Atualmente existem diversos métodos de medida de rugosidade disponíveis para os pesquisadores interessados em Engenharia de Superfícies.
No entanto, todos eles foram desenvolvidos e adaptados para a avaliação da qualidade superficial de peças ou objetos de pequeno porte tais como os componentes de máquinas, ferramentas, de peças da indústria automobilística e, particularmente de produtos acabados e semi-acabados da optoeletrônica, com destaque para lentes, espelhos e substratos para a fabricação de circuitos impressos, células fotovoltaicas, etc.
Obviamente, estes métodos e os respectivos equipamentos a eles associados não são adequados à problemática industrial da caracterização de rugosidade de superfícies tais como as dos produtos siderúrgicos destacados.
A escala do problema é infinitamente maior e o ambiente de trabalho não se assemelha, em nada, aos recintos protegidos dos laboratórios de controle de qualidade dos produtos mencionados.
Além disso, algumas técnicas de rugosimetria apresentam problemas intrínsecos de difícil solução na escala industrial de nosso interesse: referimo-nos aos rugosímetros mecânicos tradicionais, cujo princípio de funcionamento apóia-se no deslizamento de uma ponta metálica fina sobre a superfície a analisar.
Depreende-se deste princípio de funcionamento que protuberâncias e vales mais pronunciados, das marcas de oscilação, podem dificultar o deslizamento da ponta de contato (sensor), eventualmente travando-a e/ou provocando “saltos” que acarretam graves erros de medida interferindo nas interpretações.
Em função do exposto, está em processo de desenvolvimento no LESTA – Laboratório de Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins, da Escola de Minas da UFOP um protótipo para medir os vales das marcas de oscilação. As figuras 4.34, 4.35 e 4.36 apresentam os principais componentes deste protótipo.
Figura 4.34 Vista geral do protótipo de rugosímetro óptico. Estrutura de sustentação, detector de luz refletida (1), Laser (2) Placa de madeira com estrias para calibração (3) e controlador da velocidade de
deslocamento da mesa (4)
1
3
4 2
Figura 4.35 Detalhe do detector de luz refletida (1)
(a) (b)
Figura 4.36 (a) Conversor analógico/digital do sinal luminoso oriundo do detector de luz refletida (fotomultiplicador); (b) Protótipo com amostra de placa de aço na posição de medição da profundidade da
marca de oscilação
O princípio de funcionamento deste equipamento é descrito a seguir:
A projeção de um feixe laser, na superfície da placa, deslizando sobre a mesa de roletes gera um feixe refletido cuja intensidade luminosa será afetada pela rugosidade da superfície (figura 4.37).
Figura 4.37 Representação esquemática do método proposto para varredura óptica da superfície de amostras de placas de lingotamento contínuo
As marcas de oscilação serão responsáveis pela “extinção” total ou parcial da luz incidente dependendo da profundidade e largura das mesmas.
Esta “extinção” resultará das múltiplas reflexões do feixe coerente de luz laser no interior dos “vales”. O feixe refletido será captado e enviado a uma célula fotossensível ao comprimento da onda do laser escolhido.
O sinal elétrico resultante da interação da luz com a fotocélula será amplificado e enviado para processamento e visualização em uma tela de microcomputador após conversão analógico/digital.
O registro mostrado na tela do microcomputador foi apresentado de modo contínuo e em tempo real: as oscilações visualizadas na tela corresponderão às oscilações que, naquele momento, interagem com o feixe laser. Picos e vales observados estão em correspondência com a topografia que foi “varrida”.
Complementarmente, a mesma superfície varrida pelo feixe laser foi mapeada por um
Espalhamento Rugosidade
Translação Laser
Pirômetro Óptico Câmera CCD
Fotomultiplicador PC Espalhamento Rugosidade Translação Laser
Pirômetro Óptico Câmera CCD
Fotomultiplicador PC
pirômetro óptico de modo a registrarmos, simultaneamente, a emissividade daquela região para correções de “ruído” na reflectância.
Ensaios preliminares foram realizados em 10/08/2007. Os sinais advindos do fotomultiplicador, após conversão analógico/digital foram tratados pelo software FieldChart permitindo exibir de forma gráfica a evolução das intensidades de luz laser visível (vermelho) na medida em que esta é refletida na superfície da placa (amostra) enquanto esta se desloca à velocidade de 0.125cm/s (figura 4.38).
De acordo com o projeto do protótipo, a variação dos dados que foram coletados nestas condições experimentais traduz a mudança de relevo da superfície analisada, podendo ser diretamente associada à presença das marcas de oscilação resultantes do processo de solidificação em máquina de lingotamento contínuo.
O aspecto serrilhado do gráfico é o reflexo da diminuição da intensidade refletida quando a luz incide em uma marca. O maior ou menor grau de extinção da luz incidente é revelado pela variação absoluta da intensidade da luz.
Fundamentalmente, estamos procurando vincular as variações da reflectância de um superfície à topografia da mesma (figura 4.39).
Outro aspecto a ser assinalado, para a interpretação dos gráficos gerados pelo software
FieldChart, é o fato de estar registrada a reflexão da luz durante um percurso de ida e volta
Sentido de deslocamento da placa
Figura 4.38 Diagrama típico: modulação serrilhada da reflectância segundo uma pista perpendicular às marcas de oscilação em uma placa real. Os picos laterais extremos correspondem à reflexão fora da placa
Ranhuras menos afastadas Ranhuras mais afastadas
Figura 4.39 Diagrama registrando modulação da reflectância na placa de referência (placa de madeira ranhurada). Notar a variação de largura dos picos em função da distância entre marcas
De acordo com a técnica idealizada e em desenvolvimento no LESTA – Laboratório de I N T E N S I D A D E I N T E N S I D A D E
Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins, da Escola de Minas da UFOP - a avaliação da profundidade das marcas está associada à diminuição da intensidade de luz refletida.
Assim, a cada diminuição do va lor de luz refletida deverá estar associada a uma marca e a maior ou menor diminuição denota profundidade maior ou menor, respectivamente. Esta informação qualitativa, se calibrada, poderá nos informar o valor da profundidade da marca de oscilação.
O estágio atual do projeto do protótipo de um rugosímetro óptico aponta para alguns aperfeiçoamentos que são listados a seguir:
• Substituição da fonte laser atual por outra (ou outras) mais potentes. Eventualmente optar por várias fontes de diferentes cores. O laser atual é vermelho, seria interessante testar as cores verde e amarela.
• Substituição do atual fotomultiplicador (fotocélula) por outro com “tempo de
resposta” mais rápido.
Esta tecnologia demanda mais tempo para chegar aos valores reais das profundidades das marcas de oscilação, e até mesmo medição da distância entre marcas.
Neste trabalho será considerada a análise do tempo de estripamento negativo e a profundidade da marca de oscilação.
O desenvolvimento desta tecnologia se dará posteriormente, como parte de uma tese de Doutourado, devido às seguintes vantagens:
• Possibilidade de instalação no veio da máquina de lingotamento contínuo permitindo controle on-line e em tempo real. O local a ser instalado depende da influência da nevoa, do resfriamento secundário, nos resultados coletados.
• Inexistência de contato mecânico com a superfície analisada: análise à distância; • Baixo custo para o desenvolvimento do protótipo;
• Inexistência de sistema similar no mercado das tecnologias de controle e automação; • Possibilidade de obtenção de registro de patente.