ACABADO SUPERFICIAL 3D EN MICRO Y NANOMETROLOGÍA
Laura Carcedo CerezoLaboratorio de Calidad Superficial
Área de Longitud
La necesidad de medir y cuantificar geometricamente productos fabricados en escalas micrométrica, nanometríca e incluso del nivel atómico está impulsando la metrología de superficies a una evolución en la que se está pasando de:
Perfil Conocimiento más realista de las superficies
Formas simples
Formas libres complejas
Superficies estocásticas
Superficies estructuradas
• Está surgiendo una nueva generación de superficies de alta precisión, que requieren de medidas 3D
ACTUALMENTE
• Existe capacidad en la industria de fabricar elementos de dimensiones cada vez más pequeñas
• Hay sectores en los que se viene usando el 2D con buenos resultados y se mantendrá su uso
Magnitud medible(MENSURANDO)
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida
INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
MEDICIÓN
PATRONES
principiométodoprocedimiento
Valor transformado
Magnitudesde influencia
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 2D
ISO 3274C.nomin.instrum.contacto
Método de perfil
ISO 3274 Condiciones nominales de instrumentos de contacto. Método de perfil.
Magnitud medible(MENSURANDO)
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida
INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
MEDICIÓN
PATRONES
principiométodoprocedimiento
Valor transformado
Calibración.instr.contactoISO 12179
Magnitudesde influencia ISO 3274
C.nomin.instrum.contactoMétodo de perfil
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 2D
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-2Software
ISO 5436-2Software
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-1Materializados
TIPO A: de profundidad
TIPO D: de rugosidad (APERIÓDICOS)
TIPO B: Edo punta TIPO E: Coord. perfil
TIPO C: de espaciamiento (PERIÓDICOS)
C1:Senoidal
C2:triangular isósceles
p p g
C4:en arco
C3:sinusoidal simulado
TIPO F1: ficheros patrón
TIPO F2: software patrón
Calibración.instr.contactoISO 12179
• Cómo abordar y que patrones utilizar para la calibración del instrumento de contacto.
• Recomendaciones y referencias para evaluar la incertidumbre de la calibración.
• Como usar la información de los certificados de los patrones que proporcionan la trazabilidad.
•Información que debe figurar en el certificado.
ISO 5436-2Software
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-1Materializados
TIPO A: de profundidad
TIPO D: de rugosidad (APERIÓDICOS)
TIPO B: Edo punta TIPO E: Coord. perfil
TIPO C: de espaciamiento (PERIÓDICOS)
C1:Senoidal
C2:triangular isósceles
p p g
C4:en arco
C3:sinusoidal simulado
TIPO F1: ficheros patrón
TIPO F2: software patrón
Magnitud medible(MENSURANDO)
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida
INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
MEDICIÓN
PATRONES
principiométodoprocedimiento
Valor transformado
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-2Software
Calibración.instr.contactoISO 12179
Magnitudesde influencia ISO 3274
C.nomin.instrum.contactoMétodo de perfil
ISO 4287Param.Edosuperficial
ISO 12085Param. de detalles
ISO 13565-2/3Caract. de alturas
ISO 12085/ISO 3274Condic. medida param. de detalles
ISO 4288/ ISO 3274Condic. medida param.Edosuperf.
ISO 13565-1/ISO 3274C. medida param. prop segun prof.
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 2D
L. muestreo
Longitud evaluación perfil R y WLongitud evaluación perfil P• Nº de longitudes de muestreo por defecto.
ISO 4288/ ISO 3274 Condic. medida param.Edosuperf.
• Tablas con el valor λc según ISO para un perfil dado, distinguiendo entre periódicos y aperiódicos.
Uso de filtros corregidos en fase ó Gauss ISO 11562 con longitudes de onda de corte de la serie:
ISO 4287Param.Edosuperficial aplicando un filtro de alta frecuencia, λs.
banda de transmisión con límites λc, frecuencias altas y λf frecuencias bajas.
banda de transmisión con límites λsfrecuencias altas y λc frecuencias bajas.
Perfil P: primario (ISO 3274)
Perfil W: ondulación.
Perfil R: rugosidad
……….
…mm; 0,08 mm; 0,25 mm; 0,8 mm; 2,5 mm;..
Parám. de espaciamientoPSm, RSm, WSm
Parám. hibridosPdq, Rdq, Wdq
Curvas y param. asociadosPmr(c), Rmr(c), Wmr(c)
; Pdc, Rdc, Wdc
Pt, Rt, Wt ; Pa, Ra, Wa ; Pz, Rz, Wz; Pq, Rq, Wq; Psk, Rsk, Wsk;……..Parám. de amplitud
Según valor RSm L. muestreoL.evaluaciónλc
PERFILES PERIÓDICOS Ó APERIÓDICOS
(ISO 3274)PERFILES APERIÓDICOS Según valor Ra ó Rz L. muestreo L.evaluación
λc
ISO 12085 Parámetros ligados a los detalles ISO 12085/ISO 3274 Condiciones de medida de parámetros ligados a detalles
Perfil primario según ISO 3274 →λs
Proceso de corrección de picos y valles aislados.
AR RRx
Análisis combinación de detalles de rugosidad dos a dos según condiciones normalizadas. Parámetros ligados a detalles:
• Rugosidad
AW W WxWte
• OndulaciónAnálisis combinación de detalles de rugosidad dos a dos según condiciones normalizadas.
Caracterización de alturas según la curva porcentaje de material
Caracterización de alturas según la curva de probabilidad de material
ISO 13565-2/3Caract. de alturas
ISO 13565-2/3Caract. de alturas
ISO 13565-1/ISO 3274C. medida param. prop segun prof.
Magnitud medible(MENSURANDO)
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida
INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
MEDICIÓN
PATRONES
principiométodoprocedimiento
Valor transformado
ISO 5436-1Materializados
ISO 5436-2Software
Calibración.instr.contactoISO 12179
ISO 4287Param.Edosuperficial
ISO 12085Param. de detalles
Magnitudesde influencia
ISO 12085/ISO 3274Condic. medida param. de detalles
ISO 4288/ ISO 3274Condic. medida param.Edosuperf.
ISO 3274C.nomin.instrum.contacto
Método de perfil
Calc.incertidumbresISO 14253-2
ISO 13565-2/3Prp.≠ según prof.
ISO 13565-1/ISO 3274C. medida param. prop segun prof.
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 2D
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
Clasificación en función del tipo de datos que produce cada técnicaISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
ISO 25178-600CARAC.NOMIN. INSTRUMENTOS
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ISO 25178-602C.NOM.M.CONFOCAL CROMÁTICO
ISO 25178-603C.N.M. INTERF. DESPLAZ. FASE
ISO 25178-604C.N. INTERF. DE LUZ BLANCA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
ISO 25178-606C.NOM. INSTR. VARIACÓN DE FOCO
ISO 25178-607C.NOM. MICROSCOPIO CONFOCAL
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ANCHURA LIMITE PARA TRANSMISIÓN TOTAL DE ALTURA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
ISO 25178-71SOFTWARE
Calibración.instr.XXXXISO 25178-70X ISO 25178-600
CARAC.NOMIN. INSTRUMENTOS
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ISO 25178-602C.NOM.M.CONFOCAL CROMÁTICO
ISO 25178-603C.N.M. INTERF. DESPLAZ. FASE
ISO 25178-604C.N. INTERF. DE LUZ BLANCA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
ISO 25178-606C.NOM. INSTR. VARIACÓN DE FOCO
ISO 25178-607C.NOM. MICROSCOPIO CONFOCAL
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
ISO 25178-70MATERIALIZADOS
ISO 25178-70MATERIALIZADOS
Además de los de ISO 5436-1……PERFIL;
ISO 25178-70MATERIALIZADOS SUPERFICIE;
ISO 25178-70MATERIALIZADOS AREAL;
ISO 25178-71SOFTWARE
Tipo S1:FICHEROS DE DATOS PATRÓN
Tipo S2: SOFTWARE PATRÓN
Institutos Metrologicos Nacionales que los están desarrollando: NPL (operativo), NIST y PTB.
MUY IMPORTANTE LA VALIDACIÓN DEL SOFTWARELos software de medida realizan muchos cálculos en las operaciones de filtrado y de cálculo de parámetros. Los programadores pueden elegir distintas formas de hacerlos, deben comprobarse frente a patrones.
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
ISO 25178-3OPERADORES
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
MATERIALIZADOS
ISO 25178-71SOFTWARE
ISO 25178-70
Calibración.instr.XXXXISO 25178-70X ISO 25178-600
CARAC.NOMIN. INSTRUMENTOS
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ISO 25178-602C.NOM.M.CONFOCAL CROMÁTICO
ISO 25178-603C.N.M. INTERF. DESPLAZ. FASE
ISO 25178-604C.N. INTERF. DE LUZ BLANCA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
ISO 25178-606C.NOM. INSTR. VARIACÓN DE FOCO
ISO 25178-607C.NOM. MICROSCOPIO CONFOCAL
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
NUEVOS CONCEPTOS PARA MEDIDA DE SUPERFICIES
• El significado del valor de un parámetro dado, depende del tratamiento previo que hayamos dado a los datos en cada una de las escalas, con filtros y operadores.
• Acabado superficial y forma se hacen sobre el mismo sistema de coordenadas
• Atributos típicos a considerar para la caracterización de superficies
• Este nuevo modo de cuantificar superficies busca inferir funcionalidades y características fundamentales de las superficies, siendo mucho más que una extensión de los parámetros de perfil.
ISO 25178-3OPERADORES
ISO 25178-3OPERADORES
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
ISO 25178-3OPERADORES
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
MATERIALIZADOS
ISO 25178-71SOFTWARE
ISO 25178-70
Calibración.instr.XXXXISO 25178-70X ISO 25178-600
CARAC.NOMIN. INSTRUMENTOS
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ISO 25178-602C.NOM.M.CONFOCAL CROMÁTICO
ISO 25178-603C.N.M. INTERF. DESPLAZ. FASE
ISO 25178-604C.N. INTERF. DE LUZ BLANCA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
ISO 25178-606C.NOM. INSTR. VARIACÓN DE FOCO
ISO 25178-607C.NOM. MICROSCOPIO CONFOCAL
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
FIELD PARAMETERS: NOMENCLATURA Y DEFINICIÓN
SÍMBOLOS: S ó V en mayúsculas, seguido de subíndices en minúsculas, independientemente de las condiciones de filtrado aplicadas*. Ej: Sq, Sdr, Vmp, Vvc
* Las condiciones de filtrado deben acompañar siempre al valor numérico del parámetro.
DEFINICIÓN CONTINUA: las operaciones están expresadas con integrales en vez de con sumatorios para que la definición conceptualmente no contenga aproximaciones***.
frente a
*** Debido a la naturaleza discreta de los datos de medida, siempre se hará necesario realizar aproximaciones numéricas.
frente a
CENTRADO DE ALTURAS: En las ecuaciones de los parámetros de acabado superficial la función de alturas de la superficie z(x,y) debe estar centrada**, es decir, la altura media del área en que se va a medir (z) está ya restada de cada punto. Esto simplifica las ecuaciones de los parámetros.** genera errores por redondeo
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
Dan idea de la distribución de alturas
Respecto a la media + ↑>0; +↓<0; =↕=0
Detecta elementos abruptossuperficie “afilada” >3; superficie redondeada <3
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2 FIELD PARAMETERS: ISOTROPÍA, ANISOTROPÍA Y DIRECCIÓN PRIVILEGIADA DE LAS ESTRUCTURAS DE LA SUPERFICIE
En la medida de superficies se estudian usando la función autocorrelación y analisis de Fourier
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
Permiten distinguir entre superficies con similar Sa
Cuantifica gradientes en x e y
Cuantifica el área interfacial
Cálculo area interfacial
Informan de propiedades:
- de sellado, de contacto y desgaste
-eléctricas y térmicas
-reflectancia óptica
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
Los parámetros V calculan volúmenes distinguiendo tres zonas:
Z. PICOS- soporta el inicio del desgaste de la pieza
NÚCLEO- zona de desgaste en la vida útil del elemento
Z DE VALLES- retiene lubricantes prolongando la vida útil frente a la fricción.
FIELD PARAMETERS
CARACTERIZACIÓN MEDIANTE MOTIVOS (features)PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
Para este tipo de caracterización no hay un grupo de parámetros definidos ex-profeso, sino un librería de técnicas de reconocimiento de motivos en la superficie a evaluar.
Dada una superficie a evaluar
Se elije el tipo de motivo de interés para la aplicación
Se realiza la segmentación acorde con unos parámetros de tamaño que controlan el proceso.
Se selecciona de los motivos encontrados cuales son los interesantes para el estudio que se lleva a cabo.
Se decide la característica que se va a analizar sobre ellos, normalmente mediante métodos estadísticos.
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
ISO 25178-3OPERADORES
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
MATERIALIZADOS
ISO 25178-71SOFTWARE
ISO 25178-70
Calibración.instr.XXXXISO 25178-70X ISO 25178-600
CARAC.NOMIN. INSTRUMENTOS
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ISO 25178-602C.NOM.M.CONFOCAL CROMÁTICO
ISO 25178-603C.N.M. INTERF. DESPLAZ. FASE
ISO 25178-604C.N. INTERF. DE LUZ BLANCA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
ISO 25178-606C.NOM. INSTR. VARIACÓN DE FOCO
ISO 25178-607C.NOM. MICROSCOPIO CONFOCAL
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
ISO 16610-XXFILTROS
MET. INTERPOLACIÓN
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
En el momento actual según ISO 25178-3 el filtro a utilizar es el Gausiano por defecto
……EN EL GRUPO DE TRABAJO WG15 DE ISO ESTÁN DESARROLLANDO DISTINTOS FILTROS PARA APLICAR A MEDIDA DE SUPERFICIES
•FILTROS LINEALES Gausianos Splines
•FILTROS MORFOLÓGICOS
CLOSING OPENING
•FILTROS ROBUSTOS
Splines Splines
Robusto
•FILTROS DE MOTIVOS
“Teselan” la superficie reconociendo patrones y marcando características importantes en ellos como picos y hoyos.
ISO 25178-1INDICAC. DE ACAB. SUPERFICIAL
En el caso de caracterización mediante motivos se especifica el proceso con la secuencia,
Parámetros usados habitualmente en la caracterización por motivos
Magnitud medible(MENSURANDO)
MEDICIÓN
Valor transformado INSTRUMENTO O SISTEMA DE MEDIDA
Magnitudesde influencia
PATRONES
principiométodoprocedimiento
IncertidumbreResultado de medida(Valor numérico x unidad de medida)
Calc.incertidumbresISO 14253-2
ISO 25178-3OPERADORES
PARÁMETROS DE ACABADO SUPERFICIAL
ISO 25178-2
ISO 25178-6CLASIFICACIÓN DE METODOS
MATERIALIZADOS
ISO 25178-71SOFTWARE
ISO 25178-70
Calibración.instr.XXXXISO 25178-70X ISO 25178-600
CARAC.NOMIN. INSTRUMENTOS
ISO 25178-601CARAC.NOM.INSTR.CONTACTO
ISO 25178-602C.NOM.M.CONFOCAL CROMÁTICO
ISO 25178-603C.N.M. INTERF. DESPLAZ. FASE
ISO 25178-604C.N. INTERF. DE LUZ BLANCA
ISO 25178-605C.NOM. AUTOFOCUS SENSOR
ISO 25178-606C.NOM. INSTR. VARIACÓN DE FOCO
ISO 25178-607C.NOM. MICROSCOPIO CONFOCALISO 25178-1
INDICAC. DE ACAB. SUPERFICIAL
CALIBRAC.INSTRUM.CONTACTOISO 25178-701
ISO 16610-XXFILTROS
MET. INTERPOLACIÓN
ESTRUCTURA DE LA NORMATIVA DE MEDIDA DE SUPERFICIES EN 3D
PRINCIPALES REFERENCIAS ADEMÁS DE LAS NORMAS CITADAS:
Filters in surface texture explained- Paul Scout. Taylor Hobson
http://www.michmet.com
Gracias por vuestra atención