caracterização da rugosidade de superfície · ansi/asme b46.1, 2009, american society of...
TRANSCRIPT
Microscopia 3D (WLI) Caracterização da Rugosidade de Superfície
04/07/2018 2 Bruker Confidential
Pastilha de freio
aumento de 5x.
Representação em escala de cores
04/07/2018 3 Bruker Confidential
Desgaste
04.07.2018 4
perda de massa da superfície de um material sólido por interação mecânica com outro corpo em contato
Desgaste = Textura de Superfície + Movimento + Pressão/Calor
Acabamento de superfícies
04.07.2018 5
Processos mecânicos com remoção de material Processos químicos e eletroquímicos
Recobrimentos
• Estética
• Liberação ou introdução de esforços mecânicos
• Nível de limpeza e esterilidade
• Propriedades mecânicas de superfície
• Proteção contra a corrosão
• Rugosidade
• Tolerâncias dimensionais de alta precisão
Textura da superfície
04.07.2018 6
Forma Ondulação Rugosidade
Por que Microscópios Ópticos 3D?
MEMS
Eletronica
Orthopedics
Metrologia de
texturas
Microscópios Ópticos 3D
proporcionam
• Metrologia rápida e precisa
• Não-contato, não-destrutiva
• Mais de 1000 análises
• Estável
• Dados independentes de operador
04.07.2018 8
Aplicações
• Pesquisa e Desenvolvimento
• Quantificar texturas
• Quantificar desgaste
• Desenvolvimento de Processos
• Definir processos de fabricação
• Design para alto desempenho
• Produção
• Garantir qualidade de produto
• Monitorar processos de fabricação
• Análise de Qualidade
• Investigação de falhas
• Design para maior vida útil
• Setor Automotivo
• Engrenagens
• Rolamentos e vedações
• Eixos de comando de válvulas
• Setor Médico
• Implantes
• Femorais
• Coluna
• Quadril
• Endopróteses aorticas
• Setor Aerospacial
• Lâminas de turbinas
• Engrenagens
• Rolamentos e vedações
3D Microscopy - Two Modes Address Rough and Smooth Samples
7/4/2018 9
• Phase Shifting
Interferometry – PSI
- Green LED
White Light Interferometry – WLI
- White HBLED
3D Microscopy - Two Modes Address Rough and Smooth Samples
• Vertical resolution ~3 nm
• Steps or surface variations up to 10 mm
• Surfaces with rough/steep surfaces
• Vertical resolution <0.1 nm
• Smoothly varying surfaces
• Polished materials, small height differences
• Continuous phase return from sample
• Phase Shifting Interferometry – PSI
White Light Interferometry – WLI
11
Testando Superfícies Planas
• O espelho de referência realmente plano?
Franjas
- Visualmente aparenta ser perfeitamente
plano.
Mapa Fase
- Revela que as frentes de onda não são perfeitamente planas.
Aqui a rugosidade pico-vale está
na ordem de poucos nm.
12
Principles of PSI Operation
• The fringes are shifted by fringe/4
• Resultant arrays of intensity solved for Phase.
• Phase is converted to surface height.
13
• Is my sample smooth? Is the rms less than 30nm?
• Visual assessment – Is my sample shiny?
• Does my sample have steps? Are they less than 140nm?
Can my sample be measured with PSI mode?
No problem measuring even 1nm steps
VSI
Varredura Óptica 3D Medição de um degrau
Amostra com um degrau
7/4/2018 Bruker Confidential 14
WLIM 3D Optical Microscope Key Point Sharp Coherence Signal, Sharp at All Magnifications
7/4/2018 15 Bruker Confidential
Practical Implication: Highest accuracy data on areas
of interest obtained fastest at lowest magnifications
Great where a large area with good resolution is
required, speed is critical
7/4/2018 16
Distância Transversal
Distância de Avaliação
Distância de Amostragem
Perfil de Rugosidade Após Remoção Forma &
Ondulação
Tradicionalmente obtida via perfilômetro de contato
Porque Ra?...”Padrão” ......Limites da tecnologia de 1930...
Metrologia 2D de Superfície Rugosidade Ra ainda padrão
7/4/2018 17
Peaks/Valleys .. Rp,Rv, Rt, Rz, Pc.... (e.g. Stylus X Rp)
Rp
Rv
Rp = Highest Point From Mean Line
Rv=Lowest Point from Mean Line
Rt = Rp - Rv = Peak to Valley
Rpi = Highest Peak from mean line in “ith” sampling length
Rti = Highest - Lowest points from mean line in “ith” Sampling length “Peak to Valley”
Rpm= Average of all Rpi
Rmax = Maximum Rti over evaluation length
Metrologia 2D de Superfície Parâmetros de Amplitude
Metrologia 2D de Superfície Parâmetros Estatísticos
7/4/2018 18
Cálculo dos momentos da distribuição:
Rq = “RMS”, =
Rsk = Skew , Skewness =
Rku = Kurtosis =
LdxxZ
LqR
0
)(1 2
dxL
xZLRq
skR
0
)(33
1
dxL
xZLRq
kuR
0
)(44
1
Parâmetros muito úteis e conhecidos
Porém não informam sobre a estrutura espacial
04.07.2018 19
Pastilhas de freio Controle de Qualidade
• Processo similar resultou em texturas diferentes
• Uso de parâmetros 3D proporciona oportunidade de aprimorar o controle de ruído e vibração
Ra dentro da espec. Resultado: ruidoso
Ra dentro da espec. Resultado: silencioso
Dois discos possuíam Ra dentro das especificações, mas um apresentava ruído, enquanto outro não.
2D and 3D Surface Texture Analyses Standardization for Best Correlation
7/4/2018 20
• 2D amplitude and statistical parameters are great metrology tools, but do not provide structure/spatial information
• 3D areal (S-parameters) have been developed to take advantage of computational power and describe structure
• Structural information has been shown to relate to functional surface performance (shafts, friction plates, seals, etc.)
• The analyses include some math (e.g., filtering) which warrants a brief introduction before describing the 3D parameters in detail
7/4/2018 21
3D Surface Texture Metrology Brief Overview/History
1930’s – First “2D” instruments for texture – analogue, charts etc.
1960’s – Digital Computers – parameter development – 3D machines
1968 – The Properties and Metrology of Engineering Surfaces – U. of Oxford.
1979 – 1st of Triennial International Conferences
1990’s – Workshops – indicating a need to standardize 3D parameters
2000’s – SurfStand, AutoSurf, CalStand…New ISO standard “WG16”…ISO/DIS 25178-2
How can we get spatial
information in addition to
2D “like” information?
7/4/2018 22
Roughness 2D and 3D Descriptions: Well Defined…But No Spatial Information
X
Y Z “Surface Roughness”, Ra (Sa) is the average of the absolute
value of profile heights over a given length (area).
dxdyyxZA
S
LxLy
a 00
),(1
L
dxxZL
R
L
a 0
)(1
2D
3D
Surface Texture (Surface Roughness, Waviness and Lay)
ANSI/ASME B46.1, 2009, American Society of Mechanical Engineers, NY, New York 10017.
7/4/2018 23 Bruker Confidential
Aço Carbono 1060
Amostra Cupom padrão estudos de corrosão
Amostra área corroída aumento de 2,8X
7/4/2018 24 Bruker Confidential
Amostra área não corroída aumento de 2,8X
7/4/2018 25 Bruker Confidential
Amostra comparação aumento de 2,8X
7/4/2018 26 Bruker Confidential
região
sem corrosão
região
com corrosão
Parâmetros de rugosidade 3D
são uma ordem de magnitude
maiores na área corroída
Mesma escala vertical:
7/4/2018 26 Bruker Confidential
7/4/2018 27
Texture and Roughness: Surfaces Have Different Characteristics
These two surfaces have identical Ra (Sa)
Surfaces are different functionally
3D areal parameters (S-parameters) have been developed to
capture the differences in a quantifiable way
7/4/2018 28
3D Surface Texture Parameters Height Parameters (Sa, Sq)
Sa: Surface Average Roughness
Sq: Surface RMS Roughness
Both A and B have:
Sa = 16.03nm and Sq= 25.4nm
7/4/2018 29
Clutch Separator/Friction Plate Example Sa, Sbi, Sci, Svi Metrics
Sa = 1.2 um
Sbi=0.70
Sci=1.31
Svi =0.12
Sa = 4.2um
Sbi=1.43
Sci=0.46
Svi =0.23
Separator Plate Friction Plate
7/4/2018 30
Wear of Cylinder Bore Worn Doesn’t Mean Broken!
Sbi 0.69
Sci 1.29
Svi 0.15
Sm 2.5 x 10-5
Sc 8.0 x 10-4
Sv 1.1 x 10-4
Unworn Bore Worn Bore
Sbi 0.70
Sci 1.32
Svi 0.11
Sm 8.3 x 10-6
Sc 1.5 x 10-4
Sv 1.8 x 10-5
1 mm
Note similar functional surface parameters for both cases
7/4/2018 31
Shaft- Unworn Sa 368nm
Sds 1130 /mm2
Ssc 49 mm-1 (radii 20mm)
Sa 769 nm
Sds 247 /mm2
Ssc 6 mm-1 (radii 166 mm)
Shaft- worn
600 mm
Sealing Surface Example Sds/Ssc monitored for failure (leak) prediction
Superfície de alumínio Imagem individual - aumento de 5X
7/4/2018 32 Bruker Confidential
Superfície de alumínio Imagem individual - aumento de 5X Filtro de Regressão Gaussiana
7/4/2018 33 Bruker Confidential
Determinação dos parâmetros
de textura de superfície
separando a rugosidade da
ondulação da superfície
Exemplo de combinação de imagens 357 imagens combinadas Aumento de 5X em cada imagem
7/4/2018 Bruker Confidential
Imagem de grandes dimensões
com detalhes conservados
tempo total da medida:
3,5 h
Chip de celular
7/4/2018 35 Bruker Confidential
ContourGT-K
Chip de celular
7/4/2018 36 Bruker Confidential
Chip de celular
7/4/2018 37 Bruker Confidential
wear tracks caused
by inserting the chip
on the phone
Deformation caused
by the contacts of
the cell phone
Chip de celular
7/4/2018 38 Bruker Confidential
BLUE REGION
WHITE REGION
Chip de celular
7/4/2018 39 Bruker Confidential
Cross section Channel: 31.6 µm deep
Distance between channels: 2.22 mm
Chip de celular
7/4/2018 40 Bruker Confidential
Chip de celular
7/4/2018 41 Bruker Confidential
Chip de celular
7/4/2018 42 Bruker Confidential
© Copyright Bruker Corporation. Todos os direitos reservados.
www.bruker.com
Dúvidas? [email protected]