Optical metrology of precision machined metal surfaces for process validation and product quality assurance

Precision machining operations of high performance components and tools are the key enabling technologies for advanced manufacturing engineering. Among the precision machining processes which involve cutting, precision milling is the suitable technology for the direct manufacturing of 2D, 2.5D, 3D freeform components as well as for the generation of complex geometries in moulds and dies to be employed in high accuracy replication techniques such as precision injection moulding. Considering the necessary geometries and sub-micro range tolerances required in precision injection molding, surface measurement plays a central role throughout the entire production chain. Aim of this thesis work is to establish a method for characterizing the quality of precision machined metal surfaces by means of a measurement campaign involving different optical instruments, both off-line and in-line. In this context, an investigation on tilted surfaces was fulfilled in order to prove the robustness of each instrument when facing this common issue. Relying on the data acquired on many typologies of precision surfaces, an uncertainty budget was built using an innovative approach based on the JCGM "Guide to the expression of uncertainty in measurement". Lastly, a free-form precision milled workpiece was measured in order to test the previous work.

Le lavorazioni di precisione di componenti ad alte prestazioni giocano un ruolo fondamentale nell'ingegneria di processo innovativa. Tra le tecnologie di precisione basate sull'asportazione di truciolo, la fresatura di precisione è il processo adatto per la produzione diretta di componenti 2D, 2.5D e 3D e per la realizzazione di geometrie complesse in stampi impiegati in tecniche di replica ad alta accuratezza come l'injection molding. Considerate le geometrie da produrre e le tolleranze sub-micrometriche richieste dall'injection molding, la misura delle superfici risulta fondamentale in tutta la catena produttiva. L'obiettivo di questa tesi è stabilire un metodo per caratterizzare la qualità di superfici di precisione metalliche mediante una campagna di misura che coinvolge diversi strumenti ottici, sia off-line, sia in-line. In questo contesto, un'indagine sulla misura di superfici poste in posizione inclinata ha determinato la robustezza degli strumenti a questo comune setup di misura. Basandosi sui dati acquisiti su diverse tipologie di superfici, un budget di incertezza è stato costruito impiegando un metodo innovativo basato su JCGM "Guide to the expression of uncertainty in measurement". Infine, un componente free-form ottenuto mediante fresatura di precisione è stato misurato per testare il precedente lavoro.