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AR Monatliches Archiv: Januar 2020
Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit von Kunststoffrohren
Die Bedeutung der Dimensions- und Oberflächenanalyse von Polymerrohren
Rohre aus Polymermaterial werden häufig in vielen Branchen eingesetzt, von der Automobilindustrie über die Medizintechnik bis hin zur Elektrotechnik und vielen anderen Branchen. In dieser Studie wurden medizinische Katheter aus verschiedenen Polymermaterialien mit dem Nanovea untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer zur Messung von Oberflächenrauhigkeit, Morphologie und Abmessungen. Die Oberflächenrauheit ist für Katheter von entscheidender Bedeutung, da viele Probleme mit Kathetern, einschließlich Infektionen, physischen Traumata und Entzündungen, mit der Katheteroberfläche in Verbindung gebracht werden können. Mechanische Eigenschaften, wie z. B. der Reibungskoeffizient, können ebenfalls durch Beobachtung der Oberflächeneigenschaften untersucht werden. Mit diesen quantifizierbaren Daten kann sichergestellt werden, dass der Katheter für medizinische Anwendungen verwendet werden kann.
Im Vergleich zur Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie ist die berührungslose 3D-Profilometrie mit Axialchromatismus für die Charakterisierung von Katheteroberflächen äußerst vorteilhaft, da Winkel/Krümmung gemessen werden können, Materialoberflächen trotz Transparenz oder Reflektivität gemessen werden können, die Probenvorbereitung minimal ist und die Messung nicht invasiv ist. Anders als bei der konventionellen optischen Mikroskopie kann die Höhe der Oberfläche ermittelt und für rechnerische Analysen verwendet werden, z. B. zur Ermittlung der Abmessungen und zum Entfernen der Form, um die Oberflächenrauheit zu bestimmen. Die im Gegensatz zur Elektronenmikroskopie geringe Probenvorbereitung und die Berührungslosigkeit ermöglichen eine schnelle Datenerfassung, ohne Kontamination und Fehler bei der Probenvorbereitung befürchten zu müssen.
Messung Zielsetzung
In dieser Anwendung wird das Nanovea 3D Non-Contact Profilometer verwendet, um die Oberfläche von zwei Kathetern zu scannen: einer aus TPE (Thermoplastisches Elastomer) und der andere aus PVC (Polyvinylchlorid). Die Morphologie, die radiale Dimension und die Höhenparameter der beiden Katheter werden ermittelt und verglichen.
Ergebnisse und Diskussion
3D-Oberfläche
Trotz der Krümmung von Polymerschläuchen kann das berührungslose Nanovea 3D-Profilometer die Oberfläche der Katheter scannen. Aus dem Scan kann ein 3D-Bild für eine schnelle, direkte visuelle Inspektion der Oberfläche gewonnen werden.
2D-Dimensionale Analyse
Die radiale Außenabmessung wurde durch Extraktion eines Profils aus dem Originalscan und Anpassung eines Bogens an das Profil ermittelt. Dies zeigt die Fähigkeit des berührungslosen 3D-Profilometers, eine schnelle Dimensionsanalyse für Qualitätskontrollanwendungen durchzuführen. Es können auch problemlos mehrere Profile entlang der Länge des Katheters erstellt werden.
Oberflächenanalyse Rauhigkeit
Die radiale Außenabmessung wurde durch Extraktion eines Profils aus dem Originalscan und Anpassung eines Bogens an das Profil ermittelt. Dies zeigt die Fähigkeit des berührungslosen 3D-Profilometers, eine schnelle Dimensionsanalyse für Qualitätskontrollanwendungen durchzuführen. Es können auch problemlos mehrere Profile entlang der Länge des Katheters erstellt werden.
Schlussfolgerung
In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie das berührungslose Nanovea 3D-Profilometer zur Charakterisierung von Polymerschläuchen verwendet werden kann. Insbesondere wurden die Oberflächenmessung, die radialen Abmessungen und die Oberflächenrauhigkeit für medizinische Katheter ermittelt. Der Außenradius des TPE-Katheters betrug 2,40 mm, der des PVC-Katheters 1,27 mm. Die Oberfläche des TPE-Katheters erwies sich als rauer als die des PVC-Katheters. Der Sa-Wert von TPE betrug 0,9740µm im Vergleich zu 0,1791µm bei PVC. Obwohl für diese Anwendung medizinische Katheter verwendet wurden, kann die berührungslose 3D-Profilometrie auch auf eine Vielzahl anderer Oberflächen angewendet werden. Die erzielbaren Daten und Berechnungen sind nicht auf das Gezeigte beschränkt.
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Bewertung der Zahnhärte durch Nanoindentation
Bedeutung der Nanoindentation für Biomaterialien
Bei vielen traditionellen mechanischen Prüfungen (Härte, Haftung, Druck, Durchstoß, Streckgrenze usw.) erfordern die heutigen Qualitätskontrollumgebungen mit hochentwickelten, empfindlichen Materialien, von Gelen bis hin zu spröden Materialien, jetzt eine genauere und zuverlässigere Kontrolle. Herkömmliche mechanische Messgeräte bieten nicht die erforderliche empfindliche Laststeuerung und Auflösung; sie sind für die Verwendung von Schüttgut konzipiert. Da die Größe des zu prüfenden Materials immer interessanter wurde, wurde die Entwicklung von Nanoindentation eine zuverlässige Methode zur Gewinnung wesentlicher mechanischer Informationen über kleinere Oberflächen, wie sie in der Forschung mit Biomaterialien verwendet werden. Die besonderen Herausforderungen, die mit Biomaterialien verbunden sind, erforderten die Entwicklung mechanischer Tests, die eine genaue Laststeuerung bei extrem weichen bis spröden Materialien ermöglichen. Außerdem werden für die Durchführung verschiedener mechanischer Tests mehrere Instrumente benötigt, die jetzt mit einem einzigen System durchgeführt werden können. Die Nanoindentation bietet einen breiten Messbereich mit präziser Auflösung bei nanokontrollierten Belastungen für sensible Anwendungen.
Messung Zielsetzung
Bei dieser Anwendung wird das Nanovea Mechanischer TesterIm Nanoindentationsmodus werden die Härte und der Elastizitätsmodul des Dentins, der Karies und der Pulpa eines Zahns untersucht. Der kritischste Aspekt beim Nanoindentationstest ist die Sicherung der Probe. Hier haben wir einen geschnittenen Zahn genommen und ihn mit Epoxidharz beschichtet, so dass alle drei interessierenden Bereiche für den Test freigelegt wurden.
Ergebnisse und Diskussion
Dieser Abschnitt enthält eine zusammenfassende Tabelle, in der die wichtigsten numerischen Ergebnisse für die verschiedenen Proben verglichen werden, gefolgt von der Auflistung der vollständigen Ergebnisse, einschließlich aller durchgeführten Eindrücke, begleitet von mikroskopischen Bildern der Eindrücke, sofern verfügbar. Diese vollständigen Ergebnisse enthalten die gemessenen Werte der Härte und des Elastizitätsmoduls sowie die Eindringtiefe mit ihren Durchschnittswerten und Standardabweichungen. Es ist zu berücksichtigen, dass die Ergebnisse stark schwanken können, wenn die Oberflächenrauheit im gleichen Größenbereich wie der Eindruck liegt.
Zusammenfassende Tabelle der wichtigsten numerischen Ergebnisse:
Schlussfolgerung
Abschließend haben wir gezeigt, wie der Nanovea Mechanical Tester im Nanoindentationsmodus eine präzise Messung der mechanischen Eigenschaften eines Zahns ermöglicht. Die Daten können für die Entwicklung von Füllungen verwendet werden, die den mechanischen Eigenschaften eines echten Zahns besser entsprechen. Die Positionierungsfähigkeit des Nanovea Mechanical Tester ermöglicht eine vollständige Abbildung der Zahnhärte in den verschiedenen Zonen.
Mit demselben System ist es möglich, die Bruchzähigkeit von Zahnmaterialien bei höheren Belastungen bis zu 200N zu prüfen. Bei poröseren Materialien kann eine mehrzyklische Belastungsprüfung durchgeführt werden, um das verbleibende Elastizitätsniveau zu bewerten. Die Verwendung einer flachen zylindrischen Diamantspitze kann Informationen über die Streckgrenze in jeder Zone liefern. Darüber hinaus können mit der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) die viskoelastischen Eigenschaften, einschließlich Verlust- und Speichermoduli, bewertet werden.
Das Nanovea-Nanomodul eignet sich ideal für diese Tests, da es eine einzigartige Rückkopplung nutzt, um die aufgebrachte Last präzise zu steuern. Aus diesem Grund kann das Nanomodul auch für genaue Nano-Kratztests verwendet werden. Die Untersuchung der Kratz- und Verschleißfestigkeit von Zahn- und Füllungsmaterialien macht den Nutzen des Mechanik-Testers noch größer. Die Verwendung einer scharfen 2-Mikrometer-Spitze zum quantitativen Vergleich der Abnutzung von Füllungsmaterialien ermöglicht eine bessere Vorhersage des Verhaltens in realen Anwendungen. Mehrlagige Verschleißtests oder direkte Rotationsverschleißtests sind ebenfalls gängige Tests, die wichtige Informationen über die Langzeittauglichkeit liefern.
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Bewertung der Reibung bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten
Die Bedeutung der Reibungsbewertung bei niedrigen Geschwindigkeiten
Reibung ist die Kraft, die der Relativbewegung von aneinander gleitenden festen Oberflächen entgegenwirkt. Bei der Relativbewegung dieser beiden Kontaktflächen wandelt die Reibung an der Grenzfläche die kinetische Energie in Wärme um. Ein solcher Prozess kann auch zu Materialverschleiß und damit zu einer Leistungsverschlechterung der verwendeten Teile führen.
Aufgrund seines großen Dehnungsverhältnisses, seiner hohen Elastizität sowie seiner hervorragenden Wasserdichtigkeit und Verschleißfestigkeit wird Gummi in einer Vielzahl von Anwendungen und Produkten eingesetzt, bei denen Reibung eine wichtige Rolle spielt, z. B. in Autoreifen, Scheibenwischerblättern, Schuhsohlen und vielen anderen. Je nach Art und Anforderung dieser Anwendungen wird entweder eine hohe oder eine niedrige Reibung gegenüber verschiedenen Materialien gewünscht. Folglich ist eine kontrollierte und zuverlässige Messung der Reibung von Gummi auf verschiedenen Oberflächen von entscheidender Bedeutung.
Messung Zielsetzung
Der Reibungskoeffizient (COF) von Gummi gegenüber verschiedenen Materialien wird mit dem Nanovea kontrolliert und überwacht Tribometer. In dieser Studie möchten wir die Fähigkeit des Nanovea Tribometers zur Messung des COF verschiedener Materialien bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten demonstrieren.
Ergebnisse und Diskussion
Der Reibungskoeffizient (COF) von Gummikugeln (Ø 6 mm, RubberMill) auf drei Materialien (Edelstahl SS 316, Cu 110 und optional Acryl) wurde mit dem Nanovea Tribometer bewertet. Die getesteten Metallproben wurden vor der Messung mechanisch auf eine spiegelglatte Oberfläche poliert. Durch die leichte Verformung des Gummiballs unter der aufgebrachten Normallast entstand ein Flächenkontakt, der auch dazu beiträgt, die Auswirkungen von Unebenheiten oder Inhomogenitäten der Probenoberfläche auf die COF-Messungen zu verringern. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Die COF eines Gummiballs gegen verschiedene Materialien bei vier verschiedenen Geschwindigkeiten ist in Abbildung 2 dargestellt. 2 dargestellt, und die von der Software automatisch berechneten durchschnittlichen COFs werden in Abbildung 3 zusammengefasst und verglichen. Interessant ist, dass die Metallproben (SS 316 und Cu 110) deutlich höhere COFs aufweisen, wenn die Drehgeschwindigkeit von einem sehr niedrigen Wert von 0,01 U/min auf 5 U/min ansteigt - der COF-Wert des Paares Gummi/SSS 316 steigt von 0,29 auf 0,8 und von 0,65 auf 1,1 für das Paar Gummi/Cu 110. Diese Feststellung stimmt mit den von mehreren Labors berichteten Ergebnissen überein. Wie von Grosch vorgeschlagen4 Die Reibung von Gummi wird hauptsächlich durch zwei Mechanismen bestimmt: (1) die Adhäsion zwischen Gummi und dem anderen Material und (2) die Energieverluste durch die Verformung des Gummis aufgrund von Oberflächenunebenheiten. Schallamach5 beobachtete Ablösungswellen von Gummi vom Gegenmaterial an der Schnittstelle zwischen weichen Gummikugeln und einer harten Oberfläche. Die Kraft, mit der sich Gummi von der Substratoberfläche ablöst, und die Geschwindigkeit der Ablösewellen können die unterschiedliche Reibung bei verschiedenen Geschwindigkeiten während des Tests erklären.
Im Vergleich dazu weist das Gummi-Acrylat-Materialpaar bei verschiedenen Drehzahlen einen hohen COF-Wert auf. Der COF-Wert steigt leicht von ~ 1,02 auf ~ 1,09, wenn die Drehzahl von 0,01 U/min auf 5 U/min ansteigt. Dieser hohe COF-Wert ist möglicherweise auf eine stärkere lokale chemische Bindung an der Kontaktfläche zurückzuführen, die sich während der Tests bildet.
Schlussfolgerung
In dieser Studie zeigen wir, dass Gummi bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten ein eigentümliches Reibungsverhalten zeigt - seine Reibung gegen eine harte Oberfläche nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit der Relativbewegung zu. Gummi zeigt unterschiedliche Reibung, wenn er auf verschiedenen Materialien gleitet. Mit dem Nanovea Tribometer können die Reibungseigenschaften von Materialien bei verschiedenen Geschwindigkeiten kontrolliert und überwacht werden. Dies ermöglicht es den Anwendern, das grundlegende Verständnis des Reibungsmechanismus der Materialien zu verbessern und die beste Materialpaarung für gezielte tribologische Anwendungen auszuwählen.
Das Nanovea Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Es ist in der Lage, die Rotationsstufe bei extrem niedrigen Geschwindigkeiten bis hinunter zu 0,01 U/min zu steuern und die Entwicklung der Reibung in situ zu überwachen. Das unübertroffene Angebot von Nanovea ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums der tribologischen Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.
