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.

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.

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.

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].

Czytaj też >> Modelowanie kół zębatych w oparciu o równanie parametryczne ewolwenty w Systemie Autodesk Inventor

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

Galeria

Zobacz więcej