Uwidocznić zużycie

W przyszłości silniki spalinowe powinny być jeszcze lżejsze, bardziej paliwooszczędne i przyjazne dla środowiska – a najlepiej także dostarczać więcej mocy w trasie. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego ambitnego celu jest poprawa ogólnej wydajności. Istotną rolę odgrywają tu straty wynikające z tarcia. Ponieważ pokonanie tarcia wymaga nakładu siły, a tarcie wytwarza ciepło, którego energia nie jest już dostępna dla ruchu. Jednocześnie tarcie generuje niepożądany hałas, który w nowoczesnych samochodach z silnikami elektrycznymi nie jest już zagłuszany. I wreszcie, tarcie prowadzi również do zużycia ruchomych elementów silnika. Z tego powodu Volkswagen wykorzystuje optyczny proces 3D, aby sprawdzić, gdzie i z jaką intensywnością ocierają się o siebie poszczególne elementy.

Powierzchnie pokazują, co się stało

Zasadniczo są to testy „przed i po”, które technik pomiarowy Stefan Rubach otrzymuje jako zlecenie z działu rozwoju silników. „Interesuje nas, jak wygląda komponent, gdy jest nowy, a jak po przeprowadzeniu określonego testu” – wyjaśnia dyplomowany inżynier. Zużycie powierzchni uwidacznia się, zależnie od przypadku, poprzez chropowatą lub gładszą strukturę. „Mogły jednak również powstać nacięcia, które trwale zmieniają powierzchnię” – mówi Rubach. Technologia trójwymiarowego optycznego pomiaru powierzchni jest niezbędna do czystego wykrywania takich zmian w ramach prowadzonych projektów badawczo-rozwojowych. Technicy pomiarowi z Wolfsburga używają do tego celu urządzenia firmy NanoFocus, które jest teraz dostępne w firmie Mahr pod nazwą MarSurf CM explorer. Obie firmy współpracują w tym zakresie od kwietnia 2018 roku. Za pomocą urządzenia MarSurf CM explorer powierzchnie są skanowane optycznie, a więc bezdotykowo, a następnie analizowane. W rezultacie otrzymujemy trójwymiarowy obraz wysokości. Wyniesienia i obniżenia, rozszerzenia i zagłębienia są na nim wyraźnie rozpoznawalne – nawet jeśli nie są ułożone kierunkowo, lecz stochastycznie. Analiza 3D staje się jeszcze ważniejsza, jeśli powierzchnie na stanowisku badawczym są powlekane lub posiadają precyzyjnie prowadzone wygładzone rowki, które tworzą objętość retencyjną dla oleju np. na powierzchni roboczej cylindra.

Przysłona perforowana filtruje światło rozproszone

Urządzenie MarSurf CM explorer firmy Mahr jest wykorzystywane w technice pomiaru powierzchni firmy Volkswagen jako elastyczny instrument, zwłaszcza gdy wymagane są informacje o powierzchni. Chodzi tu o dokładniejsze spojrzenie na szczegóły powierzchni – a nie tylko na przekrój profilu, jak to ma miejsce w przypadku pomiarów stykowych.

Za optyczną metodą pomiarową CM explorer stoi technologia mikroskopii konfokalnej. Cecha szczególna: Urządzenie firmy Mahr odfiltrowuje światło rozproszone odbite od powierzchni obiektu poprzez obracającą przysłonę perforowaną – tzw. dysk wielootworkowy. W ten sposób na chipie CCD kamery obrazowane są tylko te punkty powierzchni, które są widoczne z pełną ostrością. Niewyraźne piksele są ukrywane. W pierwszym etapie uzyskuje się w ten sposób silnie kontrastowy i ostry obraz danej powierzchni w wyraźnie zarysowanej płaszczyźnie poziomej.

Aby uzyskać trójwymiarową rekonstrukcję powierzchni (relief), przyrząd pomiarowy automatycznie zmienia ostrość w trakcie pomiaru i w ten sposób generuje serię obrazów na różnych poziomach ostrości, wraz z odpowiadającymi im liniami konturowymi.

Po nałożeniu ich na siebie uzyskuje się trójwymiarowy obraz o rozdzielczości umożliwiającej uwidocznienie struktur nawet w skali nanometrycznej. Przeciętnie taki zestaw obrazów składa się z 200 do 400 pojedynczych ujęć, które są rejestrowane w ciągu kilku sekund i przekształcane w trójwymiarowy obraz wysokości przez oprogramowanie pomiarowe. „Nie tworzymy obrazów, lecz reliefy” – podkreśla Stefan Rubach.

Wysoka rozdzielczość również przy dużych powierzchniach

Dzięki MarSurf CM explorer wewnętrzne laboratorium testowe działu rozwoju silników Volkswagena w Wolfsburgu może dosłownie wyruszyć na poszukiwanie wskazówek. Standardowy obiektyw z 20-krotnym powiększeniem obejmuje pole pomiarowe o wymiarach 0,8 na 0,8 milimetra. Jeśli potrzebne są większe powierzchnie, CM explorer posiada tzw. funkcję stitchingu. Służy ona do łączenia sąsiadujących ze sobą pojedynczych obrazów w jeden obraz ogólny – podobny do zdjęcia panoramicznego. Dzięki temu można analizować duże obszary z najwyższą możliwą rozdzielczością. Rozwiązanie firmy Mahr zasługuje tym samym na swoją nazwę, oznaczającą „odkrywcę”: „W przypadku wielu zadań pomiarowych ani deweloper, ani my często nie wiemy, czego się spodziewać” – opisuje Rubach podróż odkrywczą, która następuje później.

Aby zapewnić porównywalność wyników pomiarów, w konfokalnej technologii pomiarowej ważna jest również powtarzalność. Jest to szczególnie ważne, gdy różni pracownicy wykonują pomiary w codziennej pracy laboratoryjnej. „Technologia pomiarowa ma wiele wspólnego z zaufaniem. Zaufaniem do technologii i do pracowników, którzy z nią pracują” – przekonuje Rubach. Dlatego też łatwość obsługi sprzętu i oprogramowania mają dla Rubacha kluczowe znaczenie, pozwalają bowiem uniknąć błędów operatora. Jednak elementy, które nie zostały całkowicie oczyszczone przed badaniem, również fałszują wyniki z powodu osadów brudu lub kurzu. Z tego powodu, urządzenie MarSurf CM explorer jest szczególnie wytrzymałe.

Więcej praktyki na etapie rozwoju

Zmierzone topografie mogą być wykorzystane do dalszej analizy jako raport z badań w formie PDF. Jednak programiści Volkswagena wykorzystują surowe dane z pomiarów powierzchni, aby zintegrować wyniki pomiarów z procesami symulacji. Za pomocą tych niefiltrowanych danych można dokładnie prognozować funkcje i zachowanie podczas symulacji. Rubach i jego koledzy mogą dzięki temu pracować w sposób bardzo zbliżony do praktyki. „W przeszłości trzeba było tworzyć modele obliczeniowe, ale dziś mamy do dyspozycji w symulacji rzeczywiste powierzchnie i ich zachowanie”, wyjaśnia metrolog VW, Rubach. Co więcej: „Projektowanie i rozwój stały się znacznie bliższe praktyce.”

Tekst: Thorsten Höring, menedżer produktu w firmie Mahr i Jörg Meyer, menedżer ds. kluczowych klientów na świecie w firmie Mahr.

________________________________________

Dowiedz się, która metoda pomiarowa jest odpowiednia dla Twojej aplikacji dzięki naszemu whitepaper: 2D a 3D w technice pomiaru powierzchni.