TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA TEXTILNÍ
Katedra hodnocení textilií
Obor: Management jakosti
Hodnocení omaku jemných tkanin do hmotnosti 120 g/m
2Evaluation of hand of soft fabrics of weight up to 120 g/m
2Autor diplomové práce: Lukáš Herzog Vedoucí diplomové práce: Ing. Stanislav Franc Počet stran: 95
Počet obrázků: 67
Počet tabulek: 9 Počet příloh: 1 Datum: 13. května 2011
Prohlášení
Byl(a) jsem seznámen(a) s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval(a) samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
Datum 13. 5. 2011
Podpis
Zadání bakalářské práce
(vložit originál
PODĚKOVÁNÍ
V této části bych chtěl poděkovat svému vedoucímu diplomové práce Ing. Stanislavu Francovi a pracovníkům firmy VEBA za jejich užitečné rady, vstřícnost a čas, který mi věnovali. Za podnětné konzultace děkuji konzultantovi diplomové práce Ing. Vladimíru Bajzíkovi, PhD. Za velkou podporu během studia a vzniku této práce bych chtěl také poděkovat celé mé rodině, přítelkyni a všem svým blízkým.
Anotace
Tato práce se zabývá hodnocením omaku jemných tkanin do hmotnosti 120 g/m2 a návrhem na přístup při tvorbě nového modelu pro jeho hodnocení, při využití nedestruktivních metod. V této práci byly aplikovány běžné metody subjektivního hodnocení omaku a objektivního hodnocení omaku prostřednictvím přístroje KES.
Vedle běžně užívaných metod hodnocení textilního omaku byly aplikovány novější metody posouzení vlivu finálních úprav. Pro posouzení vlivu finálních úprav textilií na tuhost jsou hodnocené vzorky podrobeny měření ohybové síly na tuhoměru TH–7. Pro posouzení vlivu finálních úprav na povrchovou strukturu, které byly určeny jako zásadní, je v práci použit přístroj pro bezkontaktní snímání povrchu Talysurf a program Talymap, jehož rozhraní bylo využito pro zjištění vlivu finálních úprav. Získané výsledky budou podrobeny analýze a blíže okomentovány.
Annotation
This thesis is focused on evaluation of hand of soft fabrics of weight up to 120 g/m2 and on suggestion of an approach for making new model for its evaluation with using non- destructive methods. For evaluation of fabrics common methods of subjective evaluation and objective evaluation were applied via KES. Besides methods of evaluation of textile hand which are commonly used new methods for assessment of the influence of final corrections were applied. To assess the influence of final corrections of fabrics on rigidity the assessed samples are remitted to measurement of bending force on TH-7 machine. To assess the influence of final corrections on surface structure which was settled as fundamental a Talysurf machine for non-contact reading and a Talymap program whose interface was used to assess the influence of final corrections are used at work. All the gained results will be remitted to analysis and will be commented more closely.
Klíčová slova
Finální úpravy textilií, textilní omak, subjektivní hodnocení omaku, objektivní hodnocení omaku, povrchová struktura, bezkontaktní měření struktury povrchu, měření ohybové síly textilií
Key words:
Final corrections of fabrics, textile hand, subjective evaluation of hand, objective evaluation of hand, surface structure, non-contact measurement of a surface structure, measurement of a bending force of fabrics
Obsah
Seznam použitých symbolů a zkratek ... 8
1 Úvod ... 8
2 Souhrn současné situace ... 13
3 Subjektivní hodnocení omaku ... 15
3.1 Metody subjektivního hodnocení omaku ... 15
3.1.1 Stupnicové zkoušky ... 16
3.1.2 Srovnávací zkoušky ... 16
3.1.3 Technika a druhy polárních párů ... 16
3.2 Základní charakteristiky subjektivního omaku: ... 16
3.3 Metodika pro vyhodnocení subjektivního omaku ... 17
4 Objektivní hodnocení omaku: ... 19
4.1 Současné metody pro objektivní hodnocení omaku: ... 19
4.1.1 Rozdělení objektivního hodnocení omaku podle klasifikace dat ... 20
4.2 Systém KES ... 21
4.2.1 Tahové vlastnosti na přístroji KES: ... 22
4.2.2 Ohybové vlastnosti: ... 23
4.2.3 Smykové vlastnosti: ... 23
4.2.4 Objemové vlastnosti: ... 24
4.2.5 Povrchové vlastnosti: ... 25
4.2.6 Geometrické vlastnosti: ... 27
4.2.7 Vyhodnocení získaných dat ... 28
5 Mechanické měření ohybové tuhosti ... 30
5.1 Tuhost v ohybu ... 30
5.2 Tuhoměr TH-7 ... 30
6 Hodnocení parametrů povrchové struktury ... 32
6.1 2D Systém ... 32
6.1.1 Výškové 2D charakteristiky (amplitudové) ... 33
6.1.2 Preferenční 2D parametry ... 36
6.2 3D Systém ... 36
6.2.1 Talysurf ... 36
6.2.2 Amplitudové 3D parametry ... 38
6.2.3 Prostorové a hybridní parametry programu Talymap ... 40
6.2.4 Funkční 3D parametry programu ... 42
6.2.5 Doplňkové parametry prostorového měření povrchové struktury ... 43
6.2.6 Speciální 3D charakteristiky ... 44
6.2.7 Typy šumu v obraze ... 44
7 VEBA ... 46
7.1 Africký brokát ... 47
8 Základní charakteristiky posuzovaných vzorků ... 48
9 Subjektivního hodnocení omaku vzorků ... 50
9.1 Výsledky Subjektivního hodnocení omaku vzorků ... 51
9.1.1 Porovnání výsledků subjektivního hodnocení tepelného kontaktu ... 52
9.1.2 Porovnání výsledků subjektivního hodnocení objemnosti. ... 52
9.1.3 Porovnání výsledků subjektivního hodnocení tuhosti- ohebnosti ... 53
9.1.4 Porovnání výsledků subjektivního hodnocení drsnosti - hladkosti ... 54
9.1.5 Porovnání výsledků subjektivního hodnocení celkového omaku ... 55
9.2 Shrnutí výsledků měření subjektivního hodnocení omaku ... 55
10 Hodnocení omaku na přístroji KES ... 57
10.1 Výsledky hodnocení omaku na přístroji KES ... 57
10.1.1 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty MIU ... 58
10.1.2 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty MMD ... 58
10.1.3 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty SMD ... 59
10.1.4 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty LT ... 60
10.1.5 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty WT ... 60
10.1.6 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty RT ... 61
10.1.7 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty G ... 62
10.1.8 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty 2HG ... 62
10.1.9 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty 2HG5 ... 63
10.1.10 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty B ... 64
10.1.11 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty 2HB ... 64
10.1.12 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty LC ... 65
10.1.13 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty WC ... 66
10.1.14 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty RC ... 66
10.1.15 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty T0 ... 67
10.2 Shrnutí výsledků měření objektivního hodnocení omaku na přístroji KES ... 68
11 Tuhoměr TH-7 ... 69
11.1 Výsledky měření ... 69
11.1.1 Porovnání všech hodnot ohybové síly ve směru osnovy ... 70
11.1.2 Porovnání všech hodnot ohybové síly ve směru útku ... 71
11.1.3 Porovnání všech hodnot ohybové síly pro osnovu i útek ... 71
11.1.4 Porovnání hodnot z měření každého vzorku na přístroji TH–7 ... 72
11.1.5 Porovnání finálních průměrných hodnot pro jednotlivé vzorky ... 74
11.1.6 Porovnání výsledků z hlediska průměrné maximální a minimální ohybové síly………...74
11.2 Shrnutí výsledků měření ohybové síly na přístroji TH–7 ... 76
12 Talysurf : ... 77
12.1 Snímaní delšího úseku posuzovaných vzorků ... 77
12.2 Snímání menších úseků ... 78
12.3 Finální rozměr vybraný pro snímání ... 79
12.3.1 Posuzování snímaných obrazů o velikosti 9,99 x 10,0 mm. ... 79
12.4 Vzájemné posouzení povrchových vlastností prostřednictvím programu Talymap. .. 81
12.4.1 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Sq ... 81
12.4.2 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Ssk ... 82
12.4.3 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Sku ... 83
12.4.4 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Sds ... 83
12.4.5 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Sp ... 84
12.4.6 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Sv ... 85
12.4.7 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty St ... 85
12.4.8 Grafické porovnání posuzovaných vzorků z hlediska hodnoty Str ... 86
12.4.9 Porovnání posuzovaných vzorků pomocí Abbott-firstenovy křivky ... 86
12.5 Shrnutí výsledků měření povrchové struktury na přístroji Talysurf ... 88
13 Porovnání shody výsledků dle použitých metod hodnocení omaku ... 89
13.1 Parametr ohybové tuhosti ... 89
13.1.1 Vyhodnocení porovnání výsledků dle parametru tuhosti ... 90
13.2 Parametr povrchové struktury ... 90
13.2.1 Vyhodnocení porovnání výsledků dle parametru povrchové struktury ... 91
13.3 Shrnutí porovnání shody výsledků dle jednotlivých metod hodnocení omaku ... 91
14 Závěr ... 92
Literatura ……….……….93
Přílohy...………...95
8
Seznam použitých symbolů a zkratek
Symbol Popis Jednotka
THV Celkový omak [-]
Relativní četnosti [-]
, Kumulativní četnosti [-]
D Kategorie, ve které leží [-]
H Kategorie, ve které leží [-]
LT Linearita při deformaci v tahu, systém KES [-]
WT Deformační energie při namáhání v tahu, systém KES [N.cm/cm²]
RT Pružnost v tahu, systém KES [%]
B Tuhost v ohybu na jednotku délky, systém KES [N.cm²/cm]
2HB Moment hystereze na jednotku délky, systém KES [N.cm/cm]
Do Dostava osnovy [počet nití/cm]
Du Dostava útku [počet nití/cm]
G Tuhost ve smyku, systém KES [N/cm.stupeň]
Dorvar Diskrétní ordinální variance [-]
2HG Hystereze při úhlu smyku Φ=0,5°, systém KES [N.cm]
2HG5 Hystereze při úhlu smyku Φ=5°, systém KES [N.cm]
LC Linearita při deformaci v tlaku, systém KES [-]
WC Energie potřebná ke stlačení, systém KES [N.cm/cm²]
WC´ Energie ve zpětné fázi [N.cm/ cm²]
RC Pružnost v tlaku, systém KES [%]
MIU Koeficient tření, systém KES [-]
MMD Průměrná odchylka MIU, systém KES [-]
SMD Povrchová drsnost, systém KES [µm]
W Plošná měrná hmotnost, systém KES [mg/cm²]
TO Tloušťka, systém KES [mm]
F Síla na jednotku šířky [N/cm]
F´ Tahová síla ve zpětné fázi [N/cm]
WT Deformační energie při namáhání v tahu [N.cm/cm²]
Deformační energie ve zpětné fázi [N.cm/cm²]
Tloušťka vzorku při tlaku 0,049N/cm²,systém KES [mm]
9 Tloušťka vzorku při maximálním tlaku =4,9 N/cm² [mm]
µ Koeficient tření v místě x [-]
X Délka posunu měřící planžety po povrchu vzorku [cm]
, S Parametry v podélném směru (frekvenční) [-]
Tp Tvarové parametry [-]
L Základní délka [-]
Ln Vyhodnocovaná délka [mm]
M Střední čára profilu [-]
Ra Průměrná aritmetická úchylka profilu [µm]
Rmr Materiálový poměr profilu [%]
Rmr (c) Podíl profilu materiálu [%]
RSm Průměrná šířka prvků profilu [µm]
Rt Celková výška profilu drsnost [µm]
Rz1max Maximální prohlubeň profilu drsnosti [µm]
Rz Největší výška profilu [µm]
Sa Průměrná aritmetická úchylka profilu, Talymap [µm]
Smr (c) Materiálový poměr profilu (nosný podíl), Talymap [%]
Sri Aritmetická hloubka profilu, Talymap [µm]
Sz Největší výška profilu, Talymap [µm]
Sp Maximální výška, Talymap [µm]
Sv Maximální hloubka prohlubně, Talymap [µm]
Ssk Šikmost výšky distribuce, Talymap [-]
Sq Střední kvadratická výška povrchu, Talymap [µm]
Sku Přítomnost nepřiměřených vrcholků nebo nepřiměřených prohlubní,
Talymap [-]
M Počet měřených bodů na ose y [-]
N Počet měřených bodů na ose x [-]
∆x, ∆y Vlnová délka na ose x a ose y [-]
τx τy Vlnové délky povrchu na ose x a ose y [-]
Sp Maximální výška, Talymap [µm]
Sv Maximální výška prohlubně, Talymap [µm]
St Maximální výška, Talymap [µm]
Sa Aritmetický průměr výšky, Talymap [µm]
10
Sds Hustota vrcholů, Talymap [počet vrcholů/mm2]
Sal Nejrychlejší slábnutí auto-korelační délky, Talymap [mm]
Str Hledisko textury poměru povrchu, Talymap [%]
Std Textura směru plochy, Talymap [°]
SDQ Střední kvadratický gradient, Talymap [-]
SDR Rozvinutý poměr povrchové plochy, Talymap [%]
Smr Plošný materiálový poměr měřené plochy, Talymap [%]
Sxp Rozdíl mezi materiálovými poměry, Talymap [%]
Smc Poměrná výška měřené plochy nebo inverzní poměrný materiálový
objem ploch, Talymap [%]
Vm Stupnice materiálového objemu výběrové plochy
v dané výšce, Talymap [-]
Vv Stupnice nezaplněného objemu výběrové plochy
v dané výšce, Talymap [-]
VMP Bod materiálového objemu s ohledem na rozsah výběrové plochy,
Talymap [-]
Vmc Střední materiálový objem s ohledem na rozsah výběrové plochy,
Talymap [-]
Vvc Střední nezaplněný objem o rozsahu výběrové plochy,
Talymap [-]
Vvv Nezaplněný objem prohlubně o rozsahu výběrové plochy,
Talymap [-]
SPD Hustota vrcholů, Talymap [1/mm²]
SPC Aritmetický průměr zakřivení vrcholů, Talymap [-]
S10z Desátý bod výšky povrchu, Talymap [µm]
S5p Pátý bod výšky vrcholů, Talymap [-]
S5v Pátý bod výšky prohlubně, Talymap [µm]
Sda Střední oblast prohlubní, Talymap [-]
Sha Střední oblast vrcholů, Talymap [-]
SDV Průměrný objem oblasti prohlubní, Talymap [-]
SHV Průměrný objem oblasti vrcholů, Talymap [-]
x, y Souřadnice Gaussovy funkce [-]
σ Směrodatná odchylka Gaussovy funkce [-]
Mo Ohybový moment [mN]
11 MAX Maximální hodnota ohybové síly, TH-7 [mN]
MIN Minimální hodnota ohybové síly, TH-7 [mN]
V1, V2,V3, V4 Označení vzorků pro vzájemné rozlišení [-]
Tx, Ty Vzdálenost autokorelační funkce [-]
Zkratky
FAST Fabric Assurance by Simple Testing KES Kawabata Evaluation Systém
FB-4 Součást přístroje KES na měření povrchových vlastností TH 5 Přístroj na měření ohybové tuhosti
TH 7 Zdokonalený přístroj na měření ohybové tuhosti IQR Interkvartilový interval
TUL Technická univerzita v Liberci
12
1 Úvod
Pojem objektivní hodnocení omaku textilií byl historicky poprvé oficiálně definován v roce 1970. Textilní omak je jedna z nevýznamnějších užitných vlastností oboru hodnocení jakosti textilií. Omak je ovlivňován zejména použitým materiálem, vazbou tkaniny či pleteniny, dostavou, přízí a finálními úpravami. Vliv těchto aspektů na omak a povrchovou strukturu, bude předmětem této diplomové práce, která se zabývá posuzováním omaku jemných tkanin do hmotnosti 120 g/m2 a byla vytvořena na základě zadání od firmy VEBA – textilní závody a.s. (dále již uváděno jen jako VEBA), která se zabývá jejich výrobou.
Doposud je v textilním průmyslu k hodnocení omaku textilií stále nejčastěji využíváno subjektivního hodnocení omaku a objektivního hodnocení omaku na přístrojích KES a FAST, tyto metody se vzhledem k technologickému vývoji jeví již jako zastaralé. V současnosti se naskytují příležitosti vyžití nových technologií, které by bylo možné aplikovat jako doplněk ke stávajícím metodám hodnocení omaku a v případě dobrých výsledků je dokonce i zcela nahradit. Nové technologie mohou do problematiky hodnocení omaku vnést nové světlo a to zejména díky větší přesnosti a širším možnostem moderních přístrojů. Pro možnou budoucí aplikaci nových přístrojů je třeba vycházet z výsledků stávajících, běžně užívaných metod subjektivního hodnocení omaku a objektivního hodnocení omaku.
Cílem této diplomové práce je návrh na postup při tvorbě nového modelu objektivního hodnocení omaku jemných tkanin do 120g/m2. V této práci bude vycházeno z výsledků subjektivního hodnocení omaku a objektivního hodnocení omaku na přístroji KES, kterým byly posuzované tkaniny podrobeny. Hlavním předmětem této práce bude pak aplikace novějších metod, které by mohly vykazovat přesnější výsledky než stávající a mohly by být při objektivním hodnocení omaku textilií.
V teoretické části bude jako zástupce novějších metod přiblížena a aplikována metoda samostatného měření ohybové síly na přístroji TH-7, který vyniká svou přesností a praktičností. Hlavním zástupcem novější technologie bude přístroj Talysurf pro bezkontaktní snímání povrchu, kterých se běžně využívá ve strojním průmyslu a umožňuje získání přesnějších údajů o povrchové struktuře. Tento přístroj je možné využít i v průmyslu textilním a napomoci při objektivním měření omaku pomocí nedestruktivních metod, jejichž aplikaci firma VEBA přednostně požadovala.
13
2 Souhrn současné situace
V současnosti bylo publikováno v různých odborných magazínech několik článků, které se zabývají hodnocením efektivity různých objektivních metod a aplikací novějších speciálních přístrojů podobně jako tato diplomová práce.
Práce [1] se zabývá porovnáním dat z trojrozměrné kamery (bezkontaktní metoda) s daty z přístroje KES a FAST a je založena na měření frikčního tření povrchu.
Tento případ využívá box metody, která se aplikuje pro posouzení bodů signálu tak, že pro body v přímce je boxem interval, pro 2-D souřadnice je boxem čtverec a pro 3-D souřadnice je boxem krychle. Metoda je založena na principu výpočtu drsnosti pomocí fraktálních dimenzí. Plocha bezkontaktně snímaných vzorků má rozměry 10x10 cm a interval mezi jednotlivými časy posunu přes snímanou šířku je méně než 1 sekunda.
V práci byla zjištěna korelace mezi fraktální dimenzí a povrchovou drsností R2 = 0,9980, což signalizuje vysokou korelaci mezi výsledky. Za relevantní byla z výsledků považována pouze vysokofrekvenční data získaná pomocí aplikace kvadrilaterální sítě.
Box metoda uvedená v práci [1] umisťuje naskenovaná data do čtvercové mřížky, jejíž velikost je y [mm] a počet N = počet kolonek, ve kterých leží alespoň jeden bod. Pokud se logaritmus (ln) těchto hodnot vynese proti logaritmu počtu (ln N (s)), lze najít gradient (D) pomocí metody lineární regrese, kde C je bezrozměrná konstanta. Výsledky aplikace box metody byly porovnány s hodnotami popisujícími strukturu povrchu z přístroje KES a FAST. Z výsledků vyplývá, že bezkontaktní metoda se jeví jako vhodnější a přesnější pro hodnocení povrchu netkaných textilií, než doposud používané přístroje KES a FAST.
V článku [2] je představen optický multisměrový měřič drsnosti textilií. Přístroj pracuje tak, že paprsek z laserové diody skenuje povrch tkaniny a odražený signál je poté podroben Fourierově analýze.
V této práci je také konstatováno, že v textilním průmyslu se v současnosti komfort textilií stal velmi důležitým aspektem, který vysoce ovlivňuje jejich prodejnost.
Nejčastěji používanou povrchovou mechanickou finální úpravou pro zlepšení omaku textilií je broušení a počesávání. Zároveň je při hodnotícím procesu nejdůležitějším faktorem hmatová a zraková kontrola zabezpečující jak samotný proces úpravy, tak i proces hodnocení. Dále článek navrhuje pro nahrazení přímé kontroly člověkem je možnosti využít přístroje disponujícím laserem a CCD kamerou, které využívají systém
14 Seifert a Ramgulam. Schematický princip přístroje je znázorněn na obrázku 1. Paprsky z laserové diody musí dopadat na tkaninu lineárně. Z tohoto důvodu je zařízení vybaveno cylindrickou čočku, která přetváří kulatý průřez laseru vycházejícího z diody na průřez lineárního tvaru. Odražený paprsek pomocí separátoru paprsků dopadá na fotodiodu, která světlo změní na elektrický impuls. V závěru článku je konstatováno, že hlavní nevýhodou tohoto zařízení je citlivost na barvu textilie, a je tedy univerzálně použitelný pouze na nebarvené látky.
Obrázek 1:Schématický princip přístroje Seifert a Ramgulam.
15
3 Subjektivní hodnocení omaku
Vzhledem k tomu, že objektivní hodnocení omaku vychází z hodnocení omaku subjektivního, bude v následující části tento způsob přiblížen.
Subjektivní hodnocení omaku je založeno na řadě primárních vlastností (jako např. hladkost, drsnost, splývavost, ohybová i smyková tuhost a s nimi spojená splývavost, plnost, stlačitelnost, pružnost a tepelné projevy materiálu) a teprve sloučením těchto vlastností a jejich vyhodnocením v mozku vzniká celkový pocit – omak.
Důležitou roli v subjektivní hodnocení omaku hraje hodnotitel a také to, jak je hodnotitel zkušený, v jakém je fyzickém rozpoložení, jestli je to muž, nebo žena atd.
Hodnotitel, který zkoušku vykonává, musí být poučený a seznámený s postupem hodnocení. Při posuzování omaku je vhodné mít zkušenosti s textilem a s hodnocením omaku. Doporučený počet je 30 respondentů a optimální rozměr vzorku je 50 x 50 mm, minimální rozměr je 30 x 30 mm. Subjektivní hodnocení zahrnuje např. zkoušku pořadovou, párovou a porovnání se standardem. Jednotlivé zkoušky se pak volí dle účelu konkrétního měření. Interní norma TUL č. 23 – 301 – 01/01 popisuje podstatu zkoušky hodnocení textilie na základě hmatového kontaktu a vyjádření pocitu, který tento kontakt vyvolal. Zjišťují se tak různé vlastnosti, konkrétně tuhost, splývavost, měkkost, ostrost a struktura povrchu.
Při hodnocení subjektivního omaku se nejčastěji používá stupnicová metoda založená na principu zařazování jednotlivých textilií do zvolené stupnice – ordinální škály Data získaná subjektivním hodnocením omaku (zde celkový omak – THV) patří do ordinální škály, proto lze pro nalezení vztahu mezi THV a fyzikálně mechanickými vlastnostmi a následnou predikci použít některý z nástrojů vícerozměrné techniky statistické analýze dat, jako jsou diskriminační analýza a logistická regrese [3,4].
3.1 Metody subjektivního hodnocení omaku
Metody subjektivního hodnocení jsou voleny na základě rozhodnutí, zda je cílem určit shodu mezi vzorky, či zjistit který vzorek má lepší omak, nebo určit rozlišovací schopnosti hodnotitelů při posuzování. Podle volby cíle hodnocení lze principielně použít dva základní typy zkoušek uvedené na následující straně.
16 3.1.1 Stupnicové zkoušky
Nejrozšířenějším typem zkoušek, a to z důvodu současného kvalitativního a kvantitativního posouzení, jsou stupnicové zkoušky. Při těchto zkouškách neprobíhá vzájemné porovnávání vzorků mezi sebou, ale hodnotitelé zde samostatně přiřazují vzorky do určité bodové škály, která je volena podle potřeb hodnocení. Pro poučené hodnotitele je nejvýhodnější volit sedmi, devíti nebo jedenácti bodovou škálu, ale pokud mají textilie podobné mechanicko-fyzikální vlastnosti, je možné použít např. i tří stupňovou bodovou škálu (0- horší omak, 1- průměrný omak, 2- lepší omak).
3.1.2 Srovnávací zkoušky
Při srovnávacích zkouškách se zvolí jeden vzorek jako standard a zjišťuje se, do jaké míry se porovnávaný vzorek liší od standardu. Nevýhodou tohoto testu je, že neukazuje, zda je omak oproti standardu lepší, nebo horší.
3.1.3 Technika a druhy polárních párů
Tato technika je založena na základě vjemů senzorických center, které se nachází na lidské ruce, díky kterým je možno vnímat výsledný pocit. U této techniky se určují rozdíly mezi těmito polárními páry:
a) chladný – teplý (centrum tepelných projevů) b) tvrdý – pružný (centrum objemových vlastností) c) tuhý – ohebný (centrum tuhosti a poddajnosti)
d) drsný – hladký (centrum povrchové hladkosti a nerovnosti)
Subjektivní vjem omak je pak tvořen váženým průměrem dílčích velikostí stimulace jednotlivých center. Hmotnostní koeficienty zde reprezentují míru odezvy na jednotlivé stimuly. Toto vyjádření se označuje jako celkový omak (THV – Total Hand Value). Tyto vlastnosti charakterizující jednotlivá senzorická centra jsou pak východiskem pro objektivní hodnocení omaku.
3.2 Základní charakteristiky subjektivního omaku:
Subjektivní omak je charakterizován čtyřmi faktory, které souvisejí s pocitem tepla, hmotností a tloušťkou: a) tepelný kontakt, b) objemnost, c) tuhost, d) drsnost.
a) Tepelný kontakt je charakterizován jako momentální tepelný pulz (do 2 sekund), který je podnícen odvodem tepla z pokožky do textilie. Tento tepelný pulz je v prvním okamžiku roven tepelné jímavosti plošné textilie. Textilie s nižší
17 tepelnou jímavostí se jeví jako méně hřejivá. Hřejivost lze ovlivnit např. finálními úpravami, konstrukcí textilie a materiálovým složením.
b) Objemnost patří do tvarových vlastností plošných textilií. Zpravidla bývá charakterizována jako pružnost při stlačování. Jde o stlačitelnost textilie při různých zatíženích. Při subjektivním hodnocení stlačitelnosti je plošná textilie umístěna na rovné desce a je na ni vyvíjen tlak plochou dlaně. Stlačitelnost souvisí např. s hmotností, tloušťkou, povrchovou úpravou či zákrutem příze.
c) Tuhost je vlastnost, která se řadí do stálosti tvaru plošných textilií.
Charakterizuje ji silový odpor, který vzniká v plošné textilii při jejím prostorovém ohýbání vlastní vahou. Silový odpor je součtem všech třecích a soudržných sil, které při tomto ohybu vznikají mezi vlákny a přízemi ve vazných bodech. Z toho vyplývá, že hustěji dostavené tkaniny budou vykazovat vyšší hodnotu tuhosti. Vyšší tuhost značně ovlivňuje vzhled oděvu.
d) Drsnost je povrchová charakteristika plošných textilií, kterou určuje souhrn povrchových nerovností (výstupky a prohlubně skutečného povrchu plochy). Určování drsnosti probíhá vždy mezi dvěma povrchy (při subjektivním hodnocení omaku mezi pokožkou a plošnou textilií). Drsnost textilie je modifikovatelná např. povrchovou úpravou, vazbou, plošnou hmotností, zákrutem příze a částečně také použitým materiálem [7].
3.3 Metodika pro vyhodnocení subjektivního omaku
Subjektivní hodnocení omaku se člení mezi senzorické metody, při kterých se analyzují vjemy smyslových orgánů bez použití technických měřících zařízení.
Aplikace číselných škál u stupnicových metod může vést k tomu, že je s nimi zacházeno jako s běžnými daty, a tudíž jsou z nich počítány aritmetické průměry a rozptyly. Je nutné vzít v úvahu, že se nejedná o lineární stupnice a že rozdíly mezi sousedními třídami nejsou konstantní, a z tohoto důvodu nelze tyto charakteristiky použít.
V případě, že data pocházejí z ordinální škály, třídí se do K tříd (k=1, 2,….K). Při subjektivním hodnocení je náročné zachytit, zda stejné kvantifikativní hodnocení (zařazení do téže třídy) je opravdu totožné. Přesto se pro popis zpravidla používají aritmetické průměry. V případě, že se většina dat koncentruje k jednomu konci škály a menšina ke druhému konci škály, je formulace výsledků pomocí aritmetických průměrů zavádějící. Z tohoto důvodu je vhodnější pro odhad parametru polohy z výsledků subjektivního hodnocení omaku textilií zvolit medián ordinální škály xM a jeho
18 intervalový odhad. Pro popis variability lze aplikovat diskrétní ordinální varianci označovanou dorvar.
Při výpočtu xM se vychází z definice relativní četnosti ve vzorci 1
(1)
a kumulativní relativní četnosti ve vzorci 2.
(2)
Medián xM se počítá podle dvoustupňového postupu:
1. Určí se mediánová kategorie M, pro kterou platí a
2. Vypočte se medián xM ze vztahu uvedeného ve vzorci 3.
(3) Pro charakterizaci míry rozptýlení je vhodná diskrétní ordinální variance definovaná dle vzorce 4.
(4) Aby bylo možno posoudit významnost zařazení do mediánové kategorie, je vhodné sestrojit 95% interval spolehlivosti populačního mediánu Med. Při konstrukci se postupuje tímto způsobem:
1. Určí se kumulativní četnosti dle vzorce 5.
(5)
2. Stanoví se kategorie D a H, ve kterých leží FD* a FH* dle porovnání 6. a 7.
D: a (6)
H: a (7)
3. Určí se opravné koeficienty dle vzorců 8 a 9.
(8)
(9) a vypočte se interval spolehlivosti mediánu podle vzorce 10.
D - 0,5 + d ≤ Med ≤ H - 0,5 + h. (10)
Pokud se u některých textilií intervaly spolehlivosti překrývají, nelze je považovat co do úrovně omaku za rozdílné [5].
19
4 Objektivní hodnocení omaku:
Z důvodu subjektivity hodnotitelů je snaha nahradit tento způsob objektivním hodnocením omaku, které je na člověku nezávislé. Objektivní měření omaku je založeno na měření mechanických vlastností spojených s omakem bez závislosti na hodnotitelích a bylo "svatým grálem" výzkumu pracovníků v této oblasti již od průkopnické práce Peirce v roce 1920. Subjektivní techniky hodnocení omaku přestaly být schopny splnit různorodé požadavky trhu a těžce překonávaly ztrátu odborné znalosti v oblasti posuzování textilie způsobené odchodem zkušených zaměstnanců.
Souvislost mezi měřitelnými vlastnostmi textilií a subjektivními charakteristikami tkanin jako např. omak je známa již mnoho let. Hlavními problémy, kterým čelí vývojáři z oblasti objektivní měřicí techniky pro měření textilního omaku, jsou např.
zjištění, které z měřitelných vlastností jsou spojeny s omakem. Další závažnou problematikou jsou definice podmínek, za jakých by měla být měření provedena, a také popis toho, jak se kvantitativně se vztahují tyto vlastnosti k omaku [5, 6].
4.1 Současné metody pro objektivní hodnocení omaku:
V současnosti existují tři skupiny postupů pro objektivní měření omaku rozdělených dle použitých přístrojů a metod.
a) Systém KES a jemu podobné přístroje, které jsou složeny ze čtyř speciálních přístrojů pro měření ohybových, tahových, tlakových smykových a povrchových vlastností textilií při speciálních deformačních podmínkách. Výstupem těchto přístrojů je celkem 16 mechanických vlastností týkajících se omaku. Další často využívaný přístroj, který pracuje na tomto principu, je systém na hodnocení omaku s názvem FAST.
b) Speciální zařízení, u kterého je výstupem přímo predikce omaku. Přístroj pracuje na jednoduchém principu protahování textilie s definovanými rozměry skrze kruhový otvor nebo konickou trysku a následné vyhodnocení závislosti mezi silou a posunutím.
c) Standardní zařízení pro klasifikaci vlastností souvisejících s omakem textilií, u kterých je zvolena pro klasifikaci plošná měrná hmotnost, tloušťka, ohybová tuhost, úhel zotavení (vyjádření mačkavosti) a zatížení potřebné k deformaci textilie (diagonálně na soustavě osnova útek) o stanovený stupeň.
20 4.1.1 Rozdělení objektivního hodnocení omaku podle klasifikace dat
Podle způsobu klasifikace dat získaných měřením lze rozdělit způsoby objektivního hodnocení omaku do dvou skupin: a) Výsledkem je jedna hodnota charakterizující omak, b) Výsledkem je několik hodnot.
a) Jsou to metody, jejichž výsledkem je jedna hodnota charakterizující celkový omak – nejrozšířenější systém KES pracuje s intervalem 0 až 5, kde 0 znamená velmi špatný omak a hodnota 5 značí vynikající omak. Tento údaj je zpravidla výsledkem dosazení do regresních modelů, kde je vysvětlovanou proměnnou objektivní predikce omaku, a vysvětlující proměnné jsou měrné vlastnosti. Další možností je využití vážených průměrů vhodně nelineárně transformovaných vlastností. Pro zpracování dat se využívají techniky porovnání výsledků pomocí hlavních regresních modelů, které jsou uvedeny ve vzorcích 11-16.
LIN: (11)
Weber-Fechner: (12)
Kawabata: (13)
Stewens: (14)
GEOM: (15)
LOGLIN: (16)
Pro určování těchto regresních modelů se používá např. lineární regrese s využitím metody nejmenších čtverců nebo step-wise regrese. Nejvýhodnějším modelem je Stewensova funkce. Základním předpokladem pro metodu nejmenších čtverců je, že závisle proměnná pochází z normálního rozdělení, což však prakticky nebývá splněno. Z důvodu zařazování hodnot omaku do ordinální škály je výsledná
21 závisle proměnná buď binární (data jsou hodnocena buď pozitivně, nebo negativně), nebo ordinální (více než dvě třídy, které na sebe navazují). Z tohoto vyplývá, že závisle proměnná nabývá výsledných hodnot podle počtu tříd. Z těchto důvodů je vhodnější buď klasifikovat za použití diskriminační analýzy, nebo použít logistickou regresi, která z podmínek, že je závisle proměnná binární nebo ordinální, přímo vychází.
b) Techniky, kde se provádí porovnání omaku na základě vícerozměrných statistických metod, jako např. diskriminační analýza. Dále se pro predikci omaku využívá neuronových sítí a pracuje se na systémech hodnocení virtuální textilie.
Výsledkem těchto technik je několik hodnot.
4.2 Systém KES
Nejrozšířenějším systémem objektivního hodnocení je systém KES (Kawabata Evaluation System), který byl sestrojen Kawabatou v roce 1980 a je také používán jako nepsaný standard při vývoji nových metod. Systém KES je složen ze speciálních měřících jednotek, z jejichž výstupů se stanoví objektivní omak (THV) a výsledkem je číslo ležící v intervalu <0,5>, kde 0 znamená nevyhovující omak a 5 značí vynikající omak. Přístroje namáhají textilii v různých směrech malými silami, čímž se simuluje běžné namáhání oděvních textilií při nošení. Systém KES je složen ze sady čtyř nedestruktivních přístrojů, které snímají mechanické vlastnosti plošných textilií. Přístroj KES provádí objektivní hodnocení omaku na základě těchto šestnácti charakteristik:
LT - linearita [-]
WT - deformační energie [Ncm/cm²]
RT – pružnost [%]
B - tuhost v ohybu vztahující se na jednotku délky [Ncm/cm²]
2HB - moment hystereze na jednotku délky [Ncm/cm²]
G tuhost ve smyku [N/cm.stupeň]
2HG hystereze při úhlu smyku Φ=0,5° [Ncm]
2HG5 hystereze při úhlu smyku Φ = 5 ° [Ncm]
LC linearita [-]
WC energie potřebná ke stlačení [Ncm/cm²]
RC pružnost [%]
MIU koeficient tření [-]
MMD průměrná odchylka od koeficientu tření [-]
22 SMD geometrická drsnost [mm]
W plošná hmotnost [g/m²]
TO tloušťka [mm]
4.2.1 Tahové vlastnosti na přístroji KES:
LT - linearita [-], WT - deformační energie [Ncm/cm²], RT - pružnost[%].
Pomocí tahových charakteristik se sledují reakce textilie na tahové namáhání. Měření se provádí ve směru osnovy a útku. Zkoumaný vzorek se upne mezi dvě 200 mm dlouhé čelisti, které jsou od sebe vzdálené 50 mm. Jedna z čelistí je pevná, a druhá je pohyblivá. Při pohybu čelisti se vzorek natahuje, a tím vzniká deformace. Vzorek je namáhán úhlem smyku asi 490 N/m. Definice vlastnosti je uvedena na obrázku 2 a postup výpočtu je přiblížen ve vzorcích 17 a 18 [5, 8].
Obrázek 2: Definice tahových charakteristik. [5]
LT=WT/WOT, (17)
Kde WOT je plocha trojúhelníku 0 a F udává sílu na jednotku šířky, přičemž (N/cm) a jsou maximální hodnoty F a =4,9 N/cm.
(energie ve zpětné fázi) (18)
Kde F´udává tahovou sílu ve zpětné fázi.
23 4.2.2 Ohybové vlastnosti:
B - tuhost v ohybu vztahující se na jednotku délky [Ncm/cm²], 2HB - moment hystereze na jednotku délky [Ncm/cm²].
Při ohybu se sleduje reakce na působení ohybové síly. Měření se provádí ve směru osnovy a útku z lícní i rubní strany. Vzorek je upnutý mezi dvě 200 mm dlouhé čelisti, jedna je pevná, druhá je pohyblivá, a jsou od sebe vzdálené 10 mm. Namáhaný vzorek je soustavně ohýbán do křivosti ± 2,5 cm-1.
Obrázek 3: Definice ohybových charakteristik, M-ohybový moment, K-křivost.
4.2.3 Smykové vlastnosti:
G -tuhost ve smyku [N/cm.stupeň], 2HG -hystereze při úhlu smyku Φ = 0,5 ° [Ncm],
2HG5 -hystereze při úhlu smyku Φ = 5 ° [N/cm].
Obrázek 4: Definice smykových vlastností. G-sklon přímky mezi úhly Φ =0,5° a Φ =5°
24 Při smykových charakteristikách se sledují třecí síly působící v rovině plochy, které vyvolávají deformaci. Měření se opět provádí ve směru osnovy a útku. Zkoumaný vzorek se upne mezi dvě čelisti, které jsou od sebe vzdálené 50 mm. Jedna z čelistí je pevná, a druhá je pohyblivá. Pohyblivá čelist se pohybuje pod úhlem smyku ± 8 stupňů.
4.2.4 Objemové vlastnosti:
LC - linearita [-], WC - energie potřebná ke stlačení [Ncm/cm²], RC - pružnost [%].
U objemových charakteristik se sleduje reakce na tlakovou sílu, kterou vyvine přítlačná deska měřícího zařízení na podkladovou desku, kde je textilie upnutá. Měření se provádí v jednom směru a na třech místech. Zatížení je do Fm = 4900 N/m² a výpočty charakteristik jsou uvedeny ve vzorcích 19 - 22 a jejichž popis je uveden na následujícím obrázku 5.
LC=WC/WOC , RC=WC´/WC , (19,20,21)
Kde je tloušťka vzorku při tlaku 0,049 N/cm² a je tloušťka vzorku při maximálním tlaku =4,9 N/cm²
WOC= ( (22)
Kde WC´ udává energii ve zpětné fázi.
Obrázek 5: Definice objemových charakteristik
25 4.2.5 Povrchové vlastnosti:
Princip měřeni povrchové drsnosti a povrchového tření na přístroji KES – FB-4, který je znázorněn na obrázku 6. Vzorek je při měření na jednom konci upevněn na otočném válci, pomocí kterého se pohybuje nejprve zprava doleva a poté zleva doprava.
Druhý konec vzorku je uchycen otočnou pákou, kterou je zajištěno požadované předpětí. Detekčním zařízení je ocelový drát o průměru 0,5 mm, který se pohybuje konstantní rychlostí 1 mm. . Detektor drsnosti sestupuje z horní části přístroje do místa, kde přichází do kontaktu se vzorkem a za standardizovaných podmínek probíhá měření. Ukazatel kolísá nahoru a dolů podle drsnosti vzorku, která je převedena na elektrický signál tc pomocí lineárního transformátoru umístěného na horních koncích detektoru. Signál z převodníku projde filtrem, který má předepsanou frekvenční odezvu a poté je integrován na hodnoty MIU, SMD a MMD.
MIU - koeficient tření [-]
MMD - průměrná odchylka od koeficientu tření [-]
SMD - geometrická drsnost [mm]
Obrázek 6: KES-FB-4 – Měření povrchových vlastností
Na obrázku 7 jsou zaznamenané křivky tření a drsnosti, které jsou vypočteny v bloku a indikují jejich hodnoty prostřednictvím digitálního měřiče. Povrchové vlastnosti vycházejí ze záznamu kolísání povrchového reliéfu. Pohybující se čidla na
26 přístroji snímají povrch vzorku, který je upnutý mezi čelistmi. U výstupu z přístroje pak jedna dvojice křivek odpovídá záznamu ve směru osnovy a útku, resp. je každá křivka složena z probíhajícího a vratného procesu. Dolní dvě křivky ukazují záznam signalizující drsnost.
Obrázek 7:Záznam křivek povrchového tření (horní dvě křivky)
Měří se na třech různých místech vzorku, jejich výpočet je uveden ve vzorcích 23,24,25 a graficky znázorněn na následujícím obrázku 8.
(23)
(24)
dx (25)
Kde µ vyjadřuje koeficient tření v místě x, x je posun měřící planžety po povrchu vzorku. Písmeno X udává velikost posunu – 2 cm a T je tloušťka vzorku v místě x.
27 Obrázek 8: a)Definice koeficientu tření na přístroji KES, b) Definice tloušťky na
přístroji KES
4.2.6 Geometrické vlastnosti:
W - plošná hmotnost [g/m²], TO - tloušťka [mm]. Určení geometrických vlastností probíhá standardně u tkanin dle Interní normy č. 13-108-01/01[7,10].
28 4.2.7 Vyhodnocení získaných dat
Z výše uvedených měření je získáno šestnáct charakteristik, číselných hodnot, pro osnovu a útek. Hodnoty těchto charakteristik jsou dosazeny do regresních rovnic, které udávají hodnoty složek primárního omaku. Složky primárního omaku jsou vyjádřeny osmi pojmy:
1) Koshi (tuhost), 2) Numeri (hladkost)
3) Fukurami (plnost, měkkost) 4) Shari (vrzavost)
5) Hari (anti-splývavost) 6) Sofutoza (hebkost)
7) Kishimi (vrzavost, šustivost)
8) Shinayakasa (lehkost, poddajnost) [5].
Pro vyhodnocení zjištěných charakteristik následuje výpočet predikce, který je složenze dvou fází. Nejdříve se hodnoty standardizují a poté se vypočítají predikované primárnísložky omaku Y dle vzorce 26.
(26)
Kde Xi je i-tá charakteristika nebo její desítkový logaritmus, X i a σi je průměr a směrodatná odchylka i-té charakteristiky, C0i a Cij regresní koeficienty i-té charakteristiky a j-tého primárního omaku. Hodnoty parametrů Xi, σi, C0i a Cij se volí podle účelu použití textilií.
Ve druhém kroku se vypočte objektivní hodnota celkového omaku (THV)dle vzorce 27.
(27)
Kde , jsou regresní koeficienty , , jsou průměry asměrodatné odchylky Y a Y² a opět se volí podle účelu použití textilie. Pro konstrukci predikčnírovnice byla použita stepwise regrese. V navrženém regresním modelu je použito 16 měřených vlastností, mezi kterými existují korelace.
Pro vyhodnocení dat v případě potřeby pouze binárních výsledků lze využít novou metodu logické regrese. Jde o alternativní metodu k metodě nejmenších čtverců
29 v případech, kdy je proměnná hodnota y binární. V současnosti ji lze využívat pro závisle proměnnou pocházející z nominálnínebo ordinální škály. Dá se aplikovat i jako alternativní řešení ke klasifikaci, kdy jsou naplněny předpoklady vícerozměrného normálního rozdělení. V případě binární proměnné hodnoty tato metoda predikuje pravděpodobnost dané události, která buď nastala (y= 1), nebo nenastala (y= 0).
Vytvoření vazební podmínky je docíleno pomocí logitové transformace, díky které je vytvořen sigmoidální vztah mezi hodnotami y a . Při řešení legistické regrese, které je uvedeno ve vzorci 28, se pomocí této transformace odhadují regresní koeficienty (i=1,2,…p). Výsledek predikce je kladný (situace nastala) v případě, že pravděpodobnost predikované události je větší než 50%, pokud je pravděpodobnost nižší, je výsledek záporný (situace nenastala).
(28)
Kde π(x) je pravděpodobnost, že je výsledek kladný a hodnota1-π(x) vyjadřuje pravděpodobnost, že je výsledek záporný, jsou odhady regresních koeficientů . Tato metoda nebyla v experimentální práci aplikována [5].
30
5 Mechanické měření ohybové tuhosti
Jako významná vlastnost při hodnocení omaku, bývá často shledána tuhost v ohybu, kterou lze měřit různými způsoby a získat tak různé pohledy na tuto vlastnost.
5.1 Tuhost v ohybu
Tuhost v ohybu je fyzikální veličina popisující odpor textilie vůči deformaci (ohýbání) vnějším zatížením. Vnější zatížení je vyvozováno buď osamělou silou, nebo spojitým zatížením, které je vyvoláno plošnou měrnou hmotností. Odpor textilie proti deformaci je součtem všech třecích a soudržných sil. Třecí a soudržné síly vznikají při ohybu mezi vlákny a mezi nitěmi ve vazných bodech textilie. Ohybová tuhost úzce souvisí se splývavostí textilie. Tuhost v ohybu ovlivňuje zejména struktura vláken, konstrukce příze, konstrukce plošné textilie, finální úprava atd. Ohybová tuhost plošných textilií je rovněž jeden z parametrů komfortu textilií. Určité typy oděvních materiálů vyžadují nízkou tuhost v ohybu, např. spodní prádlo, trika, ponožky, splývající šaty. Další typy oděvů musí mít ohybovou tuhost vyšší, aby dobře držely tvar, např. pánské sako.
5.2 Tuhoměr TH-7
Ohybovou tuhost přízí, tkanin a pletenin lze objektivně měřit pomocí přístroje TH-7. Měření ohybové tuhosti vychází ze staršího aparátu TH-5. U přístroje TH-7 jsou nastavitelné čtyři varianty otočení čelisti, což je znázorněno na obrázku 9. Vzorek je umístěn ve svislé poloze a čelist se nachází v pozici P0. V pozici P2 dochází k otočení čelisti do polohy 60° a v pozici P3 do polohy 90°. Rotace čelisti je možná do dvou směrů P0-P1-P0-P2 nebo P0-P3-P0-P1, které jsou popsané následujícími dvěma
pozicemi. Z důvodu tohoto obousměrného otáčení bylo navrženo snímací čidlo ve tvaru písmene U. Pro hodnocení ohybové tuhosti se vyjadřuje ohybový moment (Mo)
v mN*cm dle ČSN 80 0858.
31 Obrázek 9: Princip měření ohybové tuhosti na přístroji TH – 7 [11].
32
6 Hodnocení parametrů povrchové struktury
Pro přiblížení tématiky hodnocení povrchové struktury je níže uveden rozbor základních charakteristik, které jsou běžně hodnocené ve strojním průmyslu a pomáhají pochopit problematiku měření struktury povrchu a její drsnosti.
Drsnost je souhrn nerovností (geometrických odchylek) povrchu s relativně malými vzdálenostmi, které nevyhnutelně vznikají při výrobě nebo jejím vlivem. Do drsnosti se nepočítají vady povrchu, tj. náhodné nepravidelné nerovnosti, které se vyskytují jen ojediněle (rysky, trhlinky, důlky, u textilií nopky apod.) a které vznikají vadami materiálu, poškozením aj. Podle převládajícího směru nerovností se drsnost posuzuje v příčném nebo podélném směru. Parametry drsnosti se vyhodnocují na skutečných profilech, které se stanovují a vyhodnocují vzhledem k základní rovině profilu. Dvojrozměrné (2D) základní charakteristiky jsou identifikovány pomocí počátečního písmene R.
Metody hodnocení drsnosti jsou založené na 2D systému a novějším 3D systému snímání povrchové struktury prostřednictvím různých zařízení aplikovaných zejména ve strojním průmyslu.
6.1 2D Systém
Výstupem měřicího přístroje je křivka profilu povrchu, která opisuje dráhu nerovností povrchového reliéfu. Je to systém, na jehož principu jsou založeny všechny normy drsnosti povrchu. V současné době převládá snaha hledat pomocí výpočetní techniky nové parametry povrchu, umožňující předpovídat budoucí chování povrchu materiálu při své funkci. Základní charakteristiky drsnosti povrchu u 2D systému jsou definovány níže.
Parametr l je základní délka volená tak, aby se neprojevil vliv vlnitostí a úchylek tvaru, jak je znázorněno na obrázku 10 na následující straně (dána normou, závisí na způsobu opracování povrchu), a ln je vyhodnocovaná délka.
33 Obrázek 10: Grafické znázornění základní a vyhodnocované délky
Písmenem m je označena střední čára profilu a má tvar geometrického povrchu (tj. přímky, kružnice, evolventy apod.), je paralelní s hlavním směrem profilu a rozděluje zjištěný povrch tak, že v rozsahu základní délky je součet čtverců úchylek tohoto profilu od střední čáry m minimální. Na grafickém záznamu povrchu profilu, který zachycuje obrázek 11, se střední čára prokládá tak, aby součty ploch po obou jejích stranách byly v rozsahu základní délky stejné, jak upřesňuje vzorec 29.
S1 + S2 + . . . . + Sn = S/1 + S/2+ . . . . + S/n (29)
Obrázek 11: Grafické znázornění střední čáry profilu [7].
6.1.1 Výškové 2D charakteristiky (amplitudové)
Charakteristika Ra je průměrná aritmetická odchylka posuzovaného profilu Aritmetický průměr absolutních hodnot pořadnic Z (x) v rozsahu základní délky, který je zachycen na obrázku 12 na následující straně.
34 Obrázek 12: Průměrná aritmetická odchylka profilu Ra
Parametr Rmr (c) udává materiálový poměr profilu (nosný podíl): Poměr (%) délky materiálových elementů profilu Ml (c) na dané úrovni c k vyhodnocované délce ln, jak je uvedeno ve vzorci 30 a zachyceno na obrázku 13.
(30)
Obrázek 13: Materiálový poměr profilu stanoví podíl materiálu Rmr (c) profilu jako funkci řeznévýšky c (Abbott-firstenova křivka)
Hodnota RSm udává přehled o průměrné šířce prvků profilu: Aritmetický průměr šířek Xs prvků profiluv rozsahu základní délky - určuje šířky prvků profilu v rozsahu základní délky. Jedná se o charakteristiku drsnosti v podélném směru povrchu, jak znázorňuje obrázek 14.
35 Obrázek 14: Průměrná šířka prvků profilu RSm jako průměrná hodnota šířky Xsi
profilu součásti
Výška Rt je celková výška profilu drsnosti: Součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu a hloubky Zv nejnižší prohlubně profilu v rozsahu vyhodnocované délky ln.
Hloubka Rzi je aritmetická hloubka profilu: Aritmetický průměr nejvyšších výšek profilu v jednotlivých základních délkách z vyhodnocované délky, standardně obsahující 5 základníchdélek.
Prohlubeň Rz1max je maximální prohlubeň profilu drsnosti: Největších pět Rzi- hodnot z pětizákladních délek lr i uvnitř vyhodnocované délky ln.
Výška Rz udává největší výška profilu, což je součet výšky Zp nejvyššího výstupku profilu a hloubky Zvnejnižší prohlubně profilu v rozsahu základní délky. Tyto výše uvedené charakteristiky přibližuje obrázek 15.
Obrázek 15: Celková výška profilu drsnosti Rt největší výška profilu Rz a maximální prohlubeňprofilu drsnosti Rz1max
36 6.1.2 Preferenční 2D parametry
Pro další přiblížení povrchové struktury u 2D systému bývá využíváno preferenčních parametrů, kde maximální prohlubeň profilu drsnosti je považována za povrchový parametr, u kterého dochází k výraznému ovlivňování funkce povrchu plochy. Materiálový poměr profilu Rmr (c) se používá zejména u vložení vodících a kolmých ploch s malou vůlí. Největší výška profilu Rz zpravidla charakterizuje všechny povrchy. Průměrná aritmetická úchylka posuzovaného profilu Ra je mírou drsností povrchu Ra vztažnou přes průměrné hodnoty k celému profilu. [12]
6.2 3D Systém
Měření charakteristik povrchu může probíhat buď klasicky (kontaktně), jak je uvedeno výše a čehož bývá vyžíváno zpravidla ve strojním průmyslu, nebo optickou bezkontaktní metodou, kterou lze aplikovat i v textilním průmyslu. [13]
Díky tomuto systému je zvýrazněna mikrogeometrie povrchového materiálu na funkční chování součásti. 3D systém je aplikován zejména u bezdotykových a optických metod snímání a je v současnosti velice rozvíjen a aplikován do nových průmyslů.
6.2.1 Talysurf
Přístroj Talysurf, který je zobrazen na obrázku 16, je jednou z možností pro měření povrchové drsnosti pomocí optické bezkontaktní metody, jejíž princip je znázorněn na obrázku 17
Obrázek 16: Přístroj Talysurf na kterém bylo prováděno měření povrchových vlastností.
37 Obrázek 17: Princip bezdotykového měření [13].
Laserová zařízení na měření povrchu, jejichž princip je znázorněn na obrázku 17, bývají zpravidla využívána ve strojním průmyslu pro měření drsnosti, která má vliv i v textilním průmyslu při hodnocení omaku a lze ji zjišťovat na stejných přístrojích jako ve strojírenství. Přístroj Talysurf lze využít na měření a snímání povrchu pomocí laseru (bezdotykově) a obraz povrchu dále vyhodnocovat v přiloženém software Talymap nebo využít datového výstupu se souřadnicemi obrazových bodů na osách x, y, z, vhodného pro práci v jiných programech jako např. Matlab. Přiložený software Talymap dále umožňuje trojrozměrné zobrazení snímané plochy a její následné vyhodnocení pomocí mnoha typů operátorů a nástrojů pro hodnocení povrchu. Měření je prováděno na principu snímání povrchu textilie laserovým paprskem propojeným s optickou soustavou. Intenzita odraženého laserového paprsku je díky fotodiodě převedena na elektronický signál, který se on-line zobrazuje na monitoru a je dále ukládán jak v grafické, tak v číselné podobě pro další zpracování. Tento přístroj tak umožňuje definovat parametry povrchu u různých materiálů včetně textilu.
Vzhledem k tomu, že program Talymap nedisponuje možností zjištění základních přímých charakteristik drsnosti dle ČSN EN ISO 4287:1999, byly blíže definovány a zjištěny charakteristiky drsnosti dle normy EUR 15178 N, jejichž měřené charakteristiky jsou charakterizovány podobně jako již definované charakteristiky dle ČSN EN ISO 4287:1999, ale posuzují data trojrozměrných zobrazení profilů.
Trojrozměrné charakteristiky jsou identifikovány pomocí počátečního písmene S.
38 Z těchto charakteristik byly vybrány ty, které se jevily jako nejvhodnější pro posouzení vlivu finálních úprav, kterým se zabývá experimentální část.
Příklad povrchových charakteristik, které jsou v programu Talymap jinak značeny.
Ra→ Sa, udávají průměrnou aritmetickou odchylku posuzovaného profilu.
Rmr (c) →Smr (c), vyjadřují materiálový poměr profilu (nosný podíl).
Rzi →Sri, signalizují aritmetickou hloubku profilu.
Rt →St, jsou informace o největší výšce profilu.
Zp→ Sp, jsou maximální výšky (výšky mezi střední rovinou a nejvyšším vrcholem).
Zv→ Sv, udávají maximální výšky prohlubně (výšky mezi nejhlubší prohlubní a střední rovinou).
6.2.2 Amplitudové 3D parametry
Amplitudové parametry je skupina parametrů povrchu, která charakterizuje th rozloženívýšek signálu. Následující parametry jsou extrapolací z 2D parametrů, které jsou normalizoványv ISO 4287 standardu. Referenční rovina pro výpočet těchto parametrů leží ve střední rovině měřené plochy m.
Sa je aritmetická odchylka od výškového průměru [µm], výpočet odchylky Sa je uveden ve vzorci 31.
(31)
Kde M je počet měřených bodů na ose y, N je počet měřených bodů na ose x a x, y jsou body výšky povrchu, měřené kolmo k základní rovině [µm].
Sq udává Střední kvadratickou výšku povrchu (standardní odchylka výšky distribuce nebo střední kvadratické hodnoty povrchové drsnosti), udává se
v mikrometrech a její výpočet je uveden ve vzorci 32.
(32) Kde M udává počet měřených bodů na ose y, N je počet měřených bodů na ose x a x, y jsou body výšky povrchu, měřeno kolmo k základní rovině v µm.
39 Parametr Ssk je šikmost výšky distribuce (třetí statistický moment, kvalifikační výška distribuční symetrie). Ssk představuje stupeň symetrie povrchu výšky vzhledem k střední rovině. Parametr Ssk ukazuje buď převahu vrcholů (tj. Ssk> 0), nebo prohlubní povrchové struktury (Ssk <0), které se na povrchu vyskytují, výpočet Ssk je uveden ve vzorci 33.
(33)
Kde M udává počet měřených bodů na ose y, N je počet měřených bodů na ose x a x, y jsou body výšky povrchu, měřeno kolmo k základní rovině v µm.
Charakteristika Sku signalizuje kurtosis (čtvrtý statistický moment, kvalifikační plochost výšky distribuce). Hodnota Sku indikuje přítomnost nepřiměřeně vysokých vrcholků nebo nepřiměřeně hlubokých prohlubní tvořící strukturu povrchu (Sku> 3,00), nebo jich nedostatek (Sku <3,00), výpočet Sku je uveden ve vzorci 34 [13,15,16].
(34) Kde M je počet měřených bodů na ose y a N je počet měřených bodů na ose x, η jsou naskenované hodnoty nepřiměřeně vysokých vrcholků nebo nepřiměřených prohlubní povrchu j-tého řádu a i-tého bodu.
Hodnota Sds dává přehled o hustotě vrcholů, tento parametr se vyjadřuje v počtu vrcholů/ mm2. Bod je zvolen vrcholem v případě, že je vyšší než 8 okolních bodů, jak přibližuje vzorec35.
(35) Kde M udává počet měřených bodů na ose y, N je počet měřených bodů na ose x a ∆x,
∆y jsou vlnové délky na ose x a ose y.
Sp udává maximální výšku v µm, je to výška mezi střední rovinou a nejvyšším vrcholem. Tento parametr je graficky znázorněn na obrázku 18.
Sv je maximální hloubka prohlubně v µm, je to hloubka mezi nejhlubší prohlubní a střední rovinou. Tento parametr je graficky znázorněn na obrázku 18.
St je maximální výška v µm, je to výška mezi nejhlubší prohlubní a nejvyšším vrcholem. Tento parametr je graficky znázorněn na následujícím obrázku 18 a popis jeho výpočtu uveden ve vzorci 36 a 37.
40 Obrázek 18: Grafické znázornění parametrů Sp, Sv a St
St = Sp – Sv (36)
(37) Kde ηpi je 5 nejvyšších vrcholů, bod je zvolen vrcholem v případě, že je vyšší než 8 okolních bodů a ηvi je 5 nejhlubších prohlubní, bod je zvolen vrcholem v případě, že je vyšší než 8 okolních bodů.
6.2.3 Prostorové a hybridní parametry programu Talymap
Prostorové parametry popisují topografické vlastnosti na základě spektrální analýzy. Tento parametr kvantifikuje postranní informace přítomné na osách povrchu x a y.
Hybridní parametry jsou třída parametrů povrchové úpravy, které kvantifikují informace o snímané ploše zachycených na osách x, y a z, tj. těch kritérií, která závisí jak na amplitudové a vzdálenosti, jako je např. křivost svahu zakřivení apod. Některé z těchto parametrů se jeví jako vhodné pro kvalifikaci povrchu textilií a z tohoto důvodu jsou níže specifikovány.
Hodnota Sdr signalizuje rozvinutý poměr povrchové plochy. Tento parametr indikuje povrchovou komplexnost v procentech, jak vyplývá z následujícího vzorce 38.
Vyjadřuje se díky porovnání křivkové struktury povrchu. Např. povrch kompletně rovný bude mít Sdr blízko 0%, zatímco méně komplexní povrch bude mít Sdr několik procent.
(38) Kde Ai,j (xi, yj) jsou naskenované body nepřiměřeně vysokých vrcholků nebo nepřiměřeně hlubokých prohlubní povrchu j-tého řádu a i-tého bodu, M je počet měřených bodů na ose y, N je počet měřených bodů na ose x a ∆x, ∆y jsou vlnové délky na ose x a ose y.
41 Parametr Sal je nejrychlejší slábnutí auto-korelační délky, jde horizontální vzdálenost autokorelací funkce (Tx, Ty), která má nejrychlejší rozpad na určitou hodnotu s charakteristikou 0<S<1. Tento parametr vyjadřuje obsah vlnové délky povrchu, vysoká hodnota znamená, že povrch má především vysoké vlnové délky (nízká frekvence). Polární souřadnice vedou k autokorelacím délek v různých úhlech.
Grafické znázornění parametru Sal je uvedeno na obrázku 19 a postup jeho výpočtu je uveden ve vzorci č 39.
(39)
Kde τx τy jsouvlnové délky povrchu.
Obrázek 19: Grafické znázornění parametru Sal
Charakteristika Str je hledisko textury poměru povrchu, tento parametr leží v intervalu <0;1>. Pokud je hodnota blíže 0 můžeme říct, že hodnota má stejné vlastnosti ve všech směrech a že je izotropní. Pokud je hodnota blíže 1 povrch je anizotropní tzn., že nemá orientovanou nebo periodickou strukturu. Výpočet parametru Str je uveden ve vzorci 40.
(40) Kde AzAACF je autokorelační funkce.
Std je textura směru plochy (úhel mezi 0 ° a 360 ° proti směru hodinových ručiček z referenčního úhlu daný maximálním polárním spektrem). Tento parametr vypočítá hlavní úhel směru textury a má význam, pokud je nižší než 0,5. Pokud má
42 povrch dva nebo více směrů, parametr Std určí hlavní úhel textury. Hlavní úhel textury je určen ve stupních v rozsahu -90° až 90° a následně vynesen na stupnici, která je znázorněna na obrázku 20.
Obrázek 20: grafické znázornění rozmezí parametru Std
Vlastnost Sdq vyjadřuje střední kvadratický gradient povrchu. Tato charakteristika udává přehled o střední kvadratické hodnotě povrchové strmosti [13,15,16].
6.2.4 Funkční 3D parametry programu
Funkční 3D parametry je třída parametrů povrchové struktury charakterizující funkční aspekty povrchu, využívají se běžně ve strojním průmyslu a to zejména při hodnocení kvality mazání a broušení, jsou specificky zaměřené na automobilový průmysl, ale některé z nich mohou být užitečně i v průmyslu textilním, a z tohoto důvodu jsou jejich charakteristiky přiblíženy v následující části.[13].
Smr je plošný materiálový poměr měřené plochy. Tento ukazatel vyjadřuje poměr nosné plochy, který je daný poměrem hloubky a plochy materiálu v určené výšce (řezná úroveň). Hodnocená oblast Smr (c) je vyjádřena v procentech. Výška je brána jako výchozí od referenční roviny. Tento parametr je definován pomocí prahu výšky (c) a referenční roviny na obrázku 21. Ve výchozím nastavení programu se hloubka počítá od nejvyššího vrcholu a zobrazuje se pomocí Abbott-firstenovy křivky.
43 Obrázek 21: Plošný materiálový poměr měřené plochy.
Charakteristika Sxp udává rozdíl mezi materiálovými poměry v procentech.
Tento parametr musí být definován dvěma prahy delta http a delta Tp 70% uvedenými v procentech, jak vyplývá z obrázku 22.
Obrázek 22: Rozdíl mezi materiálovými poměry v procentech
6.2.5 Doplňkové parametry prostorového měření povrchové struktury
Program Talymap dále umožňuje zobrazení mnoha dalších charakteristik, které při měření nebyly využity, ale mohli by být při hodnocení omaku rovněž užitečné. Níže uvedeno pouze jejich značení a stručný popis.
