Skala mikro i nano. Nowe możliwości w Zakładzie Metrologii i Systemów Pomiarowych

Z artykułu dowiesz się:

  • jakie trendy rozwojowe towarzyszą pomiarom w skali mikro i nano;
  • jakie możliwości w tym zakresie ma Politechnika Poznańska;
  • jak przedstawia się perspektywa w zakresie metrologii dla Polski na tle innych krajów Europy.

W artykule przyglądamy się pomiarom w skali mikro oraz nano. Jakie są trendy rozwoju oraz jakie możliwości w tym zakresie ma Politechnika Poznańska?

W skali mikro i mezo coraz częściej stosowane są optyczne techniki analizy powierzchni, zarówno w świecie naukowym, jak i przemysłowym. W wielu aplikacjach stosuje się profilometry stykowe (sami mamy ich kilka w Zakładzie Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Poznańskiej). Niemniej różnorodność metod i przyrządów daje większą elastyczność i możliwości badawcze [1]. Podstawową wadą pomiarów stykowych, zwłaszcza w ujęciu 3D, jest czas ich realizacji. Wynika on z konieczności powolnego przemieszczania końcówki stykowej po mierzonej powierzchni. Pomiary optyczne, podobnie jak w skali makro, pozwalają uzyskać dane z powierzchni w wielokrotnie krótszym czasie oraz bez kontaktu z mierzonym przedmiotem.

Techniki optyczne

Najbardziej obiecujące z technik optycznych wydają się być skaningowa interferometria koherentna (CSI) i mikroskopia różnicowania ogniskowego (ang. focus variation microscopy, FVM). O tej pierwszej wspomniano przy okazji prezentacji głowic w maszynie multisensorycznej.

Teraz krótko o mikroskopie różnicowania ogniskowego jako najbardziej chyba rozpowszechnionym w aplikacjach przemysłowych przyrządzie optycznym do pomiaru powierzchni w skali mikro, a także mezo. W tym systemie istotnym elementem jest mikroskop, który ostry obraz pokazuje na pewnej wysokości, rozbudowany o precyzyjną oś pionową pozwalającą na zbieranie takich właśnie ostrych obrazów w całym zakresie pomiarowym. Wszystkie zebrane ujęcia z dobrymi danymi pomiarowymi zostają następnie przekształcone w przestrzenny obraz trójwymiarowy. Taki mikroskop obejmuje również skale mikro i mezo. Zatem oprócz nierówności powierzchni znakomicie nadaje się również do pomiaru cech geometrycznych w najróżniejszych aplikacjach [2].

Nowe maszyny, nowe możliwości pomiarowe

Z tego względu w Zakładzie Metrologii i Systemów Pomiarowych Politechniki Poznańskiej stosowany jest optyczny, bezstykowy system pomiarowy Alicona μCMM. Jest to optyczna, współrzędnościowa maszyna pomiarowa wyposażona w automatycznie przełączane bezstykowe sensory pomiarowe. Pracują one w technologii różnicowania ogniskowego o rozdzielczościach nanometrycznych. Korpus urządzenia został wykonany z granitu, a elementy ruchome przemieszczają się na łożyskach aerostatycznych. Zakres pomiarowy to nieco ponad 300 x 300 x 300 mm, naturalnie wszystkie osie są zmotoryzowane, a także sterowane CNC. Dzięki technologii Vertical Focus Probing mierzymy nawet pionowe ściany, równoległe do toru optycznego. Natomiast Smart Flash Generation 2.0 daje opcję pomiaru powierzchni silnie refleksyjnych. Błędy maksymalne dopuszczalne zgodnie z normą ISO 10360-8 nie przekraczają 0,15 + L/50 μm dla pomiaru w trybie SingleMeasurement i 0,7 + L/600 μm dla trybu MultiMeasurement. System Alicona μCMM zaprezentowano na fot. 1.

W ciągu ostatnich lat metrologia zmienia się pod względem usług oferowanych przez wyspecjalizowane laboratoria pomiarowe.
Fot. 1. Współrzędnościowa maszyna pomiarowa w konwencji mikroskopu różnicowania ogniskowego

Zebrane dane pomiarowe są zapisywane w postaci chmury punktów 3D wraz z danymi o rzeczywistym kolorze. Oprogramowanie pozwala z jednej strony na pomiar wymiarów geometrycznych 2D i 3D a także odchyłek kształtu. Z drugiej: na pomiar dowolnych składowych nierówności w układzie 2D i 3D. Dodatkowo wykorzystujemy moduł do pomiaru cech geometrycznych narzędzi skrawających a także do automatycznej oceny danych zawierający możliwość porównania dwóch różnych elementów geometrycznych (wyznaczenie odchyłek dla powierzchni względem elementu referencyjnego ‒ np. modelu CAD).

Skaningowy mikroskop elektronowy: jakie możliwości pomiarowe daje?

Na powierzchniach zachodzą także zjawiska i pojawiają się nierówności w skali subnanometrycznej. Ich obserwacja jest szczególnie istotna we współczesnych metodach oceny funkcjonalnej, szczególnie w obszarze tzw. technologii wysokich. Jego zasada polega na tym, że wiązka elektronów wychodzi ze źródła, jakim jest działo elektronowe. Po przejściu przez układ soczewek kondensujących, a także cewek kierujących pada na powierzchnię analizowanego przedmiotu, skanując jej obszar. Elektrony emitowane z powierzchni są rejestrowane przez detektor. Efekt jego pracy (obraz powierzchni) jest sygnałem wejściowym dla układów przetwarzających zebrane informacje na obraz. Nasz wysokorozdzielczy mikroskop to JEOL JSM–IT700HR/LV z emisją polową (emiter Schottky’ego) a także możliwością pracy w warunkach wysokiej i niskiej próżni pokazano na fot. 2.

W ciągu ostatnich lat metrologia zmienia się pod względem usług oferowanych przez wyspecjalizowane laboratoria pomiarowe.
Fot. 2. Skaningowy mikroskop elektronowy

Komora pozwala na umieszczenie próbki o wysokości do 80 mm i średnicy do 200 mm. Jest wyposażona w stolik zmotoryzowany w pięciu osiach (trzy osie liniowe, obrót i pochylenie). Pracujemy z powiększeniami od 5x do 600 000x, uzyskując rozdzielczość na poziomie nanometra. Mikroskop posiada detektory elektronów wtórnych (oddzielnie do pracy w warunkach wysokiej i niskiej próżni) oraz detektor elektronów wstecznie rozproszonych (BSE). Możemy w nim także zabudować urządzenie do badań mechanicznych in-situ Alemnis, czyli na przykład do obserwacji zjawisk zachodzących podczas kontaktu dwóch powierzchni. Praca odbywa się przy sile w zakresie od 4 µN do 0,5 N i zagłębieniu do 40 µm. Możliwe są także badania dynamiczne z maksymalną częstotliwością odkształcania materiału do 200 Hz.

Doskonalsze możliwości pomiarowe dzięki systemowi do precyzyjnych pomiarów tribologicznych

Dzięki projektowi NSMET w instytucie pojawiło się także stanowisko do precyzyjnych pomiarów tribologicznych. System składa się z platformy Anton Paar Step 700 zawierającej głowicę pomiarową nanotribotestera, głowicę pomiarową testu na zarysowanie, mikroskop optyczny ze zintegrowaną kamerą cyfrową) jak również stoliki. Dokładne pomiary ułatwia aktywne tłumienie drgań. Nanotribotester pozwala na badanie zużycia z prędkością obrotową do 200 obr./min przy sile normalnej do 1000 mN. Przy zarysowaniu mierzone są siły tarcia od 1 μN do 1000 mN przy przemieszczaniu próbki z prędkością od 0,1 do 600 mm/min. Wygląd stanowiska przedstawiono na fot. 3.

W ciągu ostatnich lat metrologia zmienia się pod względem usług oferowanych przez wyspecjalizowane laboratoria pomiarowe.
Fot. 3. Stanowisko do precyzyjnych pomiarów tribologicznych

Jako metrolodzy z krwi i kości do posiadanego sprzętu mamy odpowiednie wzorce. W tym m.in.:

  • metrowy wzorzec stopniowy z uchwytem uchylnym do weryfikacji współrzędnościowych maszyn pomiarowych,
  • liniały szklane do sprawdzania urządzeń optycznych,
  • wzorce nierówności powierzchni różnego typu i wzorce kształtu (stopnie, kąty i powierzchnie cylindryczne).

Aby osiągnąć odpowiednie warunki, konieczna była także środowiskowa modernizacja laboratorium z jego podziałem na pomieszczenia o odpowiednich warunkach temperaturowych. Istotna była nie tylko sama temperatura w pomieszczeniu, ale także jej gradienty przestrzenne (na metr odległości) i czasowe (na godzinę i na dobę). Najbardziej wymagające pomieszczenie posiada obecnie w zakresie urządzeń pomiarowych dopuszczalny zakres temperatur 19-21°C, przy zmienności temperatury nieprzekraczającej 0,5°C/godzinę, 0,5°C/24 godziny i 0,5°C/metr przestrzeni.

Podsumowanie

Niezależnie od dziedziny czy też dyscypliny, pomiar jest integralną częścią naszego życia. Podsumowując, Metrologia 4.0 staje się bardzo istotnym elementem funkcjonowania przemysłu. Zmienia filozofię a także organizację pomiarów realizowanych w oparciu o nowe techniki pomiarowe. Rozwój metrologii długości i kąta warunkuje postęp w wielu obszarach naszego życia. Dlatego, dzięki utworzeniu NSMET, Polska może stać się światowym liderem w tym obszarze badawczym. A dzięki temu: stymulatorem rozwoju najbardziej pożądanych obszarów przemysłu opartych o najwyższe technologie. Biorąc pod uwagę, że proponowana infrastruktura badawcza będzie miała charakter rozproszony, laboratorium NSMET w Politechnice Poznańskiej ma określone zadania komplementarne w stosunku do pozostałych członków konsorcjum.

Infrastruktura pomiarowa

Instytut Technologii Mechanicznej już przed projektem dysponował rozwiniętą bazą infrastrukturalną, do której należały m.in.:

  • optyczne skanery współrzędnościowe bazujące na świetle laserowym i strukturalnym,
  • współrzędnościowe maszyny pomiarowe stykowe i optyczno-stykowe,
  • współrzędnościowe ramię pomiarowe,
  • techniczny tomograf komputerowy,
  • profilometry,
  • skaningowy interferometr koherentny,
  • mikroskop sił atomowych,
  • mikroskop holograficzny,
  • przyrządy do pomiaru odchyłek kształtu,
  • wibrometr laserowy,
  • zestaw pasywnych i aktywnych kamer termowizyjnych itp.

Jednak dopiero realizacja projektu w ramach NSMET pozwoliła stworzyć laboratorium o potencjale wyróżniającym się w skali europejskiej.

Skaner, tomograf, multisensoryczne współrzędnościowe maszyny pomiarowe i mikroskop różnicowania ogniskowego stworzyły multiskalowy system pomiaru i digitalizacji. Składa się z modułów umożliwiających analizę i zebranie danych cyfrowych przedmiotu w skali makro, mezo i mikro, a następnie ich połączenie w jednym pliku. Taka opcja stwarza możliwość modelowania wszystkich cech przedmiotu jednocześnie oraz prowadzenie badań eksploatacyjnych i wytrzymałościowych na modelu opierającym się na różnych skalach. Infrastruktura pozwala też rozwinąć badania na temat wykorzystania sztucznej inteligencji w metrologii. Nam nimi Politechnika Poznańska pracuje już od jakiegoś czasu [3].

W ciągu ostatnich lat metrologia z punktu widzenia przemysłu zmienia się pod względem usług oferowanych przez wyspecjalizowane laboratoria pomiarowe. Powoduje to rozwój idei outsourcingu, szczególnie w oparciu o analizę ekonomiczną utrzymania konkretnego systemu pomiarowego w danej firmie. Laboratorium NSMET w Politechnice Poznańskiej jest tu dobrym przykładem możliwości wsparcia sprzętowego i merytorycznego dla otoczenia społeczno-gospodarczego.

Podziękowania

Projekt „NSMET Narodowa Sieć Metrologii Współrzędnościowej” współfinansowany jest z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach „Działania 4.2 Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020”; nr umowy POIR.04.02.00-00-D012/20-00.

Piśmiennictwo

  1. Pawlus P. et al.: Comparison of results of surface texture measurement obtained with stylus methods and optical methods. „Metrology and Measurement Systems”, 25 (3), 2018, 589-602.
  2. Gapiński B. i in.: Bezstykowe pomiary nierówności powierzchni – cz. II. „Stal Metale & Nowe Technologie”, 5-6, 2019, 134-135.
  3. Wieczorowski M. et al.: A novel approach to using artificial intelligence in coordinate metrology including nano scale. „Measurement”, 217, 2023, 113051.
prof. dr hab. inż. Michał Wieczorowski
dr hab. inż. Bartosz Gapiński
dr hab. inż. Rafał Talar
prof. dr hab. Ewa Stachowska
dr inż. Michał Jakubowicz
dr inż. Karol Grochalski
dr inż. Dawid Kucharski
dr inż. Lidia Marciniak-Podsadna
mgr inż. Patryk Mietliński
mgr inż. Natalia Swojak
Politechnika Poznańska
Instytut Technologii Mechanicznej

Programista robotów: Gdzie pracować? Video z ekspertem.

Zapraszamy do obejrzenia drugiej części nagrania z ekspertką – Dobromiłą Włodarską (robotycy.com) na temat pracy programisty robotów przemysłowych.

STAL_9-10_24_Bozena_Gajdzik_DLUGOFALOWE_ZMIANY_RYNKOWE_UJECIE_HISTORYCZNE_CZ_II_iStock-1390249924
Partner kategorii:

Transformacja polskiego przemysłu stalowego na europejskim rynku stali. Długofalowe zmiany rynkowe w ujęciu historycznym, cz. II

Z artykułu dowiesz się: czy jest szansa na obniżenie energochłonności w hutach w Polsce; czy przemysł hutniczy inwestuje w innowacyjne rozwiązania;

targi-fastener-poland-miejsce-spotkan-ekspertow-fot-4

Targi FASTENER POLAND® – eksperci branży elementów złącznych z całego świata znowu spotkają się w Krakowie

Targi FASTENER POLAND®, które 25-26 września odbędą się w EXPO Kraków, to jedyne międzynarodowe targi elementów złącznych organizowane w Europie Środkowo-Wschodniej. Od siedmiu lat Targi FASTENER POLAND® są kluczowym forum wymiany do...

Anodowanie-twarde-anodowe-powloki-tlenkowe-na-aluminium-i-jego-stopach-dlaProdukcji.pl
Partner kategorii:

Twarde anodowe powłoki tlenkowe na aluminium i jego stopach

Anodowanie (eloksacja, od „elektrolityczna oksydacja”) – to powierzchniowa obróbka metali polegająca na elektrolitycznym wytworzeniu warstwy tlenku. Anodowanie stosuje się głównie w stosunku do aluminium i jego stopów. Można je także stosować do niektórych odmian stali, tytan...

sektor-transportowy-w-polsce-2025-rokiem-walki-o-przetrwanie

2025: kolejny rok walki o przetrwanie dla sektora TSL?

Rok 2024 miał być początkiem oddechu dla branży transportowo-spedycyjnej. Jednak rzeczywistość brutalnie zweryfikowała optymistyczne prognozy. Firmy logistyczne, a także transportowe i spedycyjne zmagają się z kryzysem finansowym, a przewidywania na 2025 rok nie przynoszą rewo...

STAL_11-12_20_technologie_ciecia_JAKOSC_PROCESU_CIECIA_LASEROWEGO_iStock-177007701
Partner kategorii:

Jakość procesu cięcia laserowego blach stalowych – wpływ zawartości krzemu i innych pierwiastków stopowych

Przeprowadzono analizę czynników i parametrów decydujących o jakości procesu cięcia laserowego. Zestawiono blachy stalowe o gwarantowanej przez producentów jakości cięcia laserowego laser grade steels. Opisano wpływ zawartości krzemu i innych pierwiastków stopowy...

conform-czyli-ciagle-wyciskanie-na-kole-rys-2

Ciągłe wyciskanie na kole (Conform®) – proces i możliwości wyciskania stopów magnezu serii AZ

Ciągłe wyciskanie na kole to proces poddawany wielu badaniom naukowym. Tym razem przyglądamy się badaniom prowadzonym przez Sieć Badawczą Łukasiewicz. Z artykułu dowiesz się:

Współczesne trendy rozwojowe w obróbce skrawaniem

Obróbka skrawaniem w technologii maszyn zajmuje miejsce w grupie obróbki kształtowej – ubytkowej. Jest wiodącą techniką wytwarzania i na razie nic nie wskazuje na to, aby miało się to zmienić. Zastosowanie obróbki skrawaniem jest bardzo szerokie...

fotowoltaika-na-dachach-plaskich-relacja-ze-szkolenia-bogucki

Relacja ze szkolenia „Fotowoltaika na dachach płaskich”

12 września 2024 roku w Strykowie odbyło się szkolenie pt. „Fotowoltaika na dachach płaskich”, zorganizowane przez Stowarzyszenie DAFA. Było to pierwsze takie przedsięwzięcie w Polsce, poświęcone szczegółowym aspektom projektowania i realizacji instalacji fotowoltaicznych na d...

ciecie-plazmowe-analiza-jakosci-powierzchni-ciecia-cz-1-rys-9

Cięcie plazmowe – analiza jakości powierzchni cięcia – cz. 1

W jakich okolicznościach cięcie plazmowe przynosi najwięcej korzyści? Sprawdzamy to w oparciu o badania naukowców z Górnośląskiego Instytutu Technologicznego oraz Politechniki Częstochowskiej. Z artykułu dowiesz się:

Partner kategorii:

Mity w spawalnictwie: video z ekspertem. Część druga.

Serdecznie zapraszamy do obejrzenia drugiej części nagrania o mitach, które krążą w branży spawalniczej. O mitach spawalniczych opowiada ekspertka, Paulina Grabowska-Lisowska – Międzynarodowy Inżynier Spawalnik (IWE), inspektor, ...

elektrownia-jadrowa-stal-do-zastosowan-jadrowych-fot-1

Stale stosowane do budowy urządzeń i konstrukcji elektrowni jądrowych: rodzaje i wymagania jakościowe wg ASME i AFCEN

W obliczu planów budowy elektrowni atomowej w Polsce warto zapoznać się z wytycznymi dotyczącymi stosowanych przy tej budowie materiałów. Z artykułu dowiesz się:

zloty-medal-targow-modernlog-2024-poznaj-laureatow

Znamy laureatów nagrody Złoty Medal targów MODERNLOG 2024

Poznaliśmy produkty wyróżnione prestiżową nagrodą Złotego Medalu na targach Logistyki, Magazynowania i Transportu MODERNLOG 2024 oraz ITM INDUSTRY EUROPE 2024. Laureaci zawalczą teraz o Złoty Medal Wybór Konsumentów. W minionym tygod...

konferencja-practicorr-2025-fot-2
Partner kategorii:

Konferencja PractiCORR 2025

Międzynarodowa konferencja PractiCORR 2025 to nowe wydarzenie, którego pomysłodawcą i organizatorem jest Pols­kie Stowarzyszenie Korozyjne. Konferencja PractiCORR 2025, której tema­tyka skupia się na praktycznych zagadnieniach ochro...

rynek-stali-jak-sektor-hutniczy-reaguje-na-globalne-wyzwania

Przyszłość rynku stali: jak sektor hutniczy reaguje na globalne wyzwania?

Sytuacja w Ukrainie, napięcia międzynarodowe oraz zmiany w polityce handlowej kluczowych graczy, jak Unia Europejska czy Chiny, kształtują nową rzeczywistość dla branży hutniczo-wydobywczej. Jak wygląda obecnie rynek stali? W oblicz...

Relacje

Katalog produktów

Sklep

STAL Metale & Nowe Technologie 11-12/24

STAL Metale & Nowe Technologie 11-12/24

Zamów
Nowoczesne Hale 1/2024

Nowoczesne Hale 1/2024

Zamów
Utrzymanie Ruchu 1/2024

Utrzymanie Ruchu 1/2024

Zamów
Fastener 1/2024

Fastener 1/2024

Zamów
Metody diagnostyki maszyn i urządzeń w predykcyjnym utrzymaniu ruchu

Metody diagnostyki maszyn i urządzeń w predykcyjnym utrzymaniu ruchu

Zamów
Rozwiązania energooszczędne wykorzystywane w budownictwie wielkopowierzchniowym (e-book)

Rozwiązania energooszczędne wykorzystywane w budownictwie wielkopowierzchniowym (e-book)

Zamów
Gwinty - rodzaje, wymiary, podstawowe obliczenia

Gwinty - rodzaje, wymiary, podstawowe obliczenia

Zamów
Koła zębate – projektowanie, wytwarzanie, pomiary, eksploatacja

Koła zębate – projektowanie, wytwarzanie, pomiary, eksploatacja

Zamów
Inżynieria doskonałości w procesach biznesowych. Przewodnik po teorii i dobrych praktykach

Inżynieria doskonałości w procesach biznesowych. Przewodnik po teorii i dobrych praktykach

Zamów
Metrologia. Wybrane zagadnienia (e-book)

Metrologia. Wybrane zagadnienia (e-book)

Zamów
Przewodnik po technologiach przemysłu 4.0

Przewodnik po technologiach przemysłu 4.0

Zamów
Vademecum projektanta. Budownictwo halowe (e-book)

Vademecum projektanta. Budownictwo halowe (e-book)

Zamów
Poznaj nasze serwisy

Nasze strony wykorzystują pliki cookies. Korzystanie z naszych stron internetowych bez zmiany ustawień przeglądarki dotyczących plików cookies oznacza, że zgadzacie się Państwo na umieszczenie ich w Państwa urządzeniu końcowym. Więcej szczegółów w Polityce prywatności.