Hacer visible el desgaste

En el futuro, los motores de combustión deberán ser aún más ligeros, más eficientes en cuanto al consumo de combustible y más respetuosos con el medio ambiente y, en un caso ideal, también deberán ofrecer más potencia a la carretera. Una forma de alcanzar este ambicioso objetivo es mejorar la eficacia en general. En este punto, las pérdidas por fricción desempeñan un papel importante. Porque superar la fricción cuesta energía y la fricción genera calor, y su energía ya no está disponible para el movimiento. Al mismo tiempo, la fricción genera ruidos no deseados, que ya no se superponen en los automóviles modernos que incorporan un motor eléctrico. Por último, la fricción también provoca el desgaste de los componentes móviles de un motor. Por estos motivos, Volkswagen utiliza un proceso óptico en 3D para comprobar los puntos en los que los componentes rozan entre sí y la intensidad con la que lo hacen.

Las superficies muestran lo que ha pasado

Básicamente, se trata de ensayos pruebas del antes y del después que el metrólogo Stefan Rubach recibe como encargo del departamento de desarrollo de motores. «Nos interesa saber cómo es un componente cuando es nuevo y cómo es después de un ensayo concreto», explica el ingeniero diplomado. El desgaste de las superficies se hace visible a través de estructuras más rugosas o más lisas. «Pero también es posible incorporar muescas que modifican la superficie de forma permanente», continúa Rubach. La metrología óptica tridimensional de superficies es necesaria para detectar de forma limpia estos cambios en el marco de los proyectos de I+D que se encuentran en curso. Los metrólogos de Wolfsburg utilizan para ello un aparato de NanoFocus, que Mahr ofrece ahora con el nombre de MarSurf CM explorer. Ambas empresas llevan colaborando en este ámbito desde abril de 2018. Con el MarSurf CM explorer las superficies se escanean de forma óptica y, por lo tanto, sin contacto y, después, se analizan. El resultado es una imagen de altura tridimensional. Así, se detectan claramente picos y valles, abultamientos y depresiones, incluso cuando no están dispuestos direccionalmente, sino que están distribuidos de forma estocástica. Por otro lado, un análisis en 3D resulta aún más importante si las superficies del banco de ensayos están recubiertas o tienen ranuras cóncavas guiadas con precisión que, por ejemplo, crean un volumen de retención para el aceite en la trayectoria del cilindro.

El diafragma perforado filtra la luz dispersa.

El MarSurf CM explorer de Mahr se utiliza en la metrología de superficies de Volkswagen como instrumento flexible, sobre todo cuando es necesario obtener información sobre la superficie. Se trata de observar con precisión los detalles de una superficie, y no solo de una sección del perfil, como ocurre con las mediciones táctiles.

Detrás del método de medición óptica del CM explorer se encuentra la tecnología de la microscopia confocal. La particularidad consiste en que el aparato de Mahr filtra la luz dispersa reflejada por la superficie del objeto a través de un orificio giratorio, que recibe el nombre de disco de múltiples agujeros estenopeicos. De este modo, en el chip CCD de la cámara solo se representan los puntos de la superficie que están enfocados de forma exacta, mientras que los píxeles que no son nítidos se ocultan. En el primer paso, esto proporciona una imagen de alto contraste y nítida de la superficie correspondiente en un plano horizontal claramente definido.

Para obtener una reconstrucción tridimensional y evaluable de la superficie (en relieve), el aparato de medición cambia automáticamente el enfoque dentro de la medición y, de este modo, genera una serie de imágenes con diferentes niveles de nitidez con las líneas de nivel correspondientes.

Cuando se superponen, surge una imagen tridimensional con una resolución que permite ver las estructuras incluso en la nanoescala. Por término medio, una pila de imágenes de este tipo comprende entre 200 y 400 imágenes individuales, que se capturan en pocos segundos y se convierten en una imagen de altura tridimensional mediante el software de medición. «No creamos imágenes, sino relieves», subraya Stefan Rubach.

Alta resolución, incluso en superficies grandes

Con el MarSurf CM explorer, el laboratorio de ensayos interno del departamento de desarrollo de motores de Volkswagen, ubicado en la sede de Wolfsburgo, puede ir literalmente «en busca de huellas». Con sus 20 aumentos, el objetivo estándar cubre un punto de medición de 0,8 mm × 0,8 mm. Si se necesitan superficies más grandes, el CM explorer dispone de la llamada función de stitching (ensamblaje), que permite combinar imágenes individuales contiguas para formar una imagen completa, similar a una foto panorámica. Esto permite analizar superficies de gran tamaño con la mayor resolución posible. La solución de Mahr hace honor a su nombre de «explorer» (explorador). «En muchos trabajos de medición, a menudo ni el desarrollador ni nosotros sabemos lo que nos espera», afirma Rubach al describir su viaje de descubrimiento.

Para garantizar que los resultados de medición sean comparables, también es preciso tener en cuenta la repetibilidad en la metrología confocal, lo que se aplica sobre todo cuando hay varios empleados que realizan de forma rutinaria mediciones en el laboratorio. «La metrología tiene mucho que ver con la confianza. Confianza en la tecnología y en los empleados que trabajan con ella», declara convencido Rubach. Así pues, la facilidad de uso del hardware y del software es fundamental para Rubach cuando es preciso evitar errores de los usuarios. No obstante, los componentes que no se han limpiado completamente antes del ensayo también pueden falsear los resultados debido a los depósitos existentes de suciedad o de polvo. Por este motivo, el hardware del MarSurf CM explorer es especialmente robusto.

Más realidad en desarrollo

Las topografías medidas pueden utilizarse como informe de ensayos en formato PDF para su análisis en un momento posterior. No obstante, los desarrolladores de Volkswagen utilizan los datos brutos de las mediciones de superficies para integrar los resultados de medición en sus procesos de simulación. Además, estos datos no filtrados también ayudan a predecir de forma precisa las funciones y el comportamiento que se dan durante una simulación, lo que significa que Rubach y sus colegas trabajan en condiciones muy cercanas a la realidad. «Antes había que crear modelos de cálculo; en cambio, hoy disponemos de superficies reales y de su comportamiento en la simulación», explica Rubach, metrólogo de VW. Y, además: «Realizamos nuestras labores de desarrollo en situaciones que se acercan mucho más a la realidad».

Texto: Thorsten Höring, director de productos de Mahr y Jörg Meyer, director de gestión de cuentas mundiales clave de Mahr.

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Descubra aquí cuál es el método de medición adecuado para su aplicación consultando nuestra documentación técnica: 2D frente a 3D en la metrología de superficies.