Diseño de patrones a medida para calibración de microscopios ópticos

Abstract

La metrología es un campo de gran importancia en la industria que, sin embargo, pasa bastante desapercibido y poca gente conoce en profundidad. La metrología es el campo propio de la ciencia y la industria que se encarga de realizar patrones primarios de las unidades del Sistema Internacional (SI), establecer esos mismos patrones para cada laboratorio, determinar la incertidumbre de los instrumentos de medida y extender las unidades del SI mediante calibraciones e intercomparaciones, para que las mediciones sean trazables a la unidad, es decir, al patrón primario. En la actualidad, es imposible concebir una fábrica, planta o laboratorio que no posea un sistema de calidad, donde hay que controlar varios indicadores que aseguren el buen resultado del proceso de fabricación, ya sea en el propio producto o en los resultados no deseables como chatarra, residuos, no conformidades… Para ratificar la calidad de cualquier pieza normalmente es necesario controlar sus medidas o aquellas dimensiones clave que aseguren la conformidad con los planos y el buen desempeño de la pieza. Se ha demostrado que un adecuado control en las medidas puede aumentar el rendimiento de la producción, reducir los costes por chatarra y productos no conformes e, incluso, detectar defectos durante el proceso de fabricación de tal forma que sea posible aplicar cambios en el momento, reduciendo así la pérdida de material. Por otro lado, la implantación de la industria 4.0 y la tendencia a la miniaturización en determinados sectores de la industria, hace que la precisión de las medidas y por tanto el papel de la metrología sea cada vez más relevante. Dentro del campo de la metrología existe una rama llamada metrología dimensional, encargada de efectuar mediciones relacionadas con la unidad de longitud, el metro. En definitiva, se ocupa de definir las medidas de los productos para determinar su calidad. Tradicionalmente, este tipo de mediciones se centraban en el estudio de la textura superficial, a este campo se le conoce como metrología superficial. Una superficie adecuada determina la funcionalidad del producto y su vida en servicio, permite entender las características del material y cómo interactúa con el entorno o con otros materiales, define también la mayor parte de las propiedades funcionales de dicho material, por lo que resulta de gran importancia para la caracterización de materiales y sobre todo en materiales compuestos, donde el estudio de una sección puede ayudar a comprender mejor las propiedades globales de todo el material. Existen muchos métodos de medida para determinar los parámetros propios de la metrología superficial. El más común e históricamente más utilizado es el rugosímetro. A pesar de ser un instrumento de medida muy preciso y que permite comprender muy bien la superficie, como se engloba dentro de los métodos de contacto resulta incompatible con determinados componentes fabricados a escala micro y nano, ya que puede dañar la pieza durante el proceso de medida. Por lo tanto, cuando se trabaja en escalas tan pequeñas es necesario el uso de instrumentos de medida ópticos, como los microscopios, en los que no se da la interacción entre pieza e instrumento. Además, estos dispositivos mejoran la resolución y permiten obtener medidas con mayor rapidez conservando la estructura superficial de las piezas. Para asegurar la trazabilidad de estos instrumentos y que sus mediciones sean correctas es necesario calibrarlos. Simplificar y agilizar la calibración de los instrumentos de medida y, con ello, establecer la cadena de trazabilidad ha sido uno de los principales problemas metrológicos durante todo el siglo XX. Se conocen multitud de métodos de calibración, pero en general todos necesitan del uso de uno o varios patrones y la comparación con distintos instrumentos de medida. Cada uno de estos elementos debe ser calibrado en un laboratorio de medida en base a sus instrumentos patrón. En definitiva, lo que se obtiene es una cadena de trazabilidad larga y compleja con un coste bastante elevado. La simplificación de esta cadena es una de las necesidades más acuciantes en la metrología, especialmente para instrumentos ópticos. Existen varias líneas de investigación centradas en la solución de este problema. Una de ellas, en la que se centra este proyecto, intenta reducir la cadena de trazabilidad mediante el desarrollo de diferentes modelos de patrón y combinaciones entre ellos. Tras un estudio pormenorizado de las necesidades actuales de la metrología se proponen varios diseños de patrones a medida que pueden ser utilizados como referencia en la calibración de instrumentos ópticos, como son los microscopios de medida, microscopios metalúrgicos, microscopios confocales y microscopios de variación focal, entre otros. Con estos patrones se pretende eliminar la necesidad de combinar varios patrones genéricos mientras se mantiene la trazabilidad metrológica de las características medidas.