Metrologia ottica delle superfici per una maggiore qualità di produzione

Le superfici sono solitamente il risultato di un processo di produzione spesso in più fasi. Pertanto, solo un processo di produzione attentamente coordinato e monitorato dal punto di vista della qualità può portare al risultato desiderato. I metodi di misurazione ottica come metodo di analisi e controllo senza contatto e non distruttivo (Fig. 1) aprono interessanti possibilità in questo senso, poiché possono essere utilizzati per quasi tutti i materiali e sono adatti anche per le superfici sensibili.

Metodi di misura collaudati con limiti

Tradizionalmente, gli strumenti di misura tattili sono ancora utilizzati nella metrologia delle superfici. Il cosiddetto metodo dello stilo è particolarmente diffuso. In questo caso, la punta di un sottile stilo di diamante viene guidata sulla superficie e deviata verticalmente dalla struttura della superficie. Le informazioni sulla superficie si ottengono quindi in modo bidimensionale lungo un profilo. La procedura è descritta in dettaglio nelle norme pertinenti, come la DIN EN ISO 3274 o la DIN 4287, e si è dimostrata efficace nella pratica. Tuttavia, la misura in cui la riduzione della superficie a una sezione di profilo fornisce risultati sufficienti dipende dai requisiti, perché il risultato del parametro di rugosità è fortemente influenzato dalla posizione di misura selezionata. La descrizione delle condizioni della superficie come sezione del profilo non è quindi di solito sufficiente per fare affermazioni sulla funzionalità dell'intera superficie o per ottimizzare la produzione. Questo è diverso dalla misurazione ottica tridimensionale, che può rilevare l'intera superficie. Con il metodo senza contatto, si esclude anche il danneggiamento della superficie (Fig. 2).

La scelta della lunghezza d'onda di taglio

Nella misurazione ottica della superficie, la rugosità, la forma e l'ondulazione non sono caratteristiche nettamente delineate che esistono separatamente l'una accanto all'altra. Invece, una superficie può essere descritta come una sovrapposizione di numerose lunghezze d'onda, in cui la transizione dalle componenti di forma a onde particolarmente lunghe alle componenti di ondulazione e alle componenti di rugosità a onde corte è fluida (Fig. 3). I filtri di frequenza sono responsabili della separazione. Applicando questi filtri passa-basso o passa-alto con caratteristiche gaussiane, si ottiene un profilo o una superficie a larghezza di banda limitata per un'ulteriore valutazione. La scelta delle rispettive lunghezze d'onda di taglio è di fondamentale importanza, perché a seconda dell'impostazione si possono ottenere valori di misura diversi per il misurando desiderato.

Le catene di misura per la valutazione delle superfici o dei profili che possono essere applicate oggi alla metrologia ottica sono descritte nelle serie di norme ISO 25178 o ISO 4287. Nella misurazione basata sul profilo, la lunghezza d'onda di taglio, la distanza di misurazione singola e la lunghezza di valutazione sono determinate in funzione delle proprietà della superficie sulla base di una tabella. A tal fine, vengono prima stimati i parametri di texture previsti e poi vengono effettuate le misurazioni di prova. Non esiste una tabella comparabile per la misurazione delle aree, ma è consigliabile scegliere gli stessi valori o valori simili come base per le misurazioni di prova. I parametri di ampiezza e altezza frequentemente utilizzati nella pratica sono stati ampiamente estesi alla valutazione areale nel nuovo standard. In questo caso, la misurazione e la valutazione bidimensionale della topografia ha il vantaggio di non dipendere dalla scelta della posizione di misurazione e quindi - soprattutto nel caso di superfici disomogenee o difettose - fornisce risultati più affidabili (Fig. 4).

Parametri nella metrologia delle superfici

Per il gran numero di parametri delle norme sui profili ISO 4287 e ISO 13565, è possibile trovare un equivalente nella più recente norma sulle superfici ISO 25178. Oltre a ciò, tuttavia, la valutazione della topografia basata sulla superficie offre ulteriori possibilità grazie alle dimensioni aggiunte, che consentono una valutazione della superficie orientata alle funzioni. Le curve di proporzione dei materiali basate sui dati di superficie consentono, ad esempio, di descrivere il comportamento funzionale di una superficie (Fig. 5a, b). È possibile aggiungere altre valutazioni basate sul volume del materiale o su parametri topografici, che forniscono ulteriori approfondimenti.

In sintesi, si può affermare che la tecnica di misurazione della superficie 2D profilata continuerà probabilmente a essere utile solo nel medio termine, laddove il suo valore informativo è sufficiente. La caratterizzazione bidimensionale della superficie con l'ausilio della tecnologia di misurazione ottica 3D offre molte più possibilità. Le apparecchiature di misura devono quindi essere integrate o sostituite al più tardi quando i valori caratteristici 2D non sono più in grado di descrivere le caratteristiche o la funzione di una superficie con sufficiente accuratezza o solo in modo inaffidabile. La tecnologia di misurazione ottica tridimensionale non solo fornisce una valutazione orientata alla funzione e alla struttura, ma anche un'immagine della superficie di più facile comprensione per l'uomo.

Autori:
Dr.-Ing. Özgür Tan, Jan Zepp, Polytec GmbH, e Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee (http://www.rbsonline.de)

Informazioni su Polytec

In qualità di pioniere della tecnologia laser, Polytec offre soluzioni di misurazione ottica per la ricerca e l'industria dal 1967. Dopo i primi anni come distributore, l'azienda high-tech con sede a Waldbronn, vicino a Karlsruhe, si è fatta un nome già negli anni '70 come sviluppatore di propri dispositivi di misura basati sul laser e oggi è leader del mercato mondiale nel campo della tecnologia di misurazione delle vibrazioni senza contatto con vibrometri laser. Anche i sistemi per la misurazione della lunghezza e della velocità, la caratterizzazione delle superfici, l'analisi e l'automazione dei processi fanno parte dell'ampia gamma di sviluppi interni. Un'altra competenza fondamentale di Polytec è la distribuzione di componenti per l'elaborazione delle immagini e di sistemi ottici.

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