Trójwymiarowa analiza nierówności powierzchni

Pod koniec XX wieku świat nauki doszedł do wniosku, że prezentowanie nierówności powierzchni tylko w dwóch wymiarach nie jest wystarczające. Wszelka interakcja powierzchni ma charakter przestrzenny, co zapoczątkowało badania nad analizą nierówności w trzech wymiarach. W artykule przedstawiono sposoby prezentacji powierzchni w układzie 3D. Omówiono dwie najczęściej występujące metody, czyli obraz izometryczny i mapę powierzchni. Pokazano kilka aplikacji prezentacji trójwymiarowej z różnych dziedzin życia. W drugiej części omówiono zasadnicze parametry stosowane przy liczbowej charakteryzacji cech powierzchni 3D. Opisano parametry związane z obszarem i cechami.

Analizując nierówności występujące na powierzchniach, łatwo można dojść do wniosku, że ich charakteryzowanie na wykresie profilu i z zastosowaniem parametrów obliczanych z tego profilu jest niewystarczające. Prezentacja chropowatości i innych składowych struktury geometrycznej powierzchni w dwóch jedynie wymiarach (wzdłużnym x i pionowym z) jest bardzo niepełna i dlatego postanowiono rozszerzyć ją o trzeci wymiar (poprzeczny y), dając w ten sposób przyczynek do powstania analizy topografii powierzchni.

Jeszcze kilkanaście lat temu trójwymiarowa topograficzna analiza powierzchni była właściwie wyłącznie problemem naukowym. Dzisiaj stopniowo zdobywa coraz większą popularność w przemyśle i wydaje się, że jej rola w projektowaniu i produkcji w przyszłości będzie coraz bardziej istotna [1].

Topografia powierzchni potocznie pojmowana jest jako zbiór szczegółowych cech trójwymiarowych pewnego ograniczonego obszaru geometrii powierzchni. W analizie topografii pojawiają się zasadniczo trzy zagadnienia: parametryczna ocena powierzchni, przedstawienie powierzchni i techniczna realizacja pomiaru. W praktycznych zastosowaniach pomiary chropowatości 3D wykorzystywane są nie tylko dlatego, że przestrzenny obraz pozwala lepiej zrozumieć naturę powierzchni. Do niektórych aplikacji w ustabilizowanym procesie produkcyjnym pomiary z pojedynczego profilu są wystarczające i ich rozszerzanie o trzeci wymiar y nie jest konieczne, chociaż jedynie jeśli powierzchnia jest bardzo jednorodna i silnie izotropowa, profil z niej wyodrębniony ma szanse być reprezentatywny.

Większość interakcji powierzchni, włączając chociażby wszelkie zagadnienia kontaktu dwóch powierzchni, to zjawiska trójwymiarowe, i taką właśnie mają naturę. Ich opis nie może zatem ograniczać się jedynie do analizy profilu. Problem pojawia się szczególnie wówczas, kiedy mamy do czynienia ze zjawiskami kontaktu. Na przykład w większości zagadnień budowy maszyn obszar rzeczywistego kontaktu pomiędzy dwoma powierzchniami nie przekracza zaledwie 1% ich powierzch ni nominalnej. W takim przypadku pomiar profilu może albo zaniżyć wysokości nierówności, albo w ogóle nie objąć tych najistotniejszych – i konieczność podejścia 3D staje się bezsporna [2].

Po zebraniu danych pomiarowych, co prezentowane było w poprzednich moich artykułach w magazynie „STAL Metale & Nowe Technologie” i przyjęciu elementu odniesienia [3, 4], kolejnym krokiem analizy jest przedstawianie powierzchni w formie graficznej. Polega ono na odpowiednim połączeniu punktów, aby uzyskać obraz będący reprezentacją analizowanej powierzchni. Zasadniczo istnieją dwie podstawowe możliwości graficznej prezentacji powierzchni. Jedną z nich jest mapa konturowa, a drugą – izometryczny obraz powierzchni, zwany aksonometrią. Metoda konturowa polega na ustaleniu płaszczyzny na zadanej wysokości, znalezieniu przecięć z liniami łączącymi punkty siatki i połączeniu tych punktów. Przykładową mapę konturową dla powierzchni wykonanej z tworzywa sztucznego pokazano na rys. 1 [5]. Odmianą mapy konturowej jest mapa intensywności, zwana też mapą odcieni szarości, gdzie do oddzielenia poszczególnych wysokości zamiast linii konturowych stosuje się kolejne odcienie szarości.

Najczęściej stosowaną opcją graficznej prezentacji powierzchni jest obraz izometryczny tworzony w aksonometrii. Obraz trójwymiarowy jest tu uzyskiwany na podstawie nałożenia na siebie kolejnych profili zdejmowanych na ogół w płaszczyznach równoległych i po ukryciu linii niewidocznych. Chociaż jest to dwuwymiarowa projekcja danych trójwymiarowych, daje ona obraz perspektywiczny. Obraz izometryczny o odpowiedniej szerokości i rozdzielczości jest obecnie podstawową techniką dogodnie prezentującą powierzchnię pod kątem zastosowania. Wygląd powierzchni z rys. 1 w aksonometrii pokazano na rys. 2.

Obraz izometryczny powoduje, że czasami niezbyt wyraźnie widać strukturę kierunkową oraz doliny i wgłębienia. Metodą pozwalającą na uniknięcie tego jest zastosowanie symetrii względem płaszczyzny XY, czyli dokonanie tzw. inwersji (odwrócenia współrzędnych). W ten sposób wierzchołki stają się wgłębieniami – i odwrotnie.

Warto przyjrzeć się topograficznym obrazom wybranych powierzchni. W badaniach procesów obróbkowych analiza topograficzna wykorzystywana jest do odzwierciedlenia procesu wytwarzania, optymalizacji parametrów procesów obróbki, doboru i weryfikacji narzędzi skrawających oraz analizy ich zużycia. W badaniach związanych z mechaniką kontaktu obrazy 3D wykorzystywane są do analizy procesów tarcia i zużycia, określania pola powierzchni kontaktu, zagadnień związanych z transferem ciepła i energii przez obszary kontaktu, adhezją i zwilżalnością oraz ze sklerometrią, czyli analizą rys. Topografia powierzchni stosowana jest również w dziedzinach życia niezwiązanych z budową maszyn. Na przykład w biomedycynie wykorzystuje się ją do inspekcji szkieł kontaktowych, analizy protez (zwłaszcza biodra i kolana), badania powierzchni zębów i włosów, w pracach związanych z przeciwdziałaniem starzeniu (skóra). W innych aplikacjach analizuje się powierzchnię papieru (prace związane z jakością drukowania), banknotów, dzieł sztuki i przedmiotów antycznych oraz do identyfikacji broni.

Pod koniec XX wieku gwałtownie wzrastające zainteresowanie topograficzną oceną powierzchni przyczyniło się do podjęcia prac nad znormalizowaniem metod jej oceny i parametrów stosowanych do ilościowego opisu nierówności powierzchni. Obecnie przedstawianie wszystkich parametrów stereometrii traci sens ze względu na ich liczbę (na przełomie roku 2012/2013 było ich 98), a analiza doboru parametrów do konkretnej aplikacji staje się poważną pracą badawczą i analityczną [8]. Zaprezentujmy zatem najpowszechniejsze parametry nierówności w trzech wymiarach, które w dodatku znalazły uznanie w pracach normalizacyjnych. Parametry i funkcje stosowane w analizie trójwymiarowej w większości przyjęto oznaczać literą „S”, jako odpowiednik litery „R” w parametrach profilu. Parametry dotyczące cech objętościowych oznaczane są literą „V” – od angielskiego słowa volume, oznaczającego właśnie objętość. Wyróżniki topografii powierzchni podzielone zostały na dwie rodziny: związane z obszarem (z ang. field) i związane z cechami (feature). Podstawowa różnica między nimi jest taka, że parametry związane z obszarem wykorzystują aparat statystyczny do powierzchni będącej chmurą punktów, natomiast parametry związane z cechami wykorzystują ten aparat do pewnego podzbioru zebranej powierzchni. Są one definiowane przy użyciu narzędzi rozpoznających poszczególne cechy, a cały proces zawiera 5 elementów: wybór cechy, segmentacja, określenie elementów znaczących, wybór atrybutów i przypisanie wartości liczbowej o charakterze statystycznym.

Parametry związane z obszarem

Pierwszą rodzinę parametrów (związanych z obszarem) dzieli się na pięć grup: wysokościowe, częstotliwościowe, hybrydowe, funkcje i parametry z nimi związane oraz pozostałe. Wśród parametrów wysokościowych dużo mniejszą wagę przykłada się do parametru Sa, zdefiniowanego podobnie jak parametry P_a, W_a i R_a dla profilu. Założono, że parametr ten będzie stosowany rzadziej, a zamiast niego przyjęto parametr S_q (odpowiednik P_q, W_q i R_q).

Poniżej krótka prezentacja najważniejszych i najczęściej stosowanych parametrów związanych z obszarem.

Wysokość średniokwadratowa, czyli średnie kwadratowe odchylenie powierzchni Sq, definiowana jest analogicznie do P_q, W_q i R_q i określana od powierzchni odniesienia, jako odchylenie standardowe wysokości nierówności powierzchni. Oblicza się je ze wzoru:

Średni kwadratowy gradient powierzchni S_dq, opisujący średnie kwadratowe pochylenie nierówności powierzchni, jest definiowany analogicznie do średniego kwadratowego wzniosu profilu (P_dq, W_dq, R_dq) i obliczany jako:

Druga rodzina parametrów topografii powierzchni związana jest z cechami. Filozofia działania jest tutaj zupełnie inna, ponieważ tak naprawdę w rodzinie tej często nie mamy do czynienia z konkretnymi definicjami, ale raczej z zestawem narzędzi technik do rozpoznawania określonych układów nierówności, które można wykorzystać do charakteryzacji określonych cech. Proces rozpoznawania cech przebiega w 5 etapach, którymi są: wybór cechy, segmentacja, określenie elementów znaczących, wybór atrybutów i przypisanie wartości statystycznej. Wyróżnia się trzy główne typy cech: powierzchniowe (wzgórza H i doliny D), liniowe (linie przebiegu C i pasma R) oraz punktowe (wierzchołki P, wgłębienia V i siodła S). Ciekawostką jest fakt, że koncepcja wzgórz i dolin jest rozwinięciem XIX-wiecznego pomysłu Maxwella, który, zajmując się kartografią, zaproponował podział krajobrazu na obszary składające się z wzgórz i obszary składającesię z dolin. Maxwellowskie wzgórze jest obszarem, w którym maksymalna liczba ścieżek wznoszących prowadzi na jeden określony wierzchołek, a dolina to obszar, gdzie maksymalna liczba ścieżek opadających prowadzi do jednego określonego wgłębienia. Granice pomiędzy wzgórzami określone zostały jako cieki wodne, a granice pomiędzy dolinami to działy wodne.

Maxwell pokazał ponadto rolę siodła, jako elementu pozwalającego przejść z jednego pasma na drugie i z jednej doliny do sąsiedniej. Przez szereg lat te dociekania traktowano raczej jako swoistą ciekawostkę filozoficzną, aż doczekały się ponownego odkrycia. Po dokonaniu wyboru cechy przeprowadzana jest segmentacja, używana do określenia regionu, z którego dana cecha będzie obliczana. Polega ona na znalezieniu wierzchołków i wgłębień oraz takim łączeniu segmentów, aby uzyskać niezbędną ich liczbę do pokazania cechy. Ponieważ sposób oceny zależy od użytkownika i powierzchni, zatem parametry związane z cechami dają możliwość swobodnego tworzenia wyróżników, czasem tylko dla jednego typu powierzchni lub sposobu jej wytwarzania. Jest to jednak szansa na uwypuklenie szczególnie istotnych cech, przydatnych do oceny na przykład procesu albo materiału.

Wśród parametrów związanych z cechami istnieją również takie, których definiowanie jest bardziej uniwersalne.

Analiza parametryczna nierówności powierzchni 3D w ciągu około dwudziestu lat stała się procesem bardzo złożonym. Problemem o charakterze badawczym staje się już nie tylko wybór konkretnego parametru do oceny danej powierzchni, ale nawet jego konfiguracja. Prace normalizacyjne z tego zakresu są w dalszym ciągu mocno zaawansowane, co z pewnością wróży powstawanie kolejnych wyróżników. Topografia powierzchni pozwala lepiej zrozumieć procesy zachodzące w wielu aplikacjach. Dotyczy to nie tylko budowy maszyn. Również w zastosowaniach biomedycznych można wygodnie monitorować zachodzące zmiany i na przykład projektować elementy protez. Krąg dziedzin stosowania analizy stereometrycznej ciągle się poszerza, a wiedza specjalistów w zakresie pomiarów powierzchni jest cenna w wielu pracach o charakterze interdyscyplinarnym.

Piśmiennictwo

1. Mathia T.G., Pawlus P., Wieczorowski M.: Recent trends in surface metrology. „Wear”, 3-4/2011, p. 494-508.
2. Wieczorowski M.: Wykorzystanie analizy topograficznej w pomiarach nierówności powierzchni. Rozprawa habilitacyjna, 429, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2009 (monografia habilitacyjna).
3. Murthy T.S.R., Reddy G.C., Radhakrishnan V.: Different functions and computations for surface topography. „Wear”, 2/1982, p. 203-214.
4. Dong W.P., Mainsah E., Stout K.J.: Reference planes for the assessment of surface roughness in three dimensions. „International Journal of Machine Tools and Manufacture”, 2/1995, p. 263-271.
5. www.digitalsurf.fr.
6. Mathia T.G. i in.: Why is 3D metrology of surface morphology required? Ref. VI Konf.: Stereometria powierzchni, Poznań 2006.
7. Deltombe R., Bigerelle M.: How to select the most relevant 3D roughness parameters of a surface, Proceedings of the 3rd International Conference on Surface Metrology, Annecy, Francja 2012.
8. Ourahmoune R.: Contribution à la compréhension de la fonctionnalisation mécanique de surface des composites à matrice thermoplastique destinés à l’assemblage par collage. Rozprawa doktorska, École Centrale de Lyon (Francja), 2012.