Metrologia w skali makro – jak zmieniają się polskie laboratoria metrologiczne

Makro pomiary: skanowanie powierzchni wewnętrznych

Skoro opisaliśmy skanowanie powierzchni zewnętrznych, warto parę słów poświęcić skanowaniu wnętrza przedmiotów. W tym bowiem celu od prawie 10 lat z powodzeniem stosujemy rentgenowską tomografię komputerową (CT). Jest ona w naukach inżynierskich określana jako techniczna tomografia komputerowa bądź też micro-CT. Urządzenia w niej funkcjonujące są oparte na promieniowaniu X. Dzięki ich zastosowaniu możliwe jest nie tylko obrazowanie elementów defektów w przedmiotach, ale także pomiary cech geometrycznych, nawet całkowicie niewidocznych [3].

Konstrukcja tomografu do zastosowań technicznych składa się z lampy, manipulatora z uchwytem do przedmiotu a także detektora obrazu zamocowanych na wspólnej ramie. Bardzo istotnym elementem jest oprogramowanie do przygotowania jak również analizy danych pomiarowych. Dzięki niemu z jednej strony usuwane są artefakty, a z drugiej obliczane są cechy geometryczne. Tomografy techniczne, z uwagi na swoje parametry, są przeznaczone do bardzo różnych zastosowań w skali makro, chociaż coraz częściej pojawiają się pomysły zastosowania ich do analiz w mniejszych skalach, w tym również do pomiaru nierówności powierzchni [4], przede wszystkim z uwagi na możliwość wiernego odwzorowania dowolnych przestrzennych struktur geometrycznych powierzchni uzyskiwanych na drodze wytwarzania przyrostowego. Przydatny do tego jest tomograf o wysokiej rozdzielczości, czyli taki, jaki dołączył do naszych starszych urządzeń pod koniec ubiegłego roku.

Działanie tomografu

Tomograf Waygate V|tome|x M 300 metrology|edition, bo o nim właśnie mowa, pozwala na skanowanie szerokiej gamy materiałów – od małych próbek biologicznych aż po duże elementy wykonane z metali i ich stopów. Posiada granitową podstawę z precyzyjnym stołem obrotowym na łożyskach powietrznych, stabilizowany temperaturowo detektor panelowy 4,0 Mpix o wysokim kontraście a także dwie automatycznie przełączane lampy: mikrofocus 300 kV/500 W i nanofocus 180 kV/15 W (zapewniającą wykrywalność szczegółów o wielkości od 0,2 μm). Tomograf zapewnia pomiar próbki o wysokości 400 mm i średnicy 400 mm z MPE na poziomie 3,0+L/100 μm dla dowolnej pozycji w całym zakresie osi powiększenia. System posiada dedykowane oprogramowanie, które odpowiada m.in. za: sterowanie wszystkimi elementami, generowanie projekcji, rekonstrukcję danych a także redukcję artefaktów [5]. Dzięki niemu w zakładzie realizowane jest np. skanowanie bez konieczności wykonania pełnego obrotu przez próbkę. Wygląd tomografu przedstawia fot. 2.

Uzyskane dane trafiają do oprogramowania pomiarowego VGStudio Max, które służy do wizualizacji a także analizy danych uzyskanych przy użyciu tomografii komputerowej. Mamy tu dostępne moduły m.in. do:

• pomiarów współrzędnościowych,
• porównania z modelem CAD,
• analizy defektów,
• grubości ścianek,
• przepływu i przewodnictwa,
• materiałów kompozytowych i gąbczastych,
• symulacji wytrzymałościowych i inżynierii odwrotnej.

Rozwiązania multisensoryczne

Bardzo ważnym elementem Metrologii 4.0 są rozwiązania multisensoryczne. Kierując się tym przesłaniem, w Instytucie Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej do istniejących rozwiązań opartych na najprostszej możliwości ‒ wykorzystaniu głowicy stykowej (z różnymi końcówkami) a także optyki mikroskopowej ‒ dołożono systemy bardziej wysublimowane. Współczesne urządzenia multisensorowe wywodzące się ze skali makro rozwijają się w stronę mikro, a nawet nano. Coraz częściej na klasycznej, bardzo dokładnej współrzędnościowej maszynie pomiarowej montuje się końcówki do optycznych pomiarów kształtu a także nierówności powierzchni.

Maszyna pomiarowa Leitz PMM-C 12.10.7

Wyrazem tego są rozwiązania zastosowane w naszej współrzędnościowej maszynie pomiarowej Leitz PMM-C 12.10.7 z przestrzenią pomiarową o podwyższonej dokładności. Jej multisensoryka opiera się na bazie stykowej maszyny współrzędnościowej o przestrzeni pomiarowej 1200 x 1000 x 700 mm, konstrukcji portalowej ze stołem posiadającym centralny napęd. To jest najlepszym układem z punktu widzenia dokładności. Cennym dodatkiem jest stół obrotowy (rozdzielczość układu pomiaru kąta – 0,035 sekundy kątowej). Jest on na stałe zintegrowany ze stołem maszyny pomiarowej i w nim zabudowany.

Aby zapewnić parametry dokładnościowe, maszyna posiada:

• aktywny system korekcji temperatury wszystkich osi,
• system monitoringu warunków środowiskowych w pomieszczeniu,
• aktywny system tłumienia drgań.

System zbiera dane w oparciu o trzy głowice (z systemem automatycznej wymiany): stykową pracującą bez przegubu obrotowo-uchylnego, stykową pracującą na przegubie obrotowo-uchylnym oraz bezstykową pracującą również na przegubie obrotowo-uchylnym. Maksymalne błędy dopuszczalne MPE dla głowicy stykowej zgodnie z ISO 10360-2 nie przekraczają 0,5+L/700 μm przy powtarzalności 0,3 μm. Zgodnie z ISO 12181 RONt jest na poziomie 0,5 μm. Skaning stykowy odbywa się z maksymalną liczbą rejestrowanych punktów pomiarowych 1000 na sekundę. Pomiar bezstykowy odbywa się za pomocą chromatycznego sensora konfokalnego z zakresem pomiarowym 0,3 mm a także rozdzielczością 10 nm w kierunku osi optycznej. Wygląd maszyny pokazano na fot. 3.

Dane pomiarowe zarządzane są przez oprogramowanie Quindos 7, które umożliwia pomiary elementów geometrycznych, pomiary w oparciu o model CAD, ocenę parametrów GD&T, a także posiada szereg opcji pomiaru geometrii specjalnych, jak: koła zębate i inne elementy uzębione, gwinty, łopatki i wirniki, narzędzia, wałki rozrządu, gniazda zaworowe i prowadnice oraz tłoki.

Galeria