Na Politechnice Krakowskiej otwarto Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych. Dysponuje światowej klasy aparaturą do wykonywania najdokładniejszych pomiarów świata w skali od nano do wielkogabarytowej. Dzięki nowej infrastrukturze polscy naukowcy dołączają do grona globalnych liderów metrologii współrzędnościowej.
Metrologia współrzędnościowa to dynamicznie rozwijający się obszar nauki i przemysłu, który zajmuje się pomiarem i obrazowaniem 3D wszelkich obiektów geometrycznych. Ich coraz bardziej dokładnego opisu dokonuje się w metrologii współrzędnościowej nie na podstawie samych wymiarów badanych obiektów, a poprzez zautomatyzowane wyznaczanie współrzędnych punktów na ich powierzchni. Taki precyzyjny pomiar i obrazowanie obiektów przestrzennych (ich wielkości geometrycznych np. odległości, wymiarów, kształtów, relacji geometrycznych) ma kluczowe znaczenie w wielu dziedzinach nauki i gałęziach przemysłu.
Bez dokładnych pomiarów niemożliwe byłoby bezpieczne i zaplanowane działanie maszyn, urządzeń, sieci i innych mechanizmów oraz ich udoskonalanie. Niemożliwa byłaby też ocena czy części składowe mechanizmów, wykorzystywanych w przemyśle, zostały wytworzone bez wad produkcyjnych i zmontowane w sposób, jaki założono na etapie projektowania. Metrologia współrzędnościowa przychodzi z pomocą wszędzie tam, gdzie dla niezawodności, bezpieczeństwa czy sprawności działania maszyn i urządzeń, niezbędna jest jak największa precyzja pomiarów ich elementów, układów, efektów ich odkształceń. Dzięki rozwojowi techniki, a w szczególności elektroniki, proces pomiaru w metrologii współrzędnościowej został zautomatyzowany i osiąga coraz bardziej zaawansowany poziom. Dzieje się tak m.in. dzięki coraz bardziej wyrafinowanym narzędziom badawczym. Teraz dysponuje takimi nowe Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej.
Wzmacniamy w ten sposób nasz potencjał badawczy i przesuwamy granice dokładności pomiarów do niewyobrażalnego dotąd poziomu. Stwarzamy tym samym szansę nie tylko na rozwój nauki, ale także na technologiczny skok europejskich firm, które będą korzystały z możliwości naszych zespołów badawczych i naszej infrastruktury – podkreśla prof. Andrzej Szarata, rektor PK.
Polska sieć z unijnym wsparciem
Nowe laboratorium PK jest częścią Narodowej Sieci Metrologii Współrzędnościowej (NSMET), stworzonej przez cztery czołowe w kraju politechniki: Krakowską (lider konsorcjum) oraz Poznańską, Warszawską i Świętokrzyską. Wart ponad 51 mln zł projekt został zrealizowany w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Uczelnie otrzymały dofinansowanie w wysokości ponad 35 mln zł (z czego najwięcej – 18 mln zł – Politechnika Krakowska) na stworzenie wyspecjalizowanej infrastruktury badawczej dla rozwoju w Polsce metrologii współrzędnościowej.
Bez zwiększania dokładności pomiarów nie ma mowy o wytwarzaniu coraz lepszych urządzeń. Nasze Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych służy łamaniu barier technologicznych. Pomiary o takiej dokładności wykonuje się w zaledwie kilku światowych ośrodkach, przy czym możliwości aparaturowe polskiej sieci czynią ją jednym z najnowocześniejszych centrów badawczych, o najszerszym zakresie badań — zapewnia prof. Jerzy Sładek, dziekan Wydziału Mechanicznego i inicjator narodowej sieci metrologicznej.
W dwukondygnacyjnym budynku na krakowskich Czyżynach powstał ośrodek z unikatową w skali międzynarodowej aparaturą, która umożliwia wykonywanie pomiarów geometrii struktur wewnętrznych oraz zewnętrznych obiektów mierzonych, w skalach od nano do pomiarów wielkogabarytowych (co odpowiada zakresowi od 10-9 m do 102 m). Z jej pomocą będzie można badać części maszyn i układów z różnorodnych branż przemysłu, m.in.: samochodowego, lotniczego, energetycznego (w tym odnawialnych źródeł energii), maszynowego, medycyny, fotowoltaiki, AGD, technologii światłowodowych, optoelektroniki, bioinżynierii, produkcji materiałów kompozytowych i nanomateriałów, itd. Zakres realizowanych usług obejmuje pomiary tomograficzne w skali nano oraz mikro, nano pomiary współrzędnościowe geometrii mierzonych elementów oraz topografii ich powierzchni, pomiary multisensoryczne części maszyn wykonywane z zastosowaniem skanujących głowic stykowych oraz głowic optycznych, których funkcjonowanie oparte jest na różnych zjawiskach fizycznych oraz pomiary wielkogabarytowe elementów z mikronowymi dokładnościami.
Hexagon Leitz Infinity 12.10.7 – do najtrudniejszych pomiarów
Trzy maszyny pomiarowe nowego laboratorium to perły światowej metrologii. Hexagon Leitz Infinity 12.10.7 (z możliwą niepewnością pomiaru na poziomie 0,1 μm i przestrzenią pomiarową 1,2 × 1 × 0,7 m) to obecnie najdokładniejsza maszyna współrzędnościowa w Polsce.
Po zrealizowaniu założonej agendy badawczej, za około 2 lata, maszyna umożliwi wykonywanie pomiarów z maksymalnymi błędami dopuszczalnymi rzędu dziesiątej części mikrometra. Dla porównania ludzki włos ma średnicę od 50 do 100 mikrometrów. Przy takich możliwościach nasza maszyna będzie jedną z najdokładniejszych maszyn współrzędnościowych w skali światowej –zapowiada prof. Adam Gąska, kierownik Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej i projektu NSMET.
Urządzenia o tak wysokich dokładnościach nie są produkowane komercyjnie. Uzyskanie takich parametrów było możliwe poprzez dodatkowe, specjalistyczne prace nad nimi naukowców PK i ekspertów producenta maszyny. Potrzebne było zastosowanie specjalnie dopasowanych metod korekcji błędów geometrycznych maszyny i błędów systemów pomiaru przemieszczeń oraz stosowanych na maszynie głowic pomiarowych. Korekcja błędów odbywa się w oparciu o komputerowo wspomaganą mapę błędów wyznaczoną z zastosowaniem najnowocześniejszych interferometrów laserowych.
Dla uzyskania tak precyzyjnych możliwości pomiarowych konieczne było umieszczenie maszyny w klimatyzowanym pomieszczeniu ze stałą temperaturę 20 stopni Celsjusza (z odchyleniami nieprzekraczającymi… pięciu setnych stopnia). Tak rygorystycznych warunków nie spełnia prawie żadna inna instalacja w Europie. Maszyna będzie służyła do realizowania najtrudniejszych zadań, jakie są spotykane w praktyce metrologicznej – pomiarów i wzorcowania elementów o skomplikowanych kształtach, powierzchni swobodnych, elementów o bardzo wąskich polach tolerancji rzędu kilku mikrometrów – części silników, pomp, kompresorów.
50 ton ultraprecyzji na 12 poduszkach powietrznych
Imponującą charakterystykę ma druga z maszyn współrzędnościowych nowego laboratorium – PMM-G 50.30.20 do pomiarów elementów wielkogabarytowych o przestrzeni pomiarowej 5 × 3 × 2 m. Ważąca ponad 50 ton maszyna została umieszczona na 12 poduszkach powietrznych, czyli wibroizolatorach pneumatycznych dla zapewnienia odpowiedniej izolacji przed drganiami. Pracuje w pomieszczeniu wyposażonym w system klimatyzacji, stabilizujący temperaturę w centralnym punkcie przestrzeni pomiarowej maszyny na poziomie 20 ± 0,2°C, co dla tak dużej przestrzeni pomiarowej maszyny jest niespotykane w skali europejskiej.
Będzie służyć do pomiaru elementów wielkogabarytowych z przemysłu lotniczego, zbrojeniowego, kosmicznego, samochodowego, energetycznego, maszynowego, itp. z wartościami niepewności pomiaru mniejszymi od 1 μm – wymienia prof. Adam Gąska. – Po osiągnięciu pełnej gotowości pomiarowej błędy dopuszczalne maszyny będą określone równaniem nie gorszym niż MPE = 0,5 + L/400 μm (gdzie L to mierzona długość wyrażona w mm) dla całego zakresu pomiarowego maszyny. Nie ma na świecie maszyny współrzędnościowej o takim równaniu błędów dopuszczalnych – dodaje.
Bezbłędny maluch do wyrafinowanych technologii
Trzeci nabytek nowego laboratorium – przy poprzednich – jest jak biżuteryjny drobiazg. Przestrzeń pomiarowa maszyny nanometrycznej NMM-1 zawiera się w granicach: 25 × 25 × 7 mm. Na powierzchni odpowiadającej wielkości znaczka pocztowego, można wykonywać pomiary z dokładnością nawet sto razy większą niż w przypadku dwu wcześniej opisanych maszyn. NMM-1 umożliwia realizację wzorcowań przy niepewnościach zbliżających się nawet do jednego nanometra, czyli milionowej części milimetra! To absolutny szczyt w dziedzinie precyzji pomiarów.
Nanomaszyna pomiarowa o takiej konfiguracji nie jest dostępna w skali krajowej, w skali międzynarodowej badania z zastosowaniem nanomaszyn współrzędnościowych prowadzone są w nielicznych, najlepiej rozwiniętych ośrodkach naukowych, m.in. w NPL w Wielkiej Brytanii; PTB w Niemczech czy Federal Institute of Metrology (METAS) w Szwajcarii. Dołączamy więc do bardzo elitarnego grona – wskazuje prof. Adam Gąska.
Specjalna konstrukcja maszyny umożliwia wyeliminowanie niemalże do zera błędów Abbego oraz błędów geometrycznych urządzenia, rozdzielczość urządzenia jest równa 0,1 nanometra, a rozdzielczość interferometrów wykorzystywanych jako wzorce przemieszczenia maszyny współrzędnościowej jest równa 0,02 nanometra. To ponad milion razy mniej niż średnica ludzkiego włosa!
Najmniejsza z maszyn (producent SIOS Messtechnik GmbH) jest wyposażona w trzy sensory: głowicę stykową skanującą, głowicę optyczną (LaserFocus) oraz głowicę sił atomowych (AFM). Znajduje zastosowanie do mierzenia cienkich warstw, którymi pokrywa się różne urządzenia, np. panele fotowoltaiczne. Jest także przydatna w superprecyzyjnej optyce, np. do mierzenia soczewek. Tak zaawansowany sprzęt jak NMM-1 jest też wykorzystywany w produkcji mikroprocesorów najwyższej klasy, takich, których nie wytwarza się jeszcze w Polsce.
Ultraprecyzja w specjalnych warunkach
Osiąganie precyzji pomiarów w stopniu gwarantowanym przez trzy nowe maszyny, nie byłoby możliwe bez zapewnienia im odpowiednich warunków pracy. Stabilizację termiczną zapewniają specjalnie zaprojektowane systemy klimatyzacji, utrzymujące stałą temperaturę w przestrzeniach badawczych. Wszystkie urządzenia zostały też zabezpieczone przed drganiami. Są zainstalowane na dedykowanych im betonowych fundamentach, całkowicie odciętych od reszty budynku. Dzięki temu drgania generowane przez inne urządzenia wykorzystywane w LUPW (sprężarka, system klimatyzacji) oraz takie, które mogą dochodzić z zewnątrz nie przenoszą się na aparaturę pomiarową. Dodatkowo każda z maszyn jest wyposażona we własne systemy izolacji drgań.
źródło: PK