la microrugosidad en un umbral de corte determinado también permite aproximar la evaluación de la rugosidad realizada utilizando perfilómetros que tienen diferentes radios de bola de palpador, p. 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 las superficies se analizaba habitualmente a mano. La traza de rugosidad se trazaría en papel cuadriculado y un maquinista experimentado decidiría 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.

El efecto de diferentes técnicas de eliminación de formas en el análisis de acabado superficial
Parcelas que muestran cómo la frecuencia de corte de filtro afecta la separación entre la ondulación y la rugosidad
Ilustración que muestra cómo el perfil crudo 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 un trazo de acabado superficial en onda 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 rugosidad básica, la onda o la medición de forma que requiere sólo perfiles 2D (por ejemplo, el cálculo del valor Ra).
El sistema nunca es atraído por las propiedades ópticas de una muestra (por ejemplo, altamente reflectante, transparente, microestructurada).
El estilo ignora la película de aceite que cubre muchos componentes metálicos durante su proceso industrial.

Tecnologías:

Contacta con Profilometers – tradicionalmente usa un estilo de diamante y trabaja como un fonógrafo.
El microscopio de fuerza atómica se considera a veces también perfiles de contacto que operan a escala atómica.

Sin contacto (microscopios ópticos)

Los instrumentos de medición ópticos tienen algunas ventajas sobre los táctiles como las siguientes:

sin tocar la superficie (la muestra no puede dañarse)
la velocidad de medición es generalmente mucho mayor (hasta un millón de puntos 3D se pueden medir en un segundo)
algunos de ellos son genuinamente construidos para la topografía de superficie 3D en lugar de simples trazas de datos
pueden medir superficies a través de medios transparentes como vidrio o película de plástico
La medición no contacto puede ser a veces la única solución cuando el componente a medida es muy suave (por ejemplo, depósito de contaminación) o muy duro (por ejemplo, papel abrasivo).

Escaneo vertical:

Coherencia de exploración interferometría
Microscopía focalizada
Variación focal
Aberración cromática focalizada

Escaneo horizontal:

Microscopio láser escaneado (SLM)
Escaneo de luz estructurada

Sin escaneo

Microscopía holográfica digital

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 resolución lateral equivalente a la mayoría de otras técnicas ópticas excepto confocal que tiene mejor resolución lateral. Los instrumentos pueden medir superficies muy lisas utilizando interferometría de cambio de fase (PSI) con alta repetibilidad vertical; estos sistemas pueden estar dedicados a la medición de piezas grandes (hasta 300mm) o microscopio. También pueden utilizar la interferometría de escaneo de coherencia (CSI) con una fuente de luz blanca para medir superficies empinadas o ásperas, incluyendo metal mecanizado, espuma, papel y más. Como sucede con todas las técnicas ópticas, la interacción de la luz con la muestra para estos instrumentos no se entiende completamente. Esto significa que los errores de medición pueden ocurrir especialmente para la medición de la rugosidad.
Holografía digital: este método proporciona topografía 3D con una resolución similar como interferometría. Además, como es una técnica no escandalosa, es ideal para la medición de muestras móviles, superficies deformables, dinámicas MEMS, reacciones químicas, el efecto del campo magnético o eléctrico en las muestras, y la medición de la presencia de vibraciones, en particular para el control de calidad.:
Variación focal: Este método ofrece información de color, puede medir en flancos empinados y puede medir en superficies muy ásperas. La desventaja es que este método no puede medir en superficies con una rugosidad superficial muy suave como una olla de silicio. La aplicación principal es el metal (partes y herramientas de montaje), muestras de plástico o papel.
Microscopia confocal: este método tiene la ventaja de alta resolución lateral debido al uso de un agujero de pin 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 focal: Este método tiene la ventaja de medir ciertos rangos de altura sin un escaneo vertical, puede medir superficies muy ásperas con facilidad, y superficies lisas hasta el rango de nm único. 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 abertura numérica alta pueden medir en flancos relativamente empinados. Múltiples sensores, con los mismos o diferentes rangos de medición, se pueden utilizar simultáneamente, permitiendo enfoques de medición diferencial (TTV) o ampliando el caso de uso de un sistema.
Profilometro de contacto: este método es la técnica de medición de superficie más común. Las ventajas son que es un instrumento barato y tiene una resolución lateral más alta que las técnicas ópticas, dependiendo del radio de punta stylus elegido. Los nuevos sistemas pueden hacer mediciones 3D además de trazas 2D y pueden medir la forma y dimensiones críticas, así como la rugosidad. Sin embargo, las desventajas son que la punta del estilís tiene que estar en contacto físico con la superficie, que puede alterar la superficie y/o el estilo y causar contaminación. Además, debido a la interacción mecánica, las velocidades de exploración son significativamente más lentas que con métodos ópticos. Debido al ángulo de estilismo, los profilometros stylus no pueden medir hasta el borde de una estructura ascendente, causando un área "shadow" o no definida, generalmente mucho más grande que lo típico para sistemas ópticos.

Resolución

La escala de la medición deseada ayudará a decidir qué tipo de microscopio se utilizará.

Para mediciones 3D, se ordena a la sonda que escanee un área 2D en la superficie. El espacio entre los 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 en los datos. Esto es especialmente cierto cuando se miden superficies muy lisas. Para mediciones de contacto, el problema más obvio es que el lápiz puede rayar la superficie medida. Otro problema es que el lápiz puede ser demasiado desafilado para alcanzar el 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. Esta es una de las razones para introducir nuevos parámetros para la evaluación de superficies. Los parámetros de rugosidad superficial normalmente se clasifican en tres grupos según su funcionalidad. Estos grupos se definen como parámetros de amplitud, parámetros de espaciado y parámetros híbridos.

Parámetros de rugosidad del perfil

Los parámetros utilizados para describir superficies son en gran medida indicadores estadísticos obtenidos de muchas muestras de la altura de la superficie. Algunos ejemplos incluyen:

Tabla de métricas superficiales útiles
Parámetro	Nombre	Descripción	Tipo	Formula
R_aR_aaR_Yni	promedio aritmético de valores absolutos	Significado de los valores absolutos de las alturas del perfil medidos desde una línea media promediada sobre el perfil	Amplitud	${displaystyle R_{a}={frac {1}{n}}sum _{i=1}^{n}left\|y_{i}right\|}$
R_qR_RMS	root mean squared		Amplitud	${displaystyle R_{q}={sqrt {{frac {1}{n}}sum _{i=1}^{n}y_{i}^{2}}}}$
R_v	máxima profundidad del valle	Profundidad máxima del perfil debajo de la línea media con la longitud de muestreo	Amplitud	${displaystyle R_{v}=min _{i}y_{i}}$
R_p	altura máxima	Altura máxima del perfil sobre la línea media dentro de la longitud de muestreo	Amplitud	${displaystyle R_{p}=max _{i}y_{i}}$
R_t	Altura máxima del perfil	Máxima altura a la altura del valle del perfil en la longitud de evaluación	Amplitud	${displaystyle R_{t}=R_{p}-R_{v}}$
R_sk	Skewness	Simmetría del perfil sobre la línea media	Amplitud	${displaystyle R_{sk}={frac {1}{nR_{q}^{3}}}sum _{i=1}^{n}y_{i}^{3}}$
R_ku	Kurtosis	Medición de la agudización del perfil de la superficie	híbrido	${displaystyle R_{ku}={frac {1}{nR_{q}^{4}}}sum _{i=1}^{n}y_{i}^{4}}$
RS_m	Mean Peak Spacing	Significado Espacio entre picos en la línea media	Espacial	${displaystyle RS_{m}={frac {1}{n}}sum _{i=1}^{n}S_{i}}$

Este es un pequeño subconjunto de parámetros disponibles descritos en estándares como ASME B46.1 e ISO 4287. 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 dimensiones superficiales que están más directamente relacionadas con las mediciones 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 real

La rugosidad de la superficie también se puede calcular sobre un área. Esto da valores 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 importantes
más relación con la función real posible
medición más rápida con instrumentos reales posibles (los instrumentos basados en el areal óptico pueden medir un S_a en velocidad superior entonces R_a.

Las superficies tienen propiedades fractales; también se pueden realizar mediciones a múltiples escalas, como el análisis fractal a escala de longitud o el análisis fractal a escala de área.

Filtrado

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 poder separarse claramente en la medición para lograr un entendimiento claro entre el proveedor de la superficie y el destinatario de la superficie sobre 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 resultantes de una medición. Los principales métodos de filtrado multiescala son el filtrado gaussiano, la transformada Wavelet y, más recientemente, la descomposición modal discreta. Hay tres características de estos filtros que se deben conocer para comprender los valores de los parámetros que puede calcular un instrumento. Estos son la longitud de onda espacial en la que un filtro separa la rugosidad de la ondulación o la ondulación del error de forma, la nitidez de un filtro o la limpieza con la que el filtro separa dos componentes de las desviaciones de la superficie y la distorsión de un filtro o cuánto altera el filtro una espacial. Componente de longitud de onda en el proceso de separación.

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