La 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 el campo. Es importante para muchas disciplinas y se conoce principalmente por el mecanizado de piezas y conjuntos de precisión que contienen superficies de contacto o que deben funcionar con altas presiones internas.
El acabado de la superficie se puede medir de dos maneras: métodos de contacto y sin contacto . Los métodos de contacto implican arrastrar un estilete de medición a lo largo de la superficie; estos instrumentos se denominan 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.
El método más común es utilizar un perfilómetro de diamante . El lápiz se pasa perpendicularmente a la disposición de la superficie. [1] La sonda suele trazar una línea recta sobre una superficie plana o en un arco circular alrededor de una superficie cilíndrica. La longitud del camino que traza se denomina longitud de medición . La longitud de onda del filtro de frecuencia más baja que se utilizará para analizar los datos suele definirse como longitud de muestreo . La mayoría de las normas recomiendan que la longitud de medición sea al menos siete veces mayor que la longitud de muestreo y, según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, debe ser al menos dos veces mayor que la longitud de onda de las características interesantes. La longitud de 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 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 es cercano al tamaño del estilete. Otra desventaja es que los perfilómetros tienen dificultad para detectar fallas del mismo tamaño general que la rugosidad de la superficie. [1] 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 aproximadamente 650 nm, [2] mientras que la rugosidad promedio (R a ) de un eje de tierra puede ser de 200 nm.
El primer paso del análisis es filtrar los datos brutos para eliminar los datos de frecuencia muy alta (denominados "microrrugosidad"), ya que a menudo se pueden atribuir a vibraciones o residuos en la superficie. Filtrar la microrrugosidad en un umbral de corte determinado también permite aproximar la evaluación de la rugosidad realizada utilizando perfilómetros que tienen diferentes radios de bola de aguja, por ejemplo, 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 la superficie generalmente se analizaba a mano. El trazo de rugosidad se trazaba en papel cuadriculado y un maquinista experimentado decidía 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. [3]
Los instrumentos de contacto basados en aguja tienen las siguientes ventajas:
Tecnologías :
Los instrumentos de medición ópticos tienen algunas ventajas sobre los táctiles como las siguientes:
Escaneo vertical :
Escaneo horizontal :
Sin escaneo
Dado 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:
La escala de la medición deseada ayudará a decidir qué tipo de microscopio se utilizará.
Para las mediciones 3D, se le ordena a la sonda que escanee un área 2D de la superficie. El espaciado 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. En el caso de las mediciones de contacto, el problema más obvio es que la aguja puede rayar la superficie medida. Otro problema es que la aguja puede ser demasiado roma para alcanzar el fondo de valles profundos y puede redondear las puntas de picos agudos. En este caso, la sonda es un filtro físico que limita la precisión del instrumento.
La geometría real de la superficie 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 de la superficie normalmente se clasifican en tres grupos según su funcionalidad. Estos grupos se definen como parámetros de amplitud, parámetros de espaciado y parámetros híbridos. [6]
Los parámetros utilizados para describir superficies son en gran medida indicadores estadísticos obtenidos a partir de muchas muestras de la altura de la superficie. Algunos ejemplos incluyen:
Este es un pequeño subconjunto de los parámetros disponibles descritos en normas como ASME B46.1 [7] e ISO 4287 [8]. 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 de superficie que están más directamente relacionadas con las mediciones que son 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 .
La rugosidad superficial también se puede calcular sobre una superficie. Esto proporciona valores de S a en lugar de R a . La serie ISO 25178 describe todos estos valores de rugosidad en detalle. Las ventajas sobre los parámetros de perfil son:
Las superficies tienen propiedades fractales , también se pueden realizar mediciones en múltiples escalas como el análisis fractal a escala de longitud o el análisis fractal a escala de área. [9]
Para obtener las características 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 la superficie como la rugosidad, la ondulación y el error de forma. Estos componentes de las desviaciones de la superficie deben ser claramente separables en la medición para lograr un entendimiento claro entre el proveedor de la superficie y el receptor de la superficie en cuanto a las características esperadas de la superficie en cuestión. Por lo general, 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 un instrumento puede calcular. Estas 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 cuán limpiamente el filtro separa dos componentes de las desviaciones de la superficie y la distorsión de un filtro o cuánto altera el filtro un componente de longitud de onda espacial en el proceso de separación. [7]