Caracterização da Rugosidade de Superfície · ANSI/ASME B46.1, 2009, American Society of...
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Microscopia 3D (WLI) Caracterização da Rugosidade de Superfície
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04/07/2018 2 Bruker Confidential
Pastilha de freio
aumento de 5x.
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Representação em escala de cores
04/07/2018 3 Bruker Confidential
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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
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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
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Textura da superfície
04.07.2018 6
Forma Ondulação Rugosidade
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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VSI
Varredura Óptica 3D Medição de um degrau
Amostra com um degrau
7/4/2018 Bruker Confidential 14
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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?
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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.
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7/4/2018 23 Bruker Confidential
Aço Carbono 1060
Amostra Cupom padrão estudos de corrosão
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Amostra área corroída aumento de 2,8X
7/4/2018 24 Bruker Confidential
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Amostra área não corroída aumento de 2,8X
7/4/2018 25 Bruker Confidential
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Superfície de alumínio Imagem individual - aumento de 5X
7/4/2018 32 Bruker Confidential
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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
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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
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Chip de celular
7/4/2018 35 Bruker Confidential
ContourGT-K
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Chip de celular
7/4/2018 36 Bruker Confidential
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Chip de celular
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wear tracks caused
by inserting the chip
on the phone
Deformation caused
by the contacts of
the cell phone
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BLUE REGION
WHITE REGION
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Chip de celular
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Cross section Channel: 31.6 µm deep
Distance between channels: 2.22 mm
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