Światowej klasy laboratorium metrologii współrzędnościowej otwarte!

Na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej rozpoczyna działalność Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych. Dysponuje światowej klasy aparaturą do wykonywania najdokładniejszych pomiarów świata w skali od nano do wielkogabarytowej. Takie pomiary są kluczem do rozwijania najbardziej zaawansowanych technologii we wszystkich gałęziach przemysłu. Potrzeba ich wszędzie tam, gdzie od precyzji urządzeń i ich elementów zależy bezpieczeństwo ludzi, niezawodność maszyn i procesów produkcyjnych, jakość i cena produktów i usług. Dzięki nowej infrastrukturze badawczej Kraków i polscy naukowcy dołączają do grona globalnych liderów metrologii współrzędnościowej.

Nowe centrum badawcze zostało oficjalnie otwarte w czwartek 25 kwietnia 2024 r. na kampusie w Czyżynach. Uroczystości otwarcia nowego laboratorium towarzyszyło rozpoczęcie XV Międzynarodowej Konferencji Naukowej pt. „Współrzędnościowa Technika Pomiarowa”, oraz podpisanie porozumienia o współpracy w ramach Klastra Metrologicznego.

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, a wkrótce osiągnie jeszcze wyższe moce.

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 jest 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 mn. 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. Dla konsorcjantów bardzo ważna jest również współpraca z Głównym Urzędem Miar (GUM), a szczególnie z powstającym w Kielcach Świętokrzyskim Kampusem Laboratoryjnym GUM oraz Klastrem Metrologii.

W realizację projektu LUPW w ramach Narodowej Sieci Metrologii Współrzędnościowej i sprawne przeprowadzenie inwestycji zaangażowany był szeroki zespół pracowników PK. Działali w nim: pracownicy Działu Inwestycji i Remontów oraz Działu Technicznego PK (Anna Dzięciołowska, Barbara Sochańska, Tomasz Ślaga, Jacek Husakowski, Grzegorz Lizończyk, Jakub Rudolf, Andrzej Herod, Piotr Król, Robert Wrona, Bogusław Dzimira), pracownicy Działu Zamówień Publicznych (Zofia Gajewska, Danuta Karlikowska, Sylwia Banach, Roman Juroszek), Zespół ds. Rozliczeń Projektów Międzynarodowych (Ewa Różańska, Kinga Szczepańska, Aneta Dryja), pracownicy administracji Wydziału Mechanicznego PK (Anna Gleń, Łukasz Ślaga, Leszek Hacuś, Beata Kaczmarczyk, Wioletta Pietruszka, Renata Socha, Agnieszka Mościcka) oraz zespół Laboratorium Metrologii Współrzędnościowej (M-10), w tym szczególnie: kierownik projektu prof. Adam Gąska, dr hab. inż. Marcin Krawczyk, a także Sylwia Żuchowska, Wiktor Harmatys, Marcin Krawczyk, Robert Kupiec, Michał Jedynak, Przemysław Zięba, Konrad Kobiela, Maciej Gruza, Karol Stroński, Ksenia Ostrowska, Sylwia Pawlik i pozostali.

W budowie Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych uczestniczyły firmy: OLEXBUD, KMK KLIMA (Aleksander Wojtas), NALBUD, PC System, LOXAN i pozostali. Sprawną współpracę w zakresie dostarczenia wysokiej klasy aparatury naukowej zainstalowanej w LUPW prowadzili z PK: z Hexagona – Ingo Lindner, Alexander Reinus, Szymon Matyjaszek, Sławomir Datoń, z Labsoft – Jakub Banaszek, Adam Rybak, z SIOS – Denis Dontsov, Enrico Langlotz, z ITA – Michał Wieczorowski, Dariusz Brzozowski, Szymon Michalik.

Oprócz Laboratorium Ultraprecyzyjnych Pomiarów Współrzędnościowych Politechniki Krakowskiej w ramach Narodowej Sieci Metrologii Współrzędnościowej przewidziano powstanie na Politechnice Poznańskiej Multiskalowego Laboratorium Współrzędnościowej Techniki Pomiarowej. Specjaliści z pozostałych dwu uczelni, należących do konsorcjum: Politechnika Warszawskiej i Politechniki Świętokrzyskiej, korzystać będą ze wspólnej infrastruktury NSMET.

Tekst i fot: pk.edu.pl

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.