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De la medición de rugosidad típica en perfiles 2D de centésimas de micrómetros a la necesidad de alcanzar la certidumbre más allá de los nanómetros en mediciones 3D

Futura normalización ISO en calidad superficial 3D. Parámetros y algoritmos

M. Ana Sáenz-Nuño, Dpto. Ing. Mecánica, ICAI, Comillas; Pilar Pérez, Centro Español de Metrología; y Javier Bisbal, UNE26/07/2018
En este trabajo se presenta la evolución de la Normalización Internacional en Calidad Superficial y los nuevos enfoques que se proponen desde ISO. Se hará también una valoración de las consecuencias de la nueva implantación sobre la I+D+I en España y se mostrará cómo además los avances científicos y tecnológicos que en este periodo han sido espectaculares en todos los ámbitos, y en particular en muchos laboratorios nacionales. Se mostrará cómo se ha avanzado desde la medición de rugosidad típica en perfiles 2D del orden de centésimas de micrómetros, a una necesidad imperiosa por alcanzar la certidumbre más allá de los nanómetros y en mediciones 3D con distintas técnicas de medición.

La normativa que se utiliza en la Industria es el resultado de años de experiencia. En particular, la especificación y caracterización de la superficie de las piezas a fabricar ha sido siempre un caballo de batalla. Cuando se diseña una máquina, un mecanismo, una pieza, no basta con establecer las dimensiones de la pieza, es necesario acotar las tolerancias dimensionales, que darán cuenta de los procesos que se podrán considerar como válidos para su fabricación. Cuando los requisitos lo requieran, se especificará la forma de los elementos geométricos, a través de las tolerancias geométricas. Pero si bien estas últimas no siempre son necesarias, la calidad superficial, textura o rugosidad siempre es importante.

1. Introducción

Algunas veces se confía en el acabado que un proceso es capaz de dar, y el diseñador se conforma con indicar el proceso de fabricación. Esto es insuficiente, pues deja un grado de libertad demasiado grande que muchas veces da lugar a sorpresas desagradables y la consiguiente necesidad de un procesado posterior para asegurar el acabado necesario. Antes de entrar en la discusión pormenorizada, es importante señalar que la normativa que aquí se presenta es el resultado del esfuerzo continuo de muchos profesionales de muy distintos países desde hace más de 50 años. No es algo trivial, sino que cada uno de los párrafos que se han escrito son el fruto de largas discusiones a nivel nacional e internacional, y por lo tanto debería valorarse de esa forma. Más aún, estos comités y estas reuniones están abiertas a todos.

2. Acercamiento a la normativa

La especificación de la calidad superficial es siempre siguiendo alguna normativa, bien propia (práctica en desuso) o bien nacional/internacional. A continuación, proponemos una forma de abordarla, fruto de la experiencia en el sector.

2.1. A partir de los parámetros

Actualmente coexisten tres normativas en los planos técnicos que se manejan para la especificación de los parámetros de rugosidad, no los que se documentan, sino los que realmente se utilizan.

  • Normativa anterior, basada en triángulos.
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Figura 1: Especificación anterior.
  • Normativa 2D, completamente vigente. (Parámetros R, P y W).
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Figura 2: Especificación vigente ISO 1302 [1].
  • Normativa 3D, vigente y en desarrollo. (Parámetros S y especificación 3D).
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Figura 3: Especificación vigente ISO 25178-1 [2].

En esta clasificación por parámetros, es el diseñador el que habitualmente toma las riendas sobre lo que se especifica en la pieza. En la actualidad puede encontrarse la distinta simbología coexistiendo en la documentación técnica de una misma empresa.

2.2. A partir de los algoritmos de cálculo de parámetros

Si analizamos la normativa desde el punto de vista de los algoritmos para la medida, veremos que ya no es el diseñador el que decide el algoritmo, aunque podría. Lamentablemente no todos los diseñadores conocen en profundidad lo que hay detrás de cada parámetro. Se dejan llevar por la práctica habitual de su empresa, por lo que creen recordar de sus estudios o incluso desestima el potencial de la calidad superficial.

Por otro lado, curiosamente, la normativa que propone algoritmos es una de la normativa más homogénea. Si bien es cierto que los conocimientos matemáticos necesarios no son triviales, sí se está generando una normalización homogénea y coherente con poco lugar a las ambigüedades. Muchos técnicos ya lo reconocen y se están preocupando por seguirla. Habría que distinguir entre la normativa para la especificación en 3D, de la de perfiles 2D y perfiles 3D.

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Figura 4: Figura D.3 de la ISO 25178-1:2016. Especificación en 3D.

La especificación en 3D, es la forma en la que se acotan los dibujos en perspectiva. Con las amplias funcionalidades de los paquetes informáticos que se usan en el diseño y dibujo de piezas, esta es una práctica muy extendida. Aún no hay una normativa internacional, aunque sí algunas nacionales, que den cuenta de esta forma de acotar, por lo que se suelen seguir las opciones disponibles en los programas.

Esto no introduce cambios significativos más que en la Documentación Técnica de Producto (habitualmente conocida por sus siglas TPD). En cuanto al perfil a medir, ya sea 2D ó 3D, el esquema que desde ISO se está proponiendo para el acercamiento a los algoritmos de cálculo es la siguiente:

  • Se toman las definiciones anteriores de los parámetros (R, P y W) que ampliamente se usan en la industria. Evidentemente no tendría sentido prescindir de la experiencia habida cuenta de su eficacia en la utilización. Un ejemplo sería el parámetro de calidad superficial Ra, definido por la expresión (1)
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O en su nueva versión (2).

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En el caso de mediciones sobre superficies 3D, se han definido nuevos parámetros para las características de volumen, no sólo área, y que para algunas aplicaciones resulta muy útil. Es una nueva forma de tratar los detalles de la superficie.

  • Se especifican las condiciones en las que se debe medir el perfil para aplicar dicho parámetro. Una discusión muy interesante en este punto es la selección de la superficie a medir, pues no es lo mismo una superficie mecánica, relevante por la fricción o por su interés para el agarre de la pintura, que una óptica, etc. Esto es algo que el diseñador debe decidir, pues los metrólogos medirán lo que el plano indique. El siguiente aspecto tiene mucho que ver con la medición en sí. Aún en el caso de utilizar métodos sin contacto, el perfil (ya sea 2D ó 3D), no es medido como un continuo, sino que siempre es discretizado o digitalizado. Por ello la expresión (1) no se convierte en la práctica en la integral (2). Esto es lo que se conoce como muestreado de la señal.
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Figura 5: Figura de la ISO 25178-2:2016. Medición de superficie 3D.

En la normativa, ISO 4288 y otras [3] se recomiendan los valores de muestreo, longitudes de onda de corte, de recorrido etcétera para los valores de los parámetros a medir. Es muy importante recordar que los valores que se indican en la normativa siempre son recomendaciones, nunca obligaciones. Es el usuario el que al indicar que va a seguir dicha norma, se compromete a utilizar.

Consecuentemente, los equipos de medición, cada vez más versátiles, suelen permitir la selección de las condiciones de medición bajo distintas normas o incluso propias del usuario. Los resultados obtenidos para un mismo parámetro y una misma superficie diferirán bajo condiciones distintas, pues evidentemente los puntos de perfil de partida no serán los mismos, se están evaluando cosas distintas. En el arte de la medición, una vez muestreada la superficie, el perfil pasa a ser una señal, por su similitud con las señales que se usan en otros ámbitos de la ciencia y tecnología.

  • Sobre dicha señal se especifican los posibles filtros a utilizar. Este es el caballo de batalla que las empresas están disputándose. Es muy habitual que cada fabricante de equipos de medición, típicamente de microscopios, aboguen por su algoritmo, su filtrado, su forma de cálculo. Para el cálculo de incertidumbres pormenorizado, es recomendable tener información sobre los algoritmos empleados. Todo usuario es consciente de que esta información no está fácilmente disponible, por ser algo que los suministradores de software mantienen confidencialmente. Sin embargo, la normativa proporciona métodos para poder caracterizarlos y resultar útiles para el cálculo de incertidumbres. Por ejemplo, una forma muy interesante de caracterizar el filtro morfológico de un equipo es simplemente medir el mismo perfil con los distintos palpadores de los que se disponga, una vez conocidas sus geometrías. Si las condiciones de medición son las mismas, deberá existir una correlación entre las mediciones. Este es un estudio sencillo y cómodo que muchos laboratorios llevan a cabo con sus propios patrones.
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Figura 6: Simulación de filtrado morfológico sobre perfil 2D.

Es importante señalar que la normativa no son documentos didácticos, son recomendaciones y así debe considerarse al trabajar con ellos.

2.3. A partir del sistema de medición

En la normativa también se está dando cuenta de los posibles sistemas de medición distintos que puedan converger hacia la medición de calidad superficial, para dar cuenta de la necesidad de comparabilidad de resultados. Aquí son muchos los logros conseguidos, pero queda mucho por hacer. Las intercomparaciones que se están realizando son de un alto interés que dará frutos muy importantes en los próximos años.

En la serie UNE EN ISO 25178-X [6], hay una parte específica sobre la clasificación de los distintos equipos de medición disponibles en el ámbito de la calidad superficial.

2.4. A partir de la calibración

Por último, se ha dado un gran avance en la calibración de los equipos, proponiendo patrones comunes para la calibración de los equipos que utilizan distintos principios físicos para la medida [7]. Estos patrones, si bien no son obligatorios, sí se recomienda su uso.

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Figura 6: Figura de la ISO 25178-701:2016 [7]. Patrón de contorno recomendado.

3. Resultados y discusión

El trabajo que se realiza en el comité de AENOR-UNE AEN/CTN 82/SC 2 ‘Metrología Dimensional’ da cuenta de todo lo comentado en este trabajo. Es muy importante llegar a un consenso en la forma en la que se mide y medirá la calidad superficial, ya sea en perfiles 2D ó 3D, para que, sin abandonar prácticas eficaces, se puedan obtener métodos más versátiles y amplios.

Se reconoce a nivel internacional el énfasis que para industria tiene la profundización en estos conocimientos. Se ha observado la necesidad que existe a nivel de usuario de acercamiento a las normas, pero se parten de las siguientes desventajas:

  • Es necesaria una formación mínima en tratamiento de la señal para abordar la matemática que se esconde detrás de la normativa.
  • No se dispone de tiempo en la Industria para la formación de los usuarios.
  • La renovación de equipos y rotación de equipos es tan rápida que muchas veces se pierden las buenas prácticas.
  • La normativa se está desarrollando ahora mismo, y esto acarrea un cierto caos en su uso en paralelo.
  • Esto da lugar a los siguientes problemas:
  • Coste añadido a la selección de calidad superficial, muchas veces por prueba y error.
  • Medición poco útil de parámetros de calidad que realmente no son necesarios pero que se pusieron “por si acaso”.
  • Mal uso de la calibración de equipos.

Pero no todo es malo, también hay cosas muy positivas:

  • España se encuentra entre uno de los países con expertos en metrología de calidad superficial que puede formar a su industria bajo demanda.
  • Se tiene la capacidad y oportunidad de participar en la elaboración de normas a través de entidades como UNE. Es una gran oportunidad.

4. Conclusiones

La medición de la calidad superficial es algo necesario y demandado. La formación en ello es insuficiente, por lo que desde aquí se propone la creación de formación liderada desde los más altos estamentos de la metrología que ayuden al usuario final. Posiblemente un curso práctico basado en la normativa de calidad superficial, podría ser muy demandado por la industria. La nueva normativa no es algo oscuro que pretenda dejar la metrología para unos pocos escogidos, al contrario, su objetivo es hacerla accesible a todos. Son las referencias para guiar. Evidentemente, como toda directriz, es algo vivo y cambiante que debe adaptarse a los cambios. Cada usuario debería abordarla desde su situación real de conocimiento y tomarla como forma de acercarse a este ámbito de la ciencia. Debe tenerse en cuenta que además se cuenta con la inestimable ayuda de los técnicos que prestan su trabajo en el comité de normalización de UNE.

Se recomienda hacer un primer acercamiento a través de la serie de normas UNE EN ISO 25178-X [6].

Referencias

Se recomiendan como mínimo las normas que AENOR tiene publicadas sobre este ámbito

[1] UNE-EN ISO 1302:2002 Especificación geométrica de productos (GPS). Indicación de la calidad superficial en la documentación técnica de productos. (ISO 1302:2002)

[2] UNE-EN ISO 25178-1:2016 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Áreas. Parte 1: Indicación de la textura superficial. (ISO 25178-1:2016).

[3] UNE-EN ISO 4288:1998 Especificación geométrica de producto (GPS). Calidad superficial: Método del perfil. Reglas y procedimientos para la evaluación del estado superficial. (ISO 4288:1996).

[4] UNE-EN ISO 25178-2:2013 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Áreas. Parte 2: Términos, definiciones y parámetros de calidad superficial. (ISO 25178-2:2012).

[5] UNE-EN ISO 12085:1998 Especificación geométrica de producto (GPS). Calidad superficial: Método del perfil. Parámetros ligados a los detalles. (ISO 12085:1996).

[6] Serie UNE-EN ISO 25178-X Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Áreas.

[7] UNE-EN ISO 25178-701:2016 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Áreas. Parte 701: Patrones de calibración y medición para instrumentos de contacto (con palpador). (ISO 25178-701:2010).

[8] UNE-EN ISO 3274:1998 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Método del perfil. Características nominales de los instrumentos de contacto (palpador). (ISO 3274:1996).

[9] UNE-EN ISO 5436-x:2001 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Método del perfil; patrones.

[10] UNE-EN ISO 13565-X:1998 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Método del perfil; superficies con propiedades funcionales distintas, según el nivel de profundidad.

[11] UNE-EN ISO 4287:1999 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Método del perfil. Términos, definiciones y parámetros del estado superficial. (ISO 4287:1997+Technical Corrigendum 1).

[12] UNE-EN ISO 12179:2001 Especificación geométrica de productos (GPS). Estado superficial: Método de perfil. Calibración de instrumentos de contacto (palpador). (ISO 12179:2000)

[13] UNE 1037:1983 Indicaciones de los estados superficiales en los dibujos.

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