Interferometria ottica nell’analisi di superfici: rugosità e difettosità

Uso dell’interferometria ottica per misure di rugosità non a contatto e caratterizzazione dimensionale di difettosità superficiali

Con il termine di rugosità si intende l’insieme delle irregolarità superficiali (dette anche scabrosità superficiali) con passo relativamente piccolo, dovute al processo di lavorazione di un dispositivo meccanico (es., alla forma dell’utensile), alla disomogeneità del materiale e alla eventuale presenza di vibrazioni.

I parametri di rugosità più conosciuti ed utilizzati nelle lavorazioni meccaniche sono i parametri di ampiezza, rugosità Ra, Rq (Rms), Rt, Rz ed Rmax i cui valori numerici sono espressi in micron.

Dato il profilo

dove per linea centrale o media o mediana (di compenso) si intende la linea parallela al profilo teorico che è posizionata rispetto al profilo reale in modo tale che la somma dei picchi rispetto ad essa sia uguale a quella delle valli.

Ra: valore medio aritmetico degli scostamenti (presi in valore assoluto) del profilo reale della superfice rispetto alla linea media. Quindi viene preso in esame il valore medio, espresso in micron, delle ordinate, z1,z2,z3,…..zn, del profilo rispetto alla linea media.

Rz: distanza tra due linee parallele alla linea media passanti mediamente fra i cinque picchi più alti e le cinque valli più basse, entro i limiti della lunghezza di base.

Rt: somma della massima altezza di picco (Zp) e della misura massima della valle più profonda (Zv) nella lunghezza di valutazione (non della lunghezza di campionamento).

Rq: media quadratica degli scostamenti dei punti del profilo dalla linea media ed è riferito ad Ra.

Rmax: distanza tra due linee parallele alla linea media tangenti alla valle più profonda e al picco più alto.

Nella produzione di articoli in gomma la determinazione della rugosità ricopre un ruolo importante all’interno del ciclo produttivo: in campo applicativo del prodotto tal quale rugosità troppo elevate potrebbero portare a fenomeni di perdite tra la guarnizione (oggetto di base) ed il sistema in cui essa è montata (corpo concorrente); per contro valori troppo bassi potrebbero portare, in alcuni casi, ad un eccessivo aumento del coefficiente di attrito con conseguente difficoltà di assemblaggio del pezzo.

Il discorso rugosità assume poi significati ancora più importanti nel campo della lubrificazione, specie in fase solida: superfici con valori di rugosità maggiori (entro certi limiti) permettono, a parità di prodotto utilizzato, una maggiore deposizione di lubrificante con meno spreco a livello produttivo ed un miglioramento nell’abbattimento delle forze di attrito.

Misurare la rugosità di un articolo in gomma può risultare, in molti casi, complesso e spesso il risultato può essere affetto da un discreto margine di errore questo a causa sia dell’elevato attrito generato da materiale che fa scorrere con difficoltà il pennino del tastatore, sia a causa della deformabilità del materiale stesso: quando, ad esempio, il pennino incontra un picco, quest’ultimo tende a deformarsi sotto la spinta della pressione esercitata dalla punta del tastatore sfalsando in questo modo la misura rilevata.

< Punta tastatore

 

< Materiale

 

< Direzione scorrimento tastatore

Il problema relativo alla misura della rugosità può essere aggirato utilizzando dei rugosimetri ottici (non a contatto) come ad esempio dei microscopi interferometrici a luce bianca.

In fisica l’interferometria è un metodo di misura che sfrutta le interferenze fra più onde coerenti fra loro utilizzando il principio di sovrapposizione, per il quale l’onda risultante dalla combinazione di onde separate (interferenza) ha proprietà legate a quelle dello stato originale delle onde.

In particolare, quando due onde con la stessa frequenza si combinano, l’onda risultante dipende dalla differenza di fase fra le due onde: onde che sono in fase subiranno interferenza costruttiva, mentre le onde che sono fuori fase subiranno interferenza distruttiva.

Tipicamente un singolo raggio di luce in arrivo viene diviso in due raggi identici da un reticolo o uno specchio semi-riflettente. Ognuno di questi raggi percorrerà una strada differente, detto cammino ottico, prima che essi siano ricombinati insieme in un rivelatore grazie anche degli specchi riflettenti; la differenza di cammino ottico crea una differenza di fase tra i due segnali ricombinati.

La differenza di fase, che può essere accuratamente misurata in termini di interferenza costruttiva o distruttiva, può essere dovuta alla diversa lunghezza della traiettoria stessa o un cambiamento nell’indice di rifrazione lungo il percorso potendo quindi risalire ad ognuno di questi parametri.

La misura della rugosità per via interferometrica permette, a differenza della rilevazione ottenuta mediante tastatore, di mappare un’intera superficie e di misurare in un secondo momento tale grandezza in un punto voluto oltre alla possibilità di ottenere anche un’immagine 3D della superficie.

La rilevazione avviene poi applicando dei “filtri speciali” in grado di elaborare il tracciato come se fosse stato ottenuto mediante determinazione a contatto: in un tastatore la determinazione della rugosità avviene ad opera di una punta fatta scorrere sulla superficie per una distanza rapportata ad un range di rugosità attesa. Ad esempio per un range di rugosità compresa tra 0.5 e 10 mm, come Rz, l’area di campionamento sarà pari a 0.8 X 4.0 mm, per una rugosità compresa tra 10 e 50 mm, come Rz, l’area di campionamento sarà pari a 2.5 X 12.5 mm e così via.

Il filtro applicato di cut off serve a definire la “punta ideale del tastatore”: sebbene non vi sia contatto tra la superficie da analizzare e l’analizzatore, lo strumento, rileva il dato come un congegno meccanico a contatto.

La misura della rugosità avviene, tradizionalmente, facendo scorrere un pennino lungo una superficie: se la punta del pennino risulta essere troppo grande rispetto alle asperità superficiali, la determinazione sarà viziata da un certo errore. In questo caso bisogna ripetere la determinazione cambiando la punta della sonda.

Le parti cerchiate in rosso sono quelle non stimate correttamente a causa dell’eccessiva grandezza della punta del tastatore rispetto ad alcune asperità superficiali.

Con il sistema interferometrico invece la lettura viene eseguita “tal quale”, non tenendo conto della punta del tastatore (nel sistema interferometrico, non a contatto, tale parte non esiste). I filtri che riproducono in modo virtuale tale punta possono essere applicati in un secondo momento con infinite grandezze.

Cerchiata in rosso la misura di rugosità espressa come Rz.

Figura B

Sopra due elaborazioni differenti della stessa misura: nel riquadro a sinistra (Figura A) la misura viene eseguita impostando le dimensioni del tastatore virtuale, in quella di destra (Figura B) la stessa misura viene eseguita aumentando la dimensione del tastatore virtuale.

Come si può chiaramente notare, aumentando la grandezza della punta del tastatore (zona grigia in riquadro giallo) il profilo viene semplificato.

L’interferometria ottica può essere impiegata anche per la misurazione di difettosità superficiali come fori, strappi, tagli, ecc, fornendo una misura di altezza e/o profondità di tale difettosità.

Conclusioni:

L’interferometria ottica è una tecnica veloce e precisa per la determinazione sia della rugosità che delle quote sull’asse Z. L’utilizzo di una radiazione elettromagnetica non pericolosa e la misurazione non a contatto permettono l’utilizzo di questa tecnica su tutti i tipi di materiali, spesso, senza la distruzione del campione.