Kumin fysikaalisten mittausmenetelmien suorituskyvyn arviointi

Abstract

Opinnäytetyö tehtiin Nokian Renkaat Oyj:n tuotekehityslaboratorion tarpeisiin. Laboratorion tuotekehitysmittauksissa ei tällä hetkellä ole rutiininomaista tapaa seurata mittausmenetelmien suorituskykyä esimerkiksi toistettavuuden tai mittausepävarmuuden osalta. Haasteita mittausmenetelmien suorituskyvyn arvioinnissa aiheuttavat erityisesti eri kumilaatujen väliset ominaisuuserot, mittausten ajalliset rajoitteet sekä referenssimateriaalien saatavuus.

Opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää laboratorion toimintaa esimerkiksi uusintamittausten osalta ja saada lisätietoa mittausmenetelmille ja mitatuille materiaaleille ominaisesta hajonnasta. Tarkoituksena oli selvittää sekä kumialan standardien että muiden laboratoriomittausten tilastollista käsittelyä kuvaavien lähteiden avulla hyödyllisiä ja helposti sovellettavia menetelmiä mittausepävarmuuden ja toistettavuuden laskentaan.

Työssä mitattiin ominaisuuksia neljästä kumisekoituksesta kahdella eri mittalaitteella niiden suorituskyvyn arvioimiseksi. Venymislujuus- ja kovuusominaisuuksia mitattiin automaattisella vetokonelaitteistolla, ja materiaalien vulkanoitumisominaisuuksia reometrillä kahdella eri lämpötilaohjelmalla. Mittaustuloksista laskettiin mittausepävarmuus, toistettavuus sekä variaatiokerroin. Lisäksi mittaustulosten jakautumista verrattiin oletettuun normaalijakaumaan. Tiedot mitatuista materiaaleista sekä mittalaitteistoista olivat salassa pidettäviä.

Tulosten tarkastelu osoitti, että laboratorion rutiinitoiminnassa ei ole hyödyllistä selvittää mittausten jakautumista vaaditun suuren näytemäärän ja tuloksista saatavan vähäisen hyödyn vuoksi. Erityisesti mittausepävarmuus sekä toistettavuus olivat kuitenkin helposti laskettavissa melko pienistä koesarjoista. Ne olivat helppoja tulkita ja soveltaa käytännössä sekä sopivia laboratorion tarpeisiin.

Työn jatkokehityksenä laboratorion tulee arvioida, miten koejärjestelyt eri mittalaitteiden suorituskyvyn arviointiin ja seurantaan toteutetaan sekä kuinka laboratoriossa toimitaan jatkossa esimerkiksi uusintamittausten tarvetta arvioitaessa.

The thesis was produced for the needs of Nokian Tyres Oyj’s research and development laboratory. There is currently no routine procedure for monitoring the performance of measurement methods in the laboratory’s product development measurements. Challenges in evaluating the performance of measurements are caused especially by the differences in properties between rubber grades, time constraints in the measurements and the availability of reference materials.

The goal of the thesis was to develop the laboratory’s handling of repeat measurements, and to gain information about the dispersion of results for the measurement methods and the materials being measured. The aim was to identify useful and easily applicable methods for calculating measurement uncertainty and repeatability by using standards of the rubber industry as well as other sources on the statistical processing of laboratory measurements.

The properties of four rubber grades were measured with two different measurement systems to assess their performance. Tensile strength and hardness properties were measured with an automatic tensile tester, and the vulcanization properties of the materials were measured with a rheometer using two different temperature programs. Measurement uncertainty, repeatability and the coefficient of variation were calculated from the measurement results. In addition, the distribution of the measurement results was compared with an assumed normal distribution. The specifics of the materials measured, and the measuring equipment were kept confidential.

In reviewing the results, it was found that it is not useful for routine laboratory work to investigate the distribution of measurements due to the limited benefit of the results. In particular, measurement uncertainty and repeatability were easy to calculate from relatively small sample sets and easy to interpret and apply in practice, in addition to being fit for the needs of the laboratory.

As a further development of the work, the laboratory should assess how the experimental arrangements for assessing and monitoring the performance of methods are implemented and how the laboratory will proceed in, for example, assessing the need for repeat measurements.