
15.12.2024
Фотоупругость и анализ качества прозрачных изделий
Проверка фотоупругого поведения полимерных материалов — метод неразрушающего контроля, который позволяет анализировать качество прозрачных или полупрозрачных пластиковых изделий без изменения их свойств.
Литье под давлением является преобладающим производственным процессом, используемым для производства прозрачных полимерных изделий. Однако данная технология сложна и часто приводит к образованию остаточных напряжений внутри изделия, а они в свою очередь — к дефектам качества: двулучепреломлению, короблению и деформации, которые могут существенно повлиять на оптические характеристики. Особенно заметным является наличие подобного брака в сфере изготовления оптических линз и защитных очков.
Понятие фотоупругости
Если рассматривать многие полимеры, находящиеся под действием внутренних или внешних напряжений, в поляризованном свете, то они обнаруживают отчетливо выраженные динамооптические свойства. Причинами возникновения таких напряжений могут быть следующие:
— ориентация и координация цепных молекул в кристаллической решетке полимера;
— способность аморфных, оптически изотропных полимеров становиться оптически анизотропными при механическом нагружении.
Световые волны в плоскости, в которой созданы деформации, распространяются с иной скоростью, нежели в перпендикулярном направлении. Различие в скоростях распространения световых волн в различных направлениях называют фотоупругостью [1].
Фотоупругость является следствием зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации, обу-словленной раскручиванием и ориентацией полимерных цепей и проявляется в виде двойного лучепреломления (показатель преломления зависит от направления распространения света) и дихроизма (различие в поглощении света различных длин волн (то есть в видимом цвете) вдоль оптической и во всех направлениях, перпендикулярных ей), возникающих под действием механических нагрузок.
Прозрачные полимерные материалы проявляют фотоупругое поведение, при котором показатель преломления изменяется под нагрузкой. В связи с этим такой метод неразрушающего контроля позволяет анализировать качество прозрачных или полупрозрачных пластиковых материалов без изменения их свойств.
Осуществление эксперимента
Эксперимент состоит в том, что исследуемый образец помещается между двумя поляризующими средами. Для того чтобы создать плоскую поляризацию некогерентного света, используют поляризационные линзы. Когда две такие поляризованные среды находятся под углом друг к другу, возникает оптический эффект вращения или же появляется двойное лучепреломление. Наблюдение за этим образцом происходит со стороны, противоположной источнику освещения (рис. 1).
Поляризованный свет характеризуется числом полос или колец, которое является мерой действующих напряжений. Если в качестве источника освещения используется белый свет, то картина поляризации представляет собой красивый набор полос всех цветов спектра. Но для количественного исследования распределения напряжений предпочтительнее использовать монохроматический свет, что позволяет получать более точные результаты [1].
При последовательном нагружении образца изохромы сначала появляются в наиболее нагруженных точках. По мере увеличения нагрузки новые полосы появляются на поверхности изделия и сдвигаются в зону с наименьшим уровнем напряжений. Полосам могут быть присвоены порядковые номера (1-я, 2-я, 3-я и так далее) по мере их возникновения, и сохранить за ними индивидуальные номера при изменении нагрузки. Изохромы появляются последовательно, никогда не пересекаются и не сливаются друг с другом, они всегда занимают свое положение в строгой очередности [2].
Возможности применения метода
Фотоупругость позволяет представить интерпретацию картины полос по всему полю, оценить номинальные величины напряжений и градиентов, провести количественные измерения. В частности, можно определить направления главных напряжений во всех точках фотоупругой модели, величину и знак тангенциальных напряжений вдоль свободных границ и на всех участках, где напряженное состояние является одноосным; при плоском напряженном состоянии — величину и знак разности главных напряжений в выбранных точках исследуемого объекта.
Разницу между напряжениями в отдельных точках изделия можно определить, адаптируя закон Брюстера, по следующей формуле [2]:
nx-ny=K∙(σ1-σ2 ),
где nx и ny — показатели преломления по осям напряжения (поляризации), σ1 и σ2 — соответствующие напряжения, К — коэффициент оптической активности, характеризующий физические свойства материала (справочное значение).
Методом фотоупругости можно идентифицировать перегруженные и недогруженные области. Успешное применение данного подхода зависит только от точного определения цвета полосы (изохромы) и от соотношения между порядком полосы и величиной напряжения. Общие закономерности при анализе полос выглядят следующим образом: чем более четкими получаются цветные полосы, тем выше напряжение; чем тоньше полосы, тем выше напряжение; близкое расстояние между полосами означает высокий градиент напряжения.
Тест на фотоупругость используется при исследовании напряжений в механических конструкциях, расчет которых слишком сложен. Исследование двойного лучепреломления под действием нагрузок в выполненной из прозрачного материала модели (обычно уменьшенной) изучаемой конструкции позволяет установить характер и распределение в ней напряжений. Для построения моделей чаще всего используют бакелит или целлулоид.
В тех случаях, когда неприменим метод фотоупругих моделей (неизвестны нагрузки или затруднено моделирование), используют метод фотоупругого покрытия, который заключается в нанесении на поверхность реального изделия тонкого (0,05-0,3 см) слоя прозрачного полимера. Деформации, возникающие на поверхности образца, создают двойное лучепреломление в слое покрытия, что при исследовании в отраженном свете позволяет получить картину распределения напряжений на поверхности изделия.
При производстве линз и других прозрачных деталей метод фотоупругости может использоваться для контроля качества. Это метод представляет собой способ неразрушающего контроля, который позволяет оценить условия разрушения деталей путем отливки нескольких образцов из прозрачных пластмасс и исследовании концентрации напряжений в этих образцах.
Внедрение в реальное производство методов цифровой обработки изображений (Digital Image Processing — DIP) становится эффективным инструментом для сокращения общей продолжительности, необходимой для контроля качества, при одновременном расширении области применения проверяемых компонентов. В случае, когда получение изображений и последующая обработка происходят в режиме реального времени, появляется возможность осуществлять комплексный контроль над всем производственным процессом [4].
Для упрощения и ускорения процесса анализа при изготовлении прозрачных изделий с высокой производительностью рекомендуется оценивать изменение насыщенности полос в монохромном цвете по градиенту серого. При этом надежность оценки остается на высоком уровне за счет того, что при контроле качества в серийном производстве важны не абсолютные показатели, а их отклонения, что легко выявить при помощи обычной статистического обработки и дисперсионного анализа.
Сергей ТРИФОНОВ,
директор испытательной
лаборатории ООО «ПолимерФизик
Руссланд», руководитель учебного
центра ООО «Академия пластмасс»
Литье под давлением является преобладающим производственным процессом, используемым для производства прозрачных полимерных изделий. Однако данная технология сложна и часто приводит к образованию остаточных напряжений внутри изделия, а они в свою очередь — к дефектам качества: двулучепреломлению, короблению и деформации, которые могут существенно повлиять на оптические характеристики. Особенно заметным является наличие подобного брака в сфере изготовления оптических линз и защитных очков.
Понятие фотоупругости
Если рассматривать многие полимеры, находящиеся под действием внутренних или внешних напряжений, в поляризованном свете, то они обнаруживают отчетливо выраженные динамооптические свойства. Причинами возникновения таких напряжений могут быть следующие:
— ориентация и координация цепных молекул в кристаллической решетке полимера;
— способность аморфных, оптически изотропных полимеров становиться оптически анизотропными при механическом нагружении.
Световые волны в плоскости, в которой созданы деформации, распространяются с иной скоростью, нежели в перпендикулярном направлении. Различие в скоростях распространения световых волн в различных направлениях называют фотоупругостью [1].
Фотоупругость является следствием зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации, обу-словленной раскручиванием и ориентацией полимерных цепей и проявляется в виде двойного лучепреломления (показатель преломления зависит от направления распространения света) и дихроизма (различие в поглощении света различных длин волн (то есть в видимом цвете) вдоль оптической и во всех направлениях, перпендикулярных ей), возникающих под действием механических нагрузок.
Прозрачные полимерные материалы проявляют фотоупругое поведение, при котором показатель преломления изменяется под нагрузкой. В связи с этим такой метод неразрушающего контроля позволяет анализировать качество прозрачных или полупрозрачных пластиковых материалов без изменения их свойств.
Осуществление эксперимента
Эксперимент состоит в том, что исследуемый образец помещается между двумя поляризующими средами. Для того чтобы создать плоскую поляризацию некогерентного света, используют поляризационные линзы. Когда две такие поляризованные среды находятся под углом друг к другу, возникает оптический эффект вращения или же появляется двойное лучепреломление. Наблюдение за этим образцом происходит со стороны, противоположной источнику освещения (рис. 1).
Поляризованный свет характеризуется числом полос или колец, которое является мерой действующих напряжений. Если в качестве источника освещения используется белый свет, то картина поляризации представляет собой красивый набор полос всех цветов спектра. Но для количественного исследования распределения напряжений предпочтительнее использовать монохроматический свет, что позволяет получать более точные результаты [1].
При последовательном нагружении образца изохромы сначала появляются в наиболее нагруженных точках. По мере увеличения нагрузки новые полосы появляются на поверхности изделия и сдвигаются в зону с наименьшим уровнем напряжений. Полосам могут быть присвоены порядковые номера (1-я, 2-я, 3-я и так далее) по мере их возникновения, и сохранить за ними индивидуальные номера при изменении нагрузки. Изохромы появляются последовательно, никогда не пересекаются и не сливаются друг с другом, они всегда занимают свое положение в строгой очередности [2].
Возможности применения метода
Фотоупругость позволяет представить интерпретацию картины полос по всему полю, оценить номинальные величины напряжений и градиентов, провести количественные измерения. В частности, можно определить направления главных напряжений во всех точках фотоупругой модели, величину и знак тангенциальных напряжений вдоль свободных границ и на всех участках, где напряженное состояние является одноосным; при плоском напряженном состоянии — величину и знак разности главных напряжений в выбранных точках исследуемого объекта.
Разницу между напряжениями в отдельных точках изделия можно определить, адаптируя закон Брюстера, по следующей формуле [2]:
nx-ny=K∙(σ1-σ2 ),
где nx и ny — показатели преломления по осям напряжения (поляризации), σ1 и σ2 — соответствующие напряжения, К — коэффициент оптической активности, характеризующий физические свойства материала (справочное значение).
Методом фотоупругости можно идентифицировать перегруженные и недогруженные области. Успешное применение данного подхода зависит только от точного определения цвета полосы (изохромы) и от соотношения между порядком полосы и величиной напряжения. Общие закономерности при анализе полос выглядят следующим образом: чем более четкими получаются цветные полосы, тем выше напряжение; чем тоньше полосы, тем выше напряжение; близкое расстояние между полосами означает высокий градиент напряжения.
Тест на фотоупругость используется при исследовании напряжений в механических конструкциях, расчет которых слишком сложен. Исследование двойного лучепреломления под действием нагрузок в выполненной из прозрачного материала модели (обычно уменьшенной) изучаемой конструкции позволяет установить характер и распределение в ней напряжений. Для построения моделей чаще всего используют бакелит или целлулоид.
В тех случаях, когда неприменим метод фотоупругих моделей (неизвестны нагрузки или затруднено моделирование), используют метод фотоупругого покрытия, который заключается в нанесении на поверхность реального изделия тонкого (0,05-0,3 см) слоя прозрачного полимера. Деформации, возникающие на поверхности образца, создают двойное лучепреломление в слое покрытия, что при исследовании в отраженном свете позволяет получить картину распределения напряжений на поверхности изделия.
При производстве линз и других прозрачных деталей метод фотоупругости может использоваться для контроля качества. Это метод представляет собой способ неразрушающего контроля, который позволяет оценить условия разрушения деталей путем отливки нескольких образцов из прозрачных пластмасс и исследовании концентрации напряжений в этих образцах.
Внедрение в реальное производство методов цифровой обработки изображений (Digital Image Processing — DIP) становится эффективным инструментом для сокращения общей продолжительности, необходимой для контроля качества, при одновременном расширении области применения проверяемых компонентов. В случае, когда получение изображений и последующая обработка происходят в режиме реального времени, появляется возможность осуществлять комплексный контроль над всем производственным процессом [4].
Для упрощения и ускорения процесса анализа при изготовлении прозрачных изделий с высокой производительностью рекомендуется оценивать изменение насыщенности полос в монохромном цвете по градиенту серого. При этом надежность оценки остается на высоком уровне за счет того, что при контроле качества в серийном производстве важны не абсолютные показатели, а их отклонения, что легко выявить при помощи обычной статистического обработки и дисперсионного анализа.