Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych otwarto na Politechnice Krakowskiej

Metrologia współrzędnościowa – klucz do bezpieczeństwa i niezawodności

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 PK.

– Politechnika Krakowska jest jednym z najmocniejszych w Polsce ośrodków badań i wyspecjalizowanych usług w obszarze metrologii współrzędnościowej. Mamy światowej klasy specjalistów skupionych wokół akredytowanego Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej Wydziału Mechanicznego w zespole prof. Jerzego Sładka, polskiego prekursora tej dyscypliny nauki. Dzięki otwarciu Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych z najdokładniejszą infrastrukturą pomiarową na świecie wzmacniamy nasz potencjał badawczy i przesuwamy granice dokładności pomiarów do niewyobrażalnego dotąd poziomu. Tak stwarzamy 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 rektor PK prof. Andrzej Szarata.

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 NSMET 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. Dzięki tym środkom oraz środkom własnym uczelni i Wydziału Mechanicznego PK w Krakowie powstał 2-kondygnacyjny budynek nowego Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych (pow. użytkowa  612,22 m², kubatura – ok. 5 954 m³) wraz z wyposażeniem badawczym oraz doposażone zostało działające już na PK Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej. Łączna wartość inwestycji Politechniki to 29 mln zł. Dzięki tym środkom stworzono w Krakowie ośrodek na światowym poziomie w obszarze metrologii współrzędnościowej z unikatową w skali międzynarodowej aparaturą. Umożliwia ona 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).

— Bez zwiększania dokładności pomiarów nie ma mowy o wytwarzaniu coraz lepszych urządzeń. Nasze Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych służy łamaniu barier technologicznych. Otwiera Politechnikę  na technologie najwyższej klasy.  Pomiary o takiej dokładności, jak są możliwe teraz w Polsce, wykonuje się w zaledwie kilku światowych ośrodkach, przy czym możliwości aparaturowe polskiej sieci czynią ją jednym z najnowocześniejszych centrów badawczych, o najszerszym zakresie badań — mówi prof. Jerzy Sładek, dziekan Wydziału Mechanicznego i inicjator narodowej sieci metrologicznej. Obiekty, które będzie można w Polsce badać, to przede wszystkim 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 Politechniki Krakowskiej to perły światowej metrologii. Hexagon Leitz Infinity 12.10.7 (z możliwą niepewnością pomiaru na poziomie 0,1 μm i przestrzenią pomiarową 1,2m x 1m x 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, jak Leitz Infinity 12.10.7, nie są produkowane komercyjnie. Uzyskanie takich parametrów było możliwe poprzez dodatkowe, specjalistyczne prace nad nimi naukowców PK i ekspertów producenta maszyny firmy  Hexagon Metrology GmbH. 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. - Hexagon Leitz Infinity jest najdokładniejszą współrzędnościową maszyną pomiarową w swojej klasie, wyjątkową m.in. przez to, że umożliwia połączenie w pomiarach sond optycznych i stykowych w jednym systemie. Urządzenie  jest wyposażone w precyzyjną i szybką głowicę skanującą LSP-S4. Unikatowa konstrukcja Hexagon Leitz Infinity, oraz zastosowane technologie o wysokiej rozdzielczości rzędu 1 nm rzeczywiście pozwalają na stwierdzenie, iż będzie to najdokładniejsza tego typu maszyna na świecie – mówi Szymon Matyjaszek, General Manager Hexagon Poland & Baltics.

Dla uzyskania tak precyzyjnych możliwości pomiarowych konieczne było umieszczenie maszyny w klimatyzowanym pomieszczeniu ze stałą temperaturę 20 st. Celsjusza (z odchyleniami nieprzekraczającymi … pięciu setnych stopnia). Tak rygorystycznych warunków nie spełnia prawie żadna inna instalacja w Europie. Maszyna Leitz Infinity 12.10.7 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.

Hexagon PMM-G 50.30.20 — 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 5m x 3m x 2m. 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 – mówi prof. Adam Gąska.

Nanomaszyna NMM-1 – 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: 25mm x 25mm x 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, Niemcy; Federal Institute of Metrology (METAS), Szwajcaria; TU Illmenau, Niemcy; University of Nottingham w Wielkiej Brytanii. Dołączamy więc do bardzo elitarnego grona – wskazuje prof. Adam Gąska. Specjalna konstrukcja maszyny umożliwia wyeliminowanie niemalże do zera błędów Abbe’go 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. Prof. Jerzy Sładek uważa, że dysponując wyposażeniem Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej PK, Polska mogłaby pokusić się o uruchomienie produkcji wybranych procesorów i systemów optyki precyzyjnej.

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 dedykowanym 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 (z niedalekiej linii tramwajowej i ruchliwej ulicy) nie przenoszą się na aparaturę pomiarową. Dodatkowo każda z maszyn jest wyposażona we własne systemy izolacji drgań.-  specjalne poduszki powietrzne czy –aktywny stolik wibroizolacyjny (jak maszyna NMM-1).

W laboratoriach współrzędnościowych PK będą realizowane usługi komercyjne dla najlepszych firm europejskich i badania naukowe w ramach projektów badawczych organizowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, Narodowe Centrum Nauki i w ramach programów europejskich. Prof. Sładek ma nadzieję, że powstanie Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych będzie sprzyjać technologicznemu rozwojowi polskiego przemysłu, zwłaszcza branży lotniczej, energetycznej, optycznej, elektronicznej. Projekt otwarty jest na współpracę z innymi instytucjami naukowymi w całym kraju, w tym z Uniwersytetem Jagiellońskim i Akademią Górniczo-Hutniczą,  Głównym Urzędem Miar (GUM), szczególnie Świętokrzyskim Kampusem Laboratoryjnym GUM w Kielcach oraz Klastrem Metrologicznym.

Projekt „NSMET Narodowa Sieć Metrologii Współrzędnościowej” współfinansowany jest z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Działania 4.2 Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014 -2020; nr umowy POIR.04.02.00-00-D012/20-00.

Małgorzata SYRDA-ŚLIWA, Rzecznik prasowy Politechniki Krakowskiej

przesłano: 25.04.2024 / zdjęcia: Politechnika Krakowska