بنية السطح مقابل الخشونة: دليل عملي للتصنيع الإضافي
مات ويلتون
مدير
جدول المحتويات
مشاركة
تُستخدم عبارة "خشونة السطح" للإشارة إلى كل شيء تقريباً.
عندما يبدو الجزء خشناً، أو لا يثبت الطلاء بشكل صحيح، أو لا يعمل مانع التسرب بالشكل المتوقع، أو يبدو السطح المطبوع غير متناسق تحت التكبير؛ فإن الاستجابة المعتادة تكون بطلب قياس الخشونة.
قد تكون هذه هي نقطة البداية الصحيحة، ولكنها لا تمثل دائماً الإجابة الكاملة.
بالنسبة للتصنيع الإضافي، والتشغيل الدقيق، والطلاء، والأدوات، والإنتاج على نطاق مجهري، يجب فهم السطح بثلاثة أبعاد:
ليس مجرد رؤية، وليس مجرد وصف، بل قياس فعلي.
تصف شركة سينسوفار (Sensofar) ملمس السطح بأنه التعرجات والاختلافات الموجودة على سطح المادة والتي تؤثر على الوظيفة والمظهر والمتانة. كما أنها تفصل بين الخشونة والتموج، وهو تمييز مفيد عندما يحتوي السطح على تفاصيل دقيقة وتفاوت أوسع في الشكل على حد سواء.
ما هو ملمس السطح؟
ملمس السطح هو النمط الكامل لتغيرات الارتفاع عبر السطح.
ويشمل ذلك القمم والوديان الدقيقة، والتموجات الأوسع، واتجاه السطح، والسمات الموضعية الناتجة عن عملية التصنيع.
في الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد، قد ينتج ملمس السطح عن حجم المسحوق، وسلوك حوض الصهر، ومعلمات الليزر، واتجاه البناء، وإزالة الدعم، والمعالجة الحرارية، والتشغيل الآلي، والنفخ بالرمل، والتلميع أو الطلاء. يمكن أن يبدو سطحان متشابهين بالعين المجردة ولكنهما يسلكان سلوكاً مختلفاً عند الاستخدام.
يمنح القياس الصحيح المهندس أرقاماً وخرائط ومقاطع جانبية يمكن مقارنتها، وهو أمر أكثر فائدة بكثير من مجرد قول "يبدو مقبولاً".
الخشونة ليست سوى جزء واحد من السطح
تشير الخشونة عادةً إلى التعرجات الدقيقة على السطح. يمكن أن تؤثر هذه السمات على الاحتكاك، والتآكل، والالتصاق، والإحكام، وسلوك الكلال، ومدى قبول الجزء للطلاء.
يشير التموج إلى التعرجات الأكبر حجماً. ويمكن أن تنتج هذه التعرجات عن سلوك الآلة، أو الاهتزاز، أو التأثيرات الحرارية، أو عدم استقرار العملية، أو خطأ في الشكل. قد يكون للسطح خشونة مقبولة ولكن تموج رديء، ويمكن أن يحدث العكس أيضاً.
لهذا السبب يعتبر "ملمس السطح" المصطلح الأشمل والأفضل؛ فهو يتيح لمناقشة القياس أن تشمل الخشونة، والتموج، والشكل، والفلترة، والمعلمة الصحيحة للمهمة المطلوبة.
تضع إرشادات ملمس السطح من سينسوفار (Sensofar) العملية في ثلاث مراحل: القياس، والفلترة، والتحليل. كما أنها تستند إلى المعيارين ISO 25178 و ISO 21920 لتحليل ملمس السطح المساحي والمقطعي.
لماذا يجعل التصنيع الإضافي هذا الأمر أكثر تعقيداً
يمنح التصنيع الإضافي المهندسين حرية تصميم لا تتيحها طرق التشغيل التقليدية دائماً؛ فالقنوات الداخلية، والهياكل الشبكية، والأشكال خفيفة الوزن، والأشكال الهندسية المعقدة كلها جزء من عوامل الجذب في هذه التقنية.
أما المقابل فهو صعوبة القياس.
غالباً ما تكون الأسطح المطبوعة اتجاهية، أو متعددة الطبقات، أو مندمجة جزئياً، أو عاكسة في بعض المناطق وخشنة في مناطق أخرى. قد يحتوي الجزء نفسه على أسطح متجهة لأعلى، وأخرى لأسفل، وجدران جانبية، ومناطق تلامس الدعم، ومناطق خضعت للمعالجة اللاحقة. نادراً ما يشرح رقم خشونة واحد كل ذلك.
هناك العديد من التحديات المحيطة بأجزاء التصنيع الإضافي، بما في ذلك محدودية المعايير الموحدة، وصعوبة التحكم في الأبعاد وخصائص السطح، والحاجة المتكررة للمعالجة اللاحقة.
بالنسبة لفرق الجودة، يطرح هذا سؤالاً عملياً للغاية:
هل نقيس السطح بطريقة تعكس كيفية استخدام الجزء فعلياً؟
الأسطح في حالتها الأصلية والأسطح المعالجة لاحقاً تمثل مشكلات مختلفة
السطح "في حالته الأصلية" هو السطح الناتج مباشرة من عملية التصنيع الإضافي. قد يكون مفيداً لأغراض البحث، أو تطوير العمليات، أو الفحص الوارد قبل الإنهاء.
أما السطح المعالج لاحقاً فهو السطح بعد التشغيل الآلي، أو التلميع، أو النفخ بالرمل، أو المعالجة الحرارية، أو الطلاء. وغالباً ما يكون هذا أقرب إلى السطح الوظيفي الذي يهتم به العميل بالفعل.
قد يتطلب النهج القياسي السليم مقارنة الاثنين معاً. على سبيل المثال:
قد يحتاج مكون طبي أو فضائي إلى بيانات الملمس قبل الإنهاء وبعده.
قد يحتاج الجزء المطلي إلى معلومات السطح قبل الطلاء لفهم مخاطر الالتصاق.
قد تحتاج لقمة الأدوات إلى قياس متكرر لتتبع التآكل.
قد يحتاج مختبر الأبحاث إلى مقارنة زوايا البناء، أو معلمات الماكينة، أو المواد المستخدمة.
يمكن استخدام أجهزة القياس البصري ثلاثي الأبعاد غير التلامسي من سينسوفار (Sensofar) لتوصيف الشكل والملمس على أجزاء التصنيع الإضافي، بما في ذلك العينات في حالتها الأصلية وتلك المعالجة لاحقاً.
ما يضيفه القياس البصري ثلاثي الأبعاد
يمكن لصورة المجهر أن تظهر السطح، ولكن جهاز قياس المقطع البصري ثلاثي الأبعاد (3D optical profilometer) يمكنه قياسه فعلياً.
يلتقط جهاز قياس المقطع البصري ثلاثي الأبعاد معلومات الارتفاع عبر مساحة معينة. والنتيجة هي خريطة تضاريس ثلاثية الأبعاد، وليس مجرد صورة. يمكن للمهندسين بعد ذلك تحليل الخشونة، والتموج، وارتفاع الخطوة، والمقطع الجانبي، والنقرات، والقمم، والهندسة الدقيقة، والسمات الموضعية.
بالنسبة للأجزاء الدقيقة أو الصغيرة أو عالية القيمة، يكون القياس غير التلامسي مفيداً أيضاً لأن الجهاز لا يسحب قلم قياس على السطح. هذا لا يعني أن القياس البصري يحل محل كل طرق القياس التلامسية، بل يعني أنه يمنح المهندسين خياراً قوياً عندما تكون تفاصيل السطح وسرعة القياس والبيانات ثلاثية الأبعاد مطلوبة.
تصف صفحة سينسوفار على موقع شركة التقنيات الهندسية المتقدمة (AIET) قياس الأسطح البصري بأنه وسيلة لقياس بنية السطح على المستويين الميكروي والنانوي دون تلامس مادي، مما ينتج بيانات تضاريس ثلاثية الأبعاد للخشونة، والسمك، والعيوب، والهندسة الدقيقة.
سينسوفار لقياس ملمس السطح
تم تصميم أنظمة القياس البصري من سينسوفار (Sensofar) لتحويل تفاصيل السطح إلى بيانات كمية.
وهذا أمر مهم للمصنعين والمختبرات التي تعمل في مجالات التصنيع الإضافي، والهندسة الدقيقة، والبصريات، والأجهزة الطبية، والإلكترونيات، والطلاء، والمواد المتقدمة، والبحث والتطوير. القاسم المشترك هنا ليس القطاع الصناعي، بل الحاجة إلى فهم السطح بشكل صحيح قبل اتخاذ قرار بشأن الجودة أو التصميم أو العملية.
تجمع منصة S Neox الفريدة من سينسوفار بين تقنيات القياس البصري مثل المجهر متحد البؤر (confocal)، وتداخل الموجات (interferometry)، وتقنية AI Focus Variation ضمن نفس النظام، مما يمنح المهندسين مرونة أكبر عبر أنواع الأسطح المختلفة.
بالنسبة للتصنيع الإضافي، تعد هذه المرونة مفيدة لأن جزءاً واحداً يمكن أن يمثل عدة مشكلات قياس في نفس الوقت: مناطق خشنة في حالتها الأصلية، وأسطح مشغلة آلياً أكثر نعومة، وأسطح مائلة، ومناطق مطلية، وسمات صغيرة.
اختيار جهاز قياس المقطع البصري المناسب
لا ينبغي اختيار نظام القياس بناءً على الكتيبات التعريفية وحدها.
يعتمد النهج الصحيح على الجزء، والمادة، وحالة السطح، والتفاوت المسموح به، وبيئة الإنتاج، ومتطلبات إعداد التقارير، وسير عمل المشغل. لا يحتاج مختبر الأبحاث دائماً إلى نفس الإعدادات التي يحتاجها قسم مراقبة الجودة في الإنتاج، كما أن مشروع التطوير لمرة واحدة لا يحتاج دائماً إلى نفس الأتمتة التي تحتاجها خلية الفحص المتكرر.
تدعم مجموعة شركات التقنيات الهندسية المتقدمة (AIET Group) أنظمة القياس البصري واللمسي وقياس الأسطح ثنائية وثلاثية الأبعاد، وقياس المقطع، والفحص البعدي غير التلامسي، وأنظمة مراقبة الجودة عالية الدقة لبيئات الإنتاج والمختبرات. ويتركز عمل القياس في AIET حول التطبيق العملي، بما في ذلك قياس السطح والإنهاء، والشكل، والخشونة، والتموج، وإمكانية التتبع، والتكامل الصناعي.
بالنسبة للمؤسسات التي تطور الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد أو تعتمدها، يمكن لـ AIET المساعدة في صياغة مشكلة القياس وتحديدها قبل اتخاذ قرار بشأن المعدات.
أسئلة عملية قبل قياس السطح المطبوع ثلاثي الأبعاد
قبل اختيار طريقة قياس السطح، اسأل:
ما هي الوظيفة المطلوبة من السطح؟
هل يتم قياس الجزء في حالته الأصلية، أم بعد المعالجة اللاحقة، أم كلاهما؟
هل نتحقق من الخشونة، أو التموج، أو الشكل، أو العيوب، أو السلوك المرتبط بالطلاء؟
هل نحتاج إلى مقطع جانبي ثنائي الأبعاد، أم قياس مساحي ثلاثي الأبعاد، أم كلاهما؟
ما هي المناطق الوظيفية في الجزء؟
هل سيُستخدم هذا في البحث والتطوير، أم الفحص، أم اعتماد الموردين، أم مراقبة جودة الإنتاج؟
هل يحتاج القياس إلى التكرار بواسطة مشغلين مختلفين؟
هل يجب ربط النتائج بالتقارير، أو إمكانية التتبع، أو بيانات العملية؟
هذه الأسئلة ليست أكاديمية؛ بل هي التي تحدد ما إذا كان القياس سيكون مفيداً أم لا.
تحدث مع AIET
إذا كنت تقوم بمراجعة طرق قياس ملمس السطح، أو فحص التصنيع الإضافي، أو قياس المقطع البصري للاستخدام في الإنتاج أو المختبر، فاتصل بمجموعة AIET لمناقشة التطبيق المناسب لك.
الأسئلة الشائعة
ما الفرق بين ملمس السطح وخشونة السطح؟
ملمس السطح هو المصطلح الأشمل؛ حيث يشمل الخشونة والتموج وسمات السطح الأخرى. أما الخشونة فتشير تحديداً إلى التعرجات الدقيقة على السطح.
لماذا تعد خشونة السطح مهمة للأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد؟
يمكن أن تؤثر الخشونة على الاحتكاك، والتصاق الطلاء، والتآكل، والإحكام، وسلوك التنظيف، وأداء الكلال. كما يمكن أن تكشف عن الاختلافات في العملية بين المواد، أو زوايا البناء، أو إعدادات الماكينة.
هل يمكن لأجهزة قياس المقطع البصري قياس الأسطح الخشنة المطبوعة ثلاثية الأبعاد؟
نعم، يعتمد ذلك على السطح، والهندسة، والتقنية البصرية المستخدمة. قد تتطلب الأسطح الخشنة أو شديدة الانحدار أو ذات الملمس البارز نهجاً مختلفاً عن الأسطح الناعمة أو المسطحة أو العاكسة.
هل يكفي رقم خشونة واحد؟
في بعض الأحيان نعم، ولكن في كثير من الأحيان لا. قد تحتاج الأجزاء المصنعة إضافياً إلى قياس ثلاثي الأبعاد مساحي، وفلترة، ومعلمات متعددة لوصف السطح بشكل صحيح.
من الذي يجب عليه التفكير في أجهزة قياس أسطح سينسوفار؟
المصنعون، وفرق البحث والتطوير، والجامعات، وأقسام الجودة التي تعمل في مجالات التصنيع الإضافي، أو الأجزاء الدقيقة، أو الطلاء، أو السمات المجهرية، أو الأجهزة الطبية، أو البصريات، أو الإلكترونيات، أو المواد المتقدمة.
