Caracterização da Rugosidade de Superfície · ANSI/ASME B46.1, 2009, American Society of Mechanical Engineers, NY, New York 10017. 7/4/2018 Bruker Confidential 23 Aço Carbono

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


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

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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

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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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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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• 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

http://www.google.com/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&docid=WGH7OqeSMV40lM&tbnid=PziujF5h4PYuIM:&ved=0CAgQjRwwAA&url=http://vjones9.blogspot.com/2010/10/public-art.html&ei=UPPHUa-XL_Ho0wGKxYDgAQ&psig=AFQjCNH66xVudmRmWOt55O4xWufkcAkQaw&ust=1372144848815033

VSI

Varredura Óptica 3D Medição de um degrau

Amostra com um degrau

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WLIM 3D Optical Microscope Key Point Sharp Coherence Signal, Sharp at All Magnifications


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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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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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

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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

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• 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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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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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.


Aço Carbono 1060

Amostra Cupom padrão estudos de corrosão

Amostra área corroída aumento de 2,8X


Amostra área não corroída aumento de 2,8X


Amostra comparação aumento de 2,8X


região

sem corrosão

região

com corrosão

Parâmetros de rugosidade 3D

são uma ordem de magnitude

maiores na área corroída

Mesma escala vertical:


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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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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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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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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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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


Superfície de alumínio Imagem individual - aumento de 5X Filtro de Regressão Gaussiana


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


ContourGT-K

Chip de celular


Chip de celular


wear tracks caused

by inserting the chip

on the phone

Deformation caused

by the contacts of

the cell phone

Chip de celular


BLUE REGION

WHITE REGION

Chip de celular


Cross section Channel: 31.6 µm deep

Distance between channels: 2.22 mm

Chip de celular


Chip de celular


Chip de celular


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