Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Application Note | Stent Coating Adhesion Testing

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Quantifying Coating Failure and Adhesion Performance on Drug-Eluting Stents

Research & Experimental Testing

Duanjie Li, PhD

Visual Design & Editorial

Andrew Shore

Einführung

Blood is carried through arteries from the heart to the rest of the body. Any weakening or blockage of these vessels can pose significant health risks and may become life-threatening. A stent is a small mesh tube inserted into the lumen of a blood vessel to treat narrowed or weakened arteries. Stent implantation is now a widely used procedure to support the arterial wall and restore blood flowᶦ.

Metal stent mesh geometry illustrating the structural complexity of vascular implant design.

Why coating adhesion matters in drug-eluting stents

Drug-eluting stents represent a major advancement in stent technology. They incorporate a biodegradable, biocompatible polymer coating that enables controlled drug release at the arterial site, helping to inhibit intimal thickening and reduce the risk of restenosisᶦᶦ.

A critical concern in these systems is the delamination of the polymer coating from the metallic stent substrate. This coating carries the drug-eluting layer, and its adhesion directly impacts device performance and reliability.

To improve coating adhesion, stents are often designed with complex geometries. In this study, the polymer coating is located at the bottom of grooves within the stent mesh. This configuration presents a significant challenge for adhesion measurement.

A reliable method is required to quantitatively evaluate the interfacial strength between the polymer coating and the metal substrate. The small diameter of the stent mesh, comparable to a human hair, combined with its three-dimensional geometry, requires:

ultrafine X-Y positioning accuracy
precise control of applied load
accurate depth measurement during testing

ℹ️ Erfahren Sie mehr über nanoindentation and scratch testing lab services for coating adhesion and failure analysis.

Measurement Method

Nano scratch testing is performed using the NANOVEA PB1000 Mechanischer Tester, in Nano Scratch Mode, to evaluate the cohesive and adhesive strength of the polymer coating on the metal mesh of stent samples.

Controlled scratch measurements are carried out on stent geometries with dimensions comparable to a human hair, enabling precise evaluation of coating adhesion on complex stent structures.

NANOVEA PB1000 Advanced

Mechanischer Tester

Testbedingungen

1. Regular Stent Samples

The stent is fixed on the sample stage, with a support wire inserted inside the stent tube to ensure stability during nano scratch testing. The NANOVEA Mechanical Tester is used to perform nano scratch measurements using the parameters summarized in Table 1, to evaluate the cohesive and adhesive strength of the polymer coating on the metal substrate.

Parameter	Value
Load type	Progressiv
Initial load	0.05 mN
Final load	300 and 100 mN
Sliding speed	0.5 mm/min
Sliding distance	0.5 mm
Indenter geometry	Konisch
Indenter material (tip)	Diamant
Radius der Eindringkörperspitze	20 µm
Temperatur	24°C (room)

Tabelle 1: Test parameters for nano scratch measurements on regular stent samples

2. Grooved Stent Samples

The SEM image in Fig. 1 shows the cross-section of the stent sample. The stent features a groove with a depth of approximately 30 µm. The polymer coating, with a thickness of 10.8 µm, is located at the bottom of the groove.

Standard 60° conical diamond tips are not sharp enough to reach the bottom of the groove without contacting the sidewalls. Therefore, a sharper 40° conical diamond tip is used in this study (Fig. 2).

Nano scratch measurements are performed using the parameters summarized in Table 2.

Parameter	Value
Load type	Progressiv
Initial load	0.1 mN
Final load	300 mN
Ladegeschwindigkeit	300 mN/min
Scratch length	0.25 mm
Scratch speed	0.25 mm/min
Indenter geometry	40° cone
Indenter material (tip)	Diamant
Radius der Eindringkörperspitze	5 µm

Table 2: Test parameters for nano scratch measurements on grooved stent samples

Fig. 1: SEM cross-section of a grooved stent showing polymer coating located at the bottom of the groove, highlighting the challenge of coating adhesion measurement in recessed geometries.

Fig. 2: Schematic of a 40° conical diamond tip designed for nano scratch testing inside stent grooves, enabling accurate adhesion measurement without sidewall interference.

Ergebnisse und Diskussion

The stent mesh has a diameter of approximately 100 μm, comparable to a human hair. Precise positioning is therefore critical to ensure the scratch test is performed at the center of the stent mesh. The NANOVEA Mechanical Tester provides X–Y positioning accuracy down to 0.25 μm, enabling accurate test placement under the integrated optical microscope.

1. Regular Stent Samples

Nano scratch testing is performed with a progressively increasing load up to 300 mN. The full scratch track on the stent is shown in Fig. 3a, while failure behavior at different stages is presented in Fig. 3b and 3c.

Two critical loads are identified:

Lc1: the load at which the first visible damage appears on the coating
Lc2: the load at which the coating is fully removed and the substrate is exposed

The evolution of coefficient of friction (COF) and penetration depth is shown in Fig. 4, providing insight into the progression of coating failure during the test.

The first signs of coating damage appear at Lc1 ≈ 14.5 mN. As the applied load increases, the diamond tip progressively penetrates the polymer coating, resulting in a wider and deeper scratch track. During this phase, the COF increases from approximately 0.05 to 0.7.

At Lc2 ≈ 78.1 mN, the coating is fully delaminated from the metal substrate. Beyond this point, as the load continues to increase, both COF and penetration depth remain relatively stable due to the mechanical support of the underlying metal substrate.

(a) Full Scratch Track

(b) Lc1 ≈ 14.5 mN

Fig. 3: Nano scratch track on a stent coating under progressively increasing load, showing (a) full scratch path, (b) initial coating failure at Lc1 ≈ 14.5 mN, and (c) complete coating delamination at Lc2 ≈ 78.1 mN.

Fig. 4: Evolution of coefficient of friction (COF) and penetration depth during nano scratch testing of a stent coating under progressively increasing load, showing the progression of coating failure and transition to substrate support.

Failures during nano scratch testing up to a maximum load of 300 mN occur at critical loads below 100 mN. To enable a more quantitative comparison of coating performance, additional tests are performed with a maximum load of 100 mN on two stent samples, referred to as Sample 1 and Sample 2.

Fig. 5 compares the scratch tracks of Sample 1 and Sample 2 after nano scratch testing. Sample 1 exhibits the first sign of coating damage at a critical load of Lc1 ≈ 13.2 mN, while Sample 2 shows initial failure at a higher load of Lc1 ≈ 21.1 mN.

Coating delamination occurs at 62.5 mN for Sample 1. In contrast, the coating on Sample 2 remains intact throughout the test, continuing to protect the metal substrate under the same loading conditions.

This behavior is further reflected in the evolution of coefficient of friction (COF) and penetration depth, as shown in Fig. 6. When the diamond tip penetrates through the coating and contacts the metal substrate in Sample 1, the COF reaches a peak while the penetration depth decreases due to the increased stiffness of the underlying substrate.

(a) Sample 1 – Early Coating Failure

(b) Sample 2 – Improved Coating Integrity

Fig. 5: Comparison of nano scratch tracks for two stent coatings, showing (a) early coating failure and delamination in Sample 1, and (b) improved coating integrity in Sample 2 under the same loading conditions.

Fig. 6: Comparison of coefficient of friction (COF) and penetration depth for Sample 1 and Sample 2 during nano scratch testing, showing earlier substrate contact and higher friction response in Sample 1, indicating weaker coating adhesion.

2. Grooved Stent Samples

As shown in Fig. 1 and Fig. 7, the grooved stent mesh has a diameter of approximately 90 μm, comparable to a human hair. The groove has a width of ~50 μm and a depth of 30 μm. This geometry presents a significant challenge for nano scratch testing, particularly for evaluating coating adhesion at the bottom of the groove.

Precise positioning is critical to locate the scratch test within the groove. The nano scratch test is performed with a progressively increasing load up to 300 mN. The full scratch tracks of grooved stent Samples 3 and 4 are compared in Fig. 7.

The critical load Lc is defined as the load at which the coating fails and the substrate becomes exposed. The evolution of normal load and penetration depth, shown in Fig. 8, provides further insight into the progression of coating failure during testing.

As the applied load increases, the diamond tip progressively penetrates the polymer coating, resulting in a deeper scratch track. When the critical load Lc is reached, the coating delaminates from the metal substrate.

Sample 3 exhibits coating failure at Lc ≈ 126 mN, while Sample 4 fails at a higher load of Lc ≈ 173 mN. This difference indicates stronger adhesion of the coating in Sample 4.

The measured critical loads enable quantitative comparison of coating adhesion performance. Under the same testing conditions, the coating on Sample 4 demonstrates higher resistance to delamination, making it the better-performing candidate in this study.

(d) Sample 4 – Higher Adhesion in Groove (Lc ≈ 173 mN)

Fig. 7: Nano scratch tracks inside stent grooves for Samples 3 and 4, showing (c) coating failure at Lc ≈ 126 mN in Sample 3 and (d) higher adhesion with delayed failure at Lc ≈ 173 mN in Sample 4.

(a) Sample 3 – Earlier Coating Failure (Lc ≈ 126 mN)

(b) Sample 4 – Delayed Failure and Higher Adhesion (Lc ≈ 173 mN)

Fig. 8: Evolution of normal load and penetration depth during nano scratch testing inside stent grooves for Samples 3 and 4, showing earlier coating failure in Sample 3 and delayed failure at higher load in Sample 4. The vertical green line indicates the critical load (Lc) where coating delamination occurs.

Schlussfolgerung

This study demonstrates the ability of the NANOVEA Mechanical Tester to quantitatively evaluate the cohesive and adhesive strength of polymer coatings on both regular and grooved stent geometries using nano scratch testing.

The recessed geometry of the stent grooves, approximately 50 μm wide and 30 μm deep, presents a significant challenge for coating adhesion measurement. The high X–Y positioning accuracy of 0.25 μm enables precise placement of the scratch test within these confined regions, allowing direct evaluation of coating performance where failure is most critical.

By applying a controlled, progressively increasing load, critical loads associated with coating failure can be identified and compared across samples. This approach enables reliable differentiation of coating adhesion performance and interfacial integrity, even on small, complex stent structures.

Referenzen

[I] http://www.nhlbi.nih.gov/health/health-topics/topics/stents
[II] http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1405-99402006000300008

Frequently Asked Questions About Stent Coating Adhesion Testing

What is stent coating adhesion testing?

Stent coating adhesion testing evaluates how strongly a polymer coating is bonded to the metal substrate of a stent. Techniques such as nano scratch testing quantify the load at which coating damage and delamination occur, providing measurable indicators of adhesion strength.

What is critical load (Lc) in nano scratch testing?

Critical load (Lc) is the applied load at which a coating fails during a scratch test.

Lc1 corresponds to the first visible damage in the coating
Lc2 indicates complete coating removal and exposure of the substrate

These values are used to quantify and compare coating adhesion performance.

Why is coating adhesion important in drug-eluting stents?

Coating adhesion directly affects the reliability of drug-eluting stents. Poor adhesion can lead to coating delamination, which may compromise controlled drug release and increase the risk of device failure.

How do you measure coating adhesion inside stent grooves?

Measuring adhesion inside stent grooves requires high positioning accuracy and appropriate indenter geometry. Nano scratch testing with sharp diamond tips allows access to recessed coating regions, enabling direct evaluation of adhesion within complex stent geometries.

What does coefficient of friction (COF) indicate in scratch testing?

The coefficient of friction (COF) reflects changes in surface interaction during the scratch test. A sudden increase in COF often indicates coating failure and contact between the indenter and the underlying metal substrate.

How can nano scratch testing compare different coating formulations?

Nano scratch testing enables direct comparison of coatings by measuring critical loads under controlled conditions. Higher critical loads indicate stronger adhesion and improved resistance to delamination, allowing selection of better-performing coating systems.

Need Reliable Stent Coating Adhesion Testing?

Dental Surface Roughness Measurement & 3D Tooth Topography

Application Note | Dental Surface Characterization

Dental Surface Roughness Measurement and Full 3D Tooth Topography

Surface Roughness Analysis Using Non-Contact Optical Profilometry

Vorbereitet von

Walter Alabiso, PhD; Davide Morrone, MPhys; Andrew Shore, MA

Einführung

The ability to accurately characterize tooth surfaces, including micro-roughness and 3D surface topography at the nanometer scale, enables advanced research and applications in orthodontics and dental materials science. Non-contact optical profilometry provides a precise method for measuring dental surface roughness and analyzing tooth surface morphology without damaging delicate structures. These measurements support the development of composite dental materials that replicate the natural surface roughness of enamel, as well as the design and fabrication of patient-specific dental casts and restorative components.

Low surface roughness plays a primary role in limiting bacterial adhesion and plaque formation, thereby reducing the risk of cavities. An increase in average roughness (Ra) above 2 µm leads to a steep increase in biofilm formation in vivo.¹ An Ra of 0.2 µm is considered the threshold value below which no further reduction in bacterial adhesion can be expected.²

Reconstruction of the tooth’s 3D surface topography enables the fabrication of dental casts, which are essential for accurate diagnosis, treatment planning, and the fabrication of dental appliances.

Non-Contact Optical Profilometry for Dental Surface Analysis

The present study illustrates the potential of NANOVEA’s high-precision non-contact optical profilometers for dental surface roughness measurement and 3D tooth topography analysis. Chromatic Light technology offers significant advantages over classical touch probe techniques. It acquires data points from deep crevices and complex geometries without introducing measurement errors or artifacts caused by local plastic deformation and without requiring extensive data manipulation.

Compared to focus variation systems, single-point optical sensing provides superior lateral and height accuracy, with X/Y resolution below 0.5 µm, maximum vertical resolution of 1.9 nm, and the ability to measure surface angles up to 87°. The technique is effective on transparent, opaque, specular, diffusive, polished, and rough dental surfaces, making it well suited for comprehensive dental surface characterization.

ℹ️ Erfahren Sie mehr über non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

Bei dieser Anwendung ist die NANOVEA JR25 Non-Contact Optical Profiler was used to analyze the surface roughness and 3D surface topography of an adult human molar previously affected by tooth decay. The side of the tooth was scanned using a PS2–MG140 single-point optical sensor to measure surface roughness parameters over a defined region of interest and along multiple line profiles.

The crown of the tooth was then scanned and reconstructed using a PS5–MG35 single-point optical sensor, which is suited for larger-area acquisition and full 3D tooth topography measurement.

NANOVEA JR25 Portable
Optisches Profilometer

Surface Measurement Using NANOVEA Optical Profilometer

Surface roughness measurements were performed on the lateral side of the molar crown, followed by full 3D reconstruction of the crown surface. Separate single-point optical sensors were used to optimize measurement accuracy for both localized roughness analysis and large-area surface topography acquisition.

PS2 – MG140

Surface roughness analysis by area and parallel line profiles on the side of the tooth’s crown.

PS5 – MG35

Full 3D surface reconstruction of the tooth’s crown.

Messparameter

The following measurement parameters were used for localized surface roughness analysis and full 3D surface reconstruction of the molar crown using NANOVEA single-point optical sensors.

Parameter	Roughness Analysis (Area)	Roughness Analysis (Profiles)	Full 3D Reconstruction
Optical Pen	PS2-MG140	PS2-MG140	PS5-MG35
Z-Range [µm]	300	300	10000
X-Distance [mm]	2.00	3.00	7.50
X-Step Size [µm]	1.70	1.70	10.00
Y-Distance [mm]	2.00	1.00	7.00
Y-Step Size [µm]	1.70	100.00	10.00
Average (Avg)	1	1	1
Measurement Type	Direct	Direct	Direct
Acquisition Mode	Single Frequency	Single Frequency	Double Frequency
Acquisition Rate [Hz]	200	200	100–400
Light Intensity [%]	100	100	100

Optical Profilometry Results

Surface Roughness Analysis (Area)

The PS2 single-point optical sensor was used to investigate fine surface features on the side of the tooth. The image below shows a false-color 2D surface map of the scanned region obtained by non-contact optical profilometry.

A least-squares degree-8 polynomial form removal was applied to isolate the surface roughness component. The roughness filters S-Gaussian 2.5 µm and L-Gaussian 0.8 mm were then applied according to ISO 25178. The resulting filtered surface and corresponding roughness parameters are presented below.

ISO 25178 – Roughness (S-L)
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
F: [Workflow] Form removed (LS-poly 8)
L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm
Height Parameters
Sq	2.433	µm	Wurzel-Mittel-Quadrat-Höhe
Ssk	-0.102		Schrägheit
Sku	3.715		Kurtosis
Sp	18.861	µm	Maximale Peakhöhe
Sv	16.553	µm	Maximum pit depth
Sz	35.414	µm	Maximale Höhe
Sa	1.888	µm	Arithmetisches Mittel der Höhe

The average surface roughness Sa is 1.888 µm, while the peak-to-valley height Sz reaches 35.414 µm.

A 3D surface rendering of the filtered area is shown below for visualization.

Roughness Analysis (Profiles)

Surface roughness profiles were measured using a series of 11 parallel line scans along the X direction on the side of the tooth. The false-color 2D surface map of the raw scan is shown below.

The surface form was removed using a least-squares 8-degree polynomial prior to applying the metrological filters, leaving the residual surface shown below.

A statistical analysis of the measured surface roughness profiles reveals the following line roughness parameters.

		Description	Mean	Std dev	Min	Max
ISO 4287 – Roughness (S-L)
F: Keiner
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm
Evaluation length: All λc (3)
Amplitude Parameters – Roughness Profile
Rp	µm	Maximum peak height of the roughness profile	5.683	0.761	4.315	6.610
Rv	µm	Maximum valley depth of the roughness profile	6.242	1.009	4.701	8.438
Rz	µm	Maximum height of roughness profile	11.925	1.676	9.123	15.048
Ra	µm	Arithmetic mean deviation of the roughness profile	2.063	0.297	1.710	2.629
Rq	µm	Root-mean-square (RMS) deviation of the roughness profile	2.523	0.361	2.057	3.175

F: Keiner

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

The value of Ra is consistent with the Sa value extracted from the surface area measurement.

Different metrological filters can be applied to distinguish between macroscopic waviness and microscopic surface roughness. For example, a coarser filter cut-off, such as the 8 mm cut-off used with the Robust Gaussian order-2 filter, produces a smoother waviness profile (red) that is less sensitive to sharp local variations and follows the original surface profile more loosely.

Alternatively, a finer cut-off (e.g., 0.08 mm) enables the analysis of micro-roughness by removing the waviness component that follows the original profile at a larger scale, leaving the finer surface roughness features of the tooth visible.

The microroughness analysis obtained using a 0.08 mm L-Gaussian filter is presented below.

		Description	Mean	Std dev	Min	Max
ISO 4287 – Roughness (S-L)
F: Keiner
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
L-filter (λc): Gaussian, 0.08 mm
Evaluation length: All λc (37)
Amplitude Parameters – Roughness Profile
Rp	µm	Maximum peak height of the roughness profile	1.582	0.122	1.342	1.748
Rv	µm	Maximum valley depth of the roughness profile	1.466	0.119	1.254	1.661
Rz	µm	Maximum height of roughness profile	3.049	0.196	2.820	3.409
Ra	µm	Arithmetic mean deviation of the roughness profile	0.495	0.047	0.423	0.597
Rq	µm	Root-mean-square (RMS) deviation of the roughness profile	0.643	0.056	0.562	0.762

F: Keiner

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

Full 3D Tooth Surface Topography Reconstruction

The extended Z-scan range of the PS5 optical sensor enables high-fidelity scanning of the entire tooth crown surface. The resulting 3D surface topography is shown below.

2D VIEW: 2D surface map of the tooth crown measured with optical profilometry

3D VIEW: High-fidelity 3D rendering of the molar crown surface obtained with optical profilometry

Schlussfolgerung

In this application, the NANOVEA JR25 Non-Contact Optical Profiler was used to measure the surface roughness and 3D surface topography of an adult human molar.

Both the area scan and the line profile analysis revealed a roughness Rq of approximately 2.5 µm and an Ra of about 1.9–2.0 µm. These values are consistent with results reported in the literature.³ The use of a narrower L-Gaussian filter with an 80 µm cut-off enabled further investigation of micro-roughness, revealing an Rq of 0.643 µm and an Ra of 0.495 µm.

The full 3D surface topography of the molar crown was reconstructed with high fidelity. The high measurement resolution allows detection of fine surface features and crevices. The resulting surface data can be easily processed and exported as STL files, enabling the design and fabrication of customized dental devices and restorative components.

Referenzen

[1] Shin, B.W., et al. Surface Roughness of Prefabricated Pediatric Zirconia Crowns Following Simulated Toothbrushing. Pediatric Dentistry 44.5 (2022): 363–367.
[2] Bollen, C.M.L., Paul Lambrechts, and Marc Quirynen. Comparison of surface roughness of oral hard materials to the threshold surface roughness for bacterial plaque retention: A review of the literature. Dental Materials 13.4 (1997): 258–269.
[3] Suputtamongkol, K., et al. Surface roughness resulting from wear of lithia-disilicate-based posterior crowns. Wear 269.3–4 (2010): 317–322.

Frequently Asked Questions About Dental Surface Roughness Measurement

What is dental surface roughness measurement?

Dental surface roughness measurement quantifies the microscopic texture of tooth surfaces using parameters such as Ra, Rq, and Sa. Optical profilometers measure these features without contacting the surface, allowing accurate analysis of enamel, restorative materials, and dental crowns.

Why use optical profilometry to measure tooth roughness?

Optical profilometry provides non-contact surface measurement with nanometer-scale vertical resolution. It captures 2D surface maps and full 3D surface topography of dental structures without damaging soft or polished surfaces.

What roughness parameters are used for dental surface analysis?

Common roughness parameters include Ra (arithmetic mean roughness), Rq (root mean square roughness), Sa (areal roughness), and Sz (maximum surface height). These parameters help evaluate enamel wear, plaque adhesion risk, and the performance of restorative materials.

Why is surface roughness important in dentistry?

Surface roughness affects plaque retention, wear resistance, and the long-term performance of dental restorations. Controlling micro-roughness can reduce bacterial adhesion and improve the durability of dental materials.

Need Reliable Surface Roughness Measurement for Dental Materials?

Prüfung der Kratzfestigkeit von Handy-Displayschutzfolien

Vorbereitet von

Stacey Pereira, Jocelyn Esparza und Pierre Leroux

Kratzfestigkeit von Handy-Displayschutzfolien verstehen

Schutzbeschichtungen auf Telefonbildschirmen spielen eine entscheidende Rolle bei der Kratzfestigkeit, der Haftfestigkeit und der langfristigen Haltbarkeit. Im Laufe der Zeit können Kratzer, Mikrorisse und Delaminationen der Beschichtung die optische Klarheit und Zuverlässigkeit beeinträchtigen - insbesondere in stark beanspruchten Umgebungen. Um die Widerstandsfähigkeit verschiedener Displayschutzfolien gegen mechanische Beschädigungen zu bewerten, bieten instrumentierte Kratztests einen quantifizierbaren Einblick in die Mechanismen des Versagens der Beschichtung, einschließlich Adhäsion, Kohäsion und Bruchverhalten.

In dieser Studie, NANOVEA PB1000 Mechanischer Tester wird zum Vergleich von TPU und gehärtetem Glas unter kontrollierter progressiver Belastung verwendet. Mithilfe der präzisen Erkennung akustischer Emissionen identifizieren wir kritische Bruchlasten und charakterisieren, wie jedes Material auf zunehmende mechanische Belastung reagiert.

Warum die Kratzfestigkeitsprüfung für Displayschutzfolien wichtig ist

Viele Anwender gehen davon aus, dass dickere oder härtere Schutzschichten automatisch besser sind. Die tatsächliche Haltbarkeit hängt jedoch davon ab, wie sich das Material bei fortschreitender Belastung, Oberflächenverformung und lokaler Beanspruchung verhält. Mit instrumentierten Kratztests können Ingenieure die Haftung der Beschichtung, die Kohäsionsfestigkeit, die Oberflächenverschleißfestigkeit und die genauen Belastungen messen, bei denen Ausfälle beginnen oder sich ausbreiten.

Durch die Analyse von Rissinitiierungspunkten, Delaminationsverhalten und Fehlermodi können Hersteller die Leistung von Bildschirmschutzvorrichtungen für F&E, Qualitätskontrolle oder vergleichende Benchmarking-Tests validieren. Nano- und Mikrokratztests bieten wiederholbare, datengestützte Einblicke in die reale Haltbarkeit, die weit über die traditionellen Härtewerte hinausgehen.

ℹ️ Erfahren Sie mehr über Kratz- und Adhäsionstests für Beschichtungen und Bildschirmschutzfolien.

Scratch Testing Zielsetzung:
Messung von Bruchlasten in Bildschirmschutzvorrichtungen

Ziel dieser Studie ist es, zu demonstrieren, wie der NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester wiederholbare, standardisierte Kratzfestigkeitstests sowohl an Polymer- als auch an Glas-Bildschirmschutzfolien durchführt. Durch schrittweise Erhöhung der aufgebrachten Last erkennt das System kritische Belastungen für kohäsives und adhäsives Versagen, erfasst akustische Emissionssignale und korreliert diese Ereignisse mit der Kratztiefe, der Reibungskraft und der Oberflächenverformung.

Diese Methode liefert ein vollständiges mechanisches Profil jeder Schutzbeschichtung und ermöglicht es Herstellern und Forschungs- und Entwicklungsteams, Materialformulierungen, Haftfestigkeit der Beschichtung, Oberflächenbeständigkeit und optimale Beschichtungsdicke für eine verbesserte Produktleistung zu bewerten. Diese Kratzertests sind Teil von NANOVEAs breiterem Angebot an Lösungen für mechanische Prüfungen zur Charakterisierung von Beschichtungen, Filmen und Substraten in den Bereichen Forschung und Entwicklung, Qualitätskontrolle und Produktion eingesetzt.

NANOVEA PB1000 Großplattform
Mechanischer Tester

Scratch-Test-Parameter und Geräteeinstellung

Die Bewertung der Kratzfestigkeit von TPU- und Hartglas-Bildschirmschutzfolien wurde unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, um die Wiederholbarkeit und die genaue Erkennung von Fehlern und Belastungen zu gewährleisten. Die folgenden Parameter definieren den Aufbau des Kratztests mit progressiver Belastung, der mit dem NANOVEA PB1000-Mechaniktester durchgeführt wurde.

LADUNGSTYP	PROGRESSIVE
ANFANGSLADUNG	0.1 N
ENDLADUNG	12 N
GLEITGESCHWINDIGKEIT	3,025 mm/min
GLEITSTRECKE	3 mm
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE	ROCKWELL (120°-KEGEL)
MATERIAL DES EINDRINGKÖRPERS (SPITZE)	DIAMANT
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE	50 µm
ATMOSPHÄRE	AIR
TEMPERATUR	24 °C (RAUMTEMPERATUR)

TABELLE 1: Testparameter für Kratztests

Bildschirmschutz-Probe auf dem NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester während der Kratzermessung mit progressiver Belastung.

Bildschirmschutzmuster für die Prüfung der Kratzfestigkeit

Es wurden zwei handelsübliche Bildschirmschutzmaterialien ausgewählt, um die Unterschiede in der Kratzfestigkeit, dem Bruchverhalten und der mechanischen Haltbarkeit zu vergleichen. Beide Proben wurden sicher auf dem NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester befestigt und unter identischen Bedingungen mit progressiver Belastung bewertet, um einen konsistenten und unvoreingenommenen Vergleich zu gewährleisten.

Die TPU-Schutzfolie ist eine flexible Polymerfolie mit hoher Elastizität, aber geringerer Abriebfestigkeit, während die Schutzfolie aus gehärtetem Glas ein starres, sprödes Material ist, das auf hohe Härte und verbesserten Aufprallschutz ausgelegt ist. Das Testen beider Materialien unter demselben Belastungsprofil ermöglicht eine klare Beurteilung, wie Materialzusammensetzung, Elastizität und Härte die Art der Kratzer beeinflussen.

TPU-Bildschirmschutzfolie

Gehärtetes Glas

ABBILDUNG 1: Displayschutzfolien aus TPU und gehärtetem Glas, die für die Prüfung der Kratzfestigkeit vorbereitet sind.

Kratztest-Ergebnisse: Versagensmodi bei TPU- und gehärteten Glas-Bildschirmschutzfolien

ART DES BILDSCHIRMSCHUTZES	KRITISCHE BELASTUNG #1 (N)	KRITISCHE BELASTUNG #2 (N)
TPU	k.A.	2.004 ± 0.063
TEMPERIERTES GLAS	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

TABELLE 2: Zusammenfassung der kritischen Belastungen für jedes Muster einer Bildschirmschutzfolie.

Da TPU- und Hartglas-Bildschirmschutzfolien grundlegend unterschiedliche mechanische Eigenschaften haben, wies jede Probe unterschiedliche Versagensmodi und kritische Belastungsschwellen während der Kratztests mit progressiver Belastung auf. In Tabelle 2 sind die gemessenen kritischen Lasten für jedes Material zusammengefasst.

Die kritische Last #1 stellt den ersten unter dem Lichtmikroskop beobachtbaren Punkt des kohäsiven Versagens dar, wie z. B. Rissbildung oder Radialbruch.

Die kritische Last #2 entspricht dem ersten größeren Ereignis, das durch die Überwachung der Schallemissionen (AE) festgestellt wurde und typischerweise ein größeres strukturelles Versagen oder ein Eindringungsereignis darstellt.

TPU-Bildschirmschutzfolie - Flexibles Polymer-Verhalten

Die TPU-Bildschirmschutzfolie wies nur ein signifikantes kritisches Ereignis auf (Critical Load #2). Diese Belastung entspricht dem Punkt entlang der Kratzspur, an dem die Folie begann, sich von der Oberfläche des Telefondisplays abzuheben, abzulösen oder zu delaminieren.

Sobald die kritische Last #2 (≈2,00 N) überschritten wurde, drang der Eindringkörper so weit ein, dass für den Rest des Tests ein sichtbarer Kratzer direkt auf dem Handy-Display entstand. Es wurde kein separates Ereignis der kritischen Last #1 festgestellt, was mit der hohen Elastizität und der geringen Kohäsionsfestigkeit des Materials zusammenhängt.

Bildschirmschutz aus gehärtetem Glas - Sprödes Versagensverhalten

Der Bildschirmschutz aus gehärtetem Glas wies zwei unterschiedliche kritische Belastungen auf, die für spröde Materialien charakteristisch sind:

Kritische Last #1 (≈3,61 N): Unter dem Mikroskop wurden Radialbrüche und Rissbildung beobachtet, was auf ein frühes kohäsives Versagen der Glasschicht hinweist.
Kritische Last #2 (≈7,44 N): Eine große AE-Spitze und eine starke Zunahme der Kratztiefe deuten auf das Eindringen des Protektors bei höheren Belastungen hin.

Obwohl der AE-Wert höher war als der von TPU, wurden keine Schäden auf den Handy-Bildschirm übertragen, was die Fähigkeit des Hartglasschutzes beweist, Belastungen zu absorbieren und zu verteilen, bevor es zu einem katastrophalen Versagen kommt.

Bei beiden Materialien entsprach die kritische Last #2 dem Moment, in dem der Eindringkörper den Bildschirmschutz durchbrach, was die Schutzgrenze der jeweiligen Probe bestätigte.

TPU-Bildschirmschutzfolie: Kratztestdaten und Fehleranalyse

SCRATCH	KRITISCHE BELASTUNG #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
DURCHSCHNITT	2.003
STANDARDABWEICHUNG	0.052

TABELLE 3: Kritische Belastungen, gemessen bei Kratztests von TPU-Bildschirmschutzfolien.

ABBILDUNG 2: Reibungskraft, normale Belastung, Schallemission (AE) und Kratztiefe im Vergleich zur Kratzerlänge für die TPU-Bildschirmschutzfolie. (B) Kritische Last #2

ABBILDUNG 3: Lichtmikroskopische Aufnahme des TPU-Bildschirmschutzes bei Critical Load #2 (5fache Vergrößerung; Bildbreite 0,8934 mm).

ABBILDUNG 4: Bild der TPU-Bildschirmschutzfolie in voller Länge nach dem Kratzer, das die gesamte Kratzspur nach dem Test mit progressiver Belastung zeigt.

Bildschirmschutz aus gehärtetem Glas: Kritische Belastungsdaten und Bruchverhalten

SCRATCH	KRITISCHE BELASTUNG #1 (N)	KRITISCHE BELASTUNG #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
DURCHSCHNITT	3.653	6.925
STANDARDABWEICHUNG	0.383	0.624

TABELLE 4: Kritische Belastungen, gemessen bei Kratztests mit gehärtetem Glas für Bildschirmschutz.

ℹ️ Zum Vergleich mit nicht-silikatischen Polymerbeschichtungen siehe unsere Studie über PTFE-Beschichtung Verschleißprüfung, die das Versagensverhalten von Polymerfolien mit geringer Reibung unter ähnlichen progressiven Belastungsbedingungen aufzeigt.

ABBILDUNG 5: Reibungskraft, normale Belastung, akustische Emission (AE) und Kratztiefe im Vergleich zur Kratzerlänge für den Bildschirmschutz aus gehärtetem Glas. (A) Kritische Last #1 (B) Kritische Last #2

ABBILDUNG 6: Lichtmikroskopische Aufnahmen der Bruchstellen von Critical Load #1 (links) und Critical Load #2 (rechts) bei 5facher Vergrößerung (Bildbreite: 0,8934 mm).

ABBILDUNG 7: Lichtmikroskopische Aufnahme der Kratzspur aus gehärtetem Glas nach dem Test, die den Beginn des Bruchs (CL#1) und die endgültige Eindringzone (CL#2) nach dem progressiven Belastungstest zeigt.

Schlussfolgerung: Vergleich der Kratzfestigkeit von TPU- und gehärteten Glas-Bildschirmschutzfolien

Diese Studie zeigt, wie der NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester kontrollierte, wiederholbare und hochempfindliche Messungen der Kratzfestigkeit unter progressiver Belastung und akustischer Emission (AE) ermöglicht. Durch die präzise Erfassung sowohl kohäsiver als auch adhäsiver Versagensereignisse ermöglicht das System einen klaren Vergleich des Verhaltens von TPU- und Hartglas-Bildschirmschutzfolien bei zunehmender mechanischer Belastung.

Die Versuchsergebnisse bestätigen, dass gehärtetes Glas eine deutlich höhere kritische Belastung als TPU aufweist und eine bessere Kratzfestigkeit, eine verzögerte Bruchauslösung und einen zuverlässigen Schutz gegen das Eindringen von Eindringlingen bietet. Die geringere Kohäsionsfestigkeit von TPU und die frühere Delaminierung verdeutlichen seine Grenzen in hochbelasteten Umgebungen.

Nach der Ermittlung der Bruchlasten können die resultierenden Kratzspuren auch mit einem berührungsloses optisches 3D-Profilometer zur Messung der Rillentiefe, der Restverformung und der Topografie nach dem Kratzer. Dies trägt zur Vervollständigung des mechanischen Profils eines jeden Materials bei.

Das NANOVEA-Mechanikprüfgerät wurde für genaue und wiederholbare Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungen entwickelt und unterstützt ISO- und ASTM-konforme Nano- und Mikromodule. Seine Vielseitigkeit macht ihn zur idealen Lösung für die Bewertung des gesamten mechanischen Profils von dünnen Filmen, Beschichtungen, Polymeren, Gläsern und Substraten in F&E, Produktion und Qualitätskontrolle.

Häufig gestellte Fragen
Über Kratzfestigkeitstests

Was ist eine Kratzfestigkeitsprüfung?

Bei der Kratzfestigkeitsprüfung wird bewertet, wie ein Material oder eine Beschichtung reagiert, wenn ein Diamantstift eine progressiv ansteigende Last aufbringt. Der Test identifiziert die kritischen Belastungen, bei denen kohäsive oder adhäsive Fehler auftreten, und liefert ein quantifizierbares Maß für die Haltbarkeit, die Haftfestigkeit und die Widerstandsfähigkeit gegen Oberflächenschäden.

Was ist der Unterschied zwischen kohäsivem und adhäsivem Versagen?

Kohäsives Versagen tritt auf innerhalb der Beschichtung oder des Materials, wie z. B. Risse, Risse oder innere Brüche.
Der Klebstoff versagt, wenn sich die Beschichtung vom Untergrund löst, was auf eine unzureichende Haftfestigkeit hinweist.

Der NANOVEA PB1000 erkennt beides durch synchronisierte Schallemissionsüberwachung, Kratzertiefenverfolgung und Reibungsanalyse.

Warum ein mechanisches Prüfgerät anstelle von manuellen Methoden?

Ein mechanisches Prüfgerät wie das NANOVEA PB1000 liefert präzise, wiederholbare und standardisierte Messungen und gewährleistet so zuverlässige Daten für Forschung und Entwicklung, Produktionsvalidierung und Qualitätskontrolle. Außerdem bietet es fortschrittliche Funktionen wie die Erkennung akustischer Emissionen und die Tiefenüberwachung in Echtzeit, die manuelle Methoden nicht bieten können.

Benötigen Sie eine zuverlässige Kratzprüfung für Ihre Materialien?

In-Situ-Verschleißmessung bei hoher Temperatur

IN-SITU-VERSCHLEISSMESSUNG BEI HOHER TEMPERATUR

MIT TRIBOMETER

Vorbereitet von

Duanjie Li, PhD

EINFÜHRUNG

Der lineare variable Differenzialtransformator (LVDT) ist eine Art robuster elektrischer Transformator, der zur Messung linearer Verschiebungen verwendet wird. Er wird in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, z. B. in Leistungsturbinen, Hydraulik, Automatisierung, Flugzeugen, Satelliten, Kernreaktoren und vielen anderen.

In dieser Studie stellen wir die Add-ons von LVDT und Hochtemperaturmodulen des NANOVEA vor Tribometer die es ermöglichen, die Änderung der Verschleißspurtiefe der getesteten Probe während des Verschleißprozesses bei erhöhten Temperaturen zu messen. Dies ermöglicht es Benutzern, verschiedene Phasen des Verschleißprozesses mit der Entwicklung des COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften der Materialien für Hochtemperaturanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

MESSZIEL

In dieser Studie möchten wir die Leistungsfähigkeit des NANOVEA T50 Tribometers für die In-situ-Überwachung der Entwicklung des Verschleißprozesses von Materialien bei erhöhten Temperaturen vorstellen.

Der Verschleißprozess der Aluminiumsilikatkeramik bei unterschiedlichen Temperaturen wird kontrolliert und überwacht simuliert.

NANOVEA

T50

TESTVORGANG

Das tribologische Verhalten, z. B. der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von Aluminiumsilikat-Keramikplatten, wurde mit dem NANOVEA Tribometer untersucht. Die Aluminiumsilikat-Keramikplatte wurde in einem Ofen von Raumtemperatur (RT) auf höhere Temperaturen (400°C und 800°C) aufgeheizt und anschließend bei diesen Temperaturen auf Verschleiß getestet.

Zum Vergleich wurden die Verschleißtests durchgeführt, als die Probe von 800°C auf 400°C und dann auf Raumtemperatur abgekühlt war. Eine AI2O3-Kugelspitze (Ø 6 mm, Sorte 100) wurde auf die getesteten Proben aufgesetzt. Die COF, die Verschleißtiefe und die Temperatur wurden in situ überwacht.

PRÜFPARAMETER

der Pin-on-Disk-Messung

Die Verschleißrate K wurde nach der Formel K=V/(Fxs)=A/(Fxn) ermittelt, wobei V das verschlissene Volumen, F die Normallast, s der Gleitweg, A die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n die Anzahl der Umdrehungen ist. Die Oberflächenrauheit und die Profile der Verschleißspuren wurden mit dem NANOVEA Optical Profiler ausgewertet, und die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die in situ aufgezeichnete COF und Verschleißspurtiefe sind in ABBILDUNG 1 bzw. ABBILDUNG 2 dargestellt. In ABBILDUNG 1 bezeichnet "-I" den Test, der durchgeführt wurde, als die Temperatur von RT auf eine erhöhte Temperatur erhöht wurde. "-D" steht für die Temperatur, die von einer höheren Temperatur von 800°C herabgesetzt wurde.

Wie in ABBILDUNG 1 dargestellt, weisen die bei verschiedenen Temperaturen getesteten Proben während der gesamten Messungen einen vergleichbaren COF von ~0,6 auf. Ein solch hoher COF führt zu einem beschleunigten Verschleißprozess, bei dem eine erhebliche Menge an Abrieb entsteht. Die Tiefe der Verschleißspur wurde während der Verschleißtests mittels LVDT überwacht (siehe ABBILDUNG 2). Die Tests, die bei Raumtemperatur vor dem Aufheizen der Probe und nach dem Abkühlen der Probe durchgeführt wurden, zeigen, dass die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte bei RT einen fortschreitenden Verschleißprozess aufweist, wobei die Verschleißspurtiefe während des Verschleißtests allmählich auf ~170 bzw. ~150 μm ansteigt.

Im Vergleich dazu weisen die Verschleißtests bei erhöhten Temperaturen (400°C und 800°C) ein anderes Verschleißverhalten auf - die Verschleißspurtiefe nimmt zu Beginn des Verschleißprozesses rasch zu und verlangsamt sich im weiteren Verlauf des Tests. Die Verschleißspurtiefen für Tests, die bei Temperaturen von 400°C-I, 800°C und 400°C-D durchgeführt wurden, betragen ~140, ~350 bzw. ~210 μm.

ABBILDUNG 1. Reibungskoeffizient bei Stift-auf-Scheibe-Tests bei verschiedenen Temperaturen

ABBILDUNG 2. Entwicklung der Verschleißspurtiefe der Aluminiumsilikat-Keramikplatte bei verschiedenen Temperaturen

Die durchschnittliche Verschleißrate und die Verschleißspurtiefe der Aluminiumsilikat-Keramikplatten bei verschiedenen Temperaturen wurden mit NANOVEA Optischer Profiler, zusammengefasst in ABBILDUNG 3. Die Tiefe der Verschleißspur stimmt mit der mittels LVDT aufgezeichneten überein. Die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte weist bei 800°C eine deutlich erhöhte Verschleißrate von ~0,5 mm3/Nm auf, verglichen mit den Verschleißraten unter 0,2mm3/N bei Temperaturen unter 400°C. Die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte weist nach dem kurzen Erhitzungsprozess keine signifikant verbesserten mechanischen/tribologischen Eigenschaften auf und besitzt eine vergleichbare Verschleißrate vor und nach der Wärmebehandlung.

Aluminiumoxid-Silikatkeramik, auch bekannt als Lava und Wunderstein, ist vor der Wärmebehandlung weich und bearbeitbar. Durch einen langen Brennvorgang bei hohen Temperaturen von bis zu 1093 °C kann die Härte und Festigkeit erheblich gesteigert werden, woraufhin eine Diamantbearbeitung erforderlich ist. Diese einzigartige Eigenschaft macht Tonerdesilikatkeramik zu einem idealen Material für die Bildhauerei.

In dieser Studie zeigen wir, dass eine Wärmebehandlung bei einer niedrigeren Temperatur als der für das Brennen erforderlichen (800°C vs. 1093°C) in kurzer Zeit die mechanischen und tribologischen Eigenschaften von Aluminiumsilikatkeramik nicht verbessert, so dass ein ordnungsgemäßes Brennen ein wesentlicher Prozess für dieses Material vor seiner Verwendung in realen Anwendungen ist.

FIGUR 3. Verschleißrate und Verschleißspurtiefe der Probe bei verschiedenen Temperaturen

SCHLUSSFOLGERUNG

Auf der Grundlage der umfassenden tribologischen Analyse in dieser Studie zeigen wir, dass die Aluminiumoxid-Silikat-Keramikplatte einen vergleichbaren Reibungskoeffizienten bei verschiedenen Temperaturen von Raumtemperatur bis 800 °C aufweist. Allerdings zeigt sie bei 800°C eine deutlich erhöhte Verschleißrate von ~0,5 mm3/Nm, was die Bedeutung einer ordnungsgemäßen Wärmebehandlung dieser Keramik unterstreicht.

NANOVEA Tribometer sind in der Lage, die tribologischen Eigenschaften von Materialien für Anwendungen bei hohen Temperaturen bis zu 1000°C zu bewerten. Die Funktion der In-situ-COF- und Verschleißspurtiefenmessung ermöglicht es dem Anwender, verschiedene Stadien des Verschleißprozesses mit der Entwicklung der COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften der bei hohen Temperaturen verwendeten Materialien entscheidend ist.

NANOVEA Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

Optional sind berührungslose 3D-Profiler für die hochauflösende 3D-Darstellung von Verschleißspuren zusätzlich zu anderen Oberflächenmessungen wie z. B. der Rauheit erhältlich.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

Analyse der Fischschuppenoberfläche mit einem optischen 3D-Profiler

Mehr erfahren

OBERFLÄCHENANALYSE VON FISCHSCHUPPEN

mit 3D OPTICAL PROFILER

Vorbereitet von

Andrea Nowitzki

EINFÜHRUNG

Die Morphologie, Muster und andere Merkmale einer Fischschuppe werden mit dem NANOVEA untersucht Berührungsloser optischer 3D-Profiler. Die empfindliche Beschaffenheit dieser biologischen Probe sowie ihre sehr kleinen und stark abgewinkelten Rillen unterstreichen auch die Bedeutung der berührungslosen Technik des Profilers. Die Rillen auf der Skala werden Zirkuli genannt und können untersucht werden, um das Alter des Fisches abzuschätzen und sogar Perioden mit unterschiedlichen Wachstumsraten zu unterscheiden, ähnlich den Ringen eines Baumes. Dies sind sehr wichtige Informationen für das Management wildlebender Fischbestände, um Überfischung zu verhindern.

Bedeutung der berührungslosen 3D-Profilometrie für BIOLOGISCHE STUDIEN

Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Taster oder Interferometrie kann der berührungslose optische 3D-Profiler unter Verwendung von Axialchromatismus nahezu jede Oberfläche messen. Die Probengröße kann aufgrund der offenen Anordnung stark variieren und es ist keine Probenvorbereitung erforderlich. Merkmale im Nano- bis Makrobereich werden während einer Oberflächenprofilmessung ohne Beeinflussung durch Reflexion oder Absorption der Probe erfasst. Das Gerät bietet die Möglichkeit, hohe Oberflächenwinkel ohne Softwaremanipulation der Ergebnisse zu messen. Jedes Material kann leicht gemessen werden, egal ob es transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffus, poliert oder rau ist. Die Technik bietet eine ideale, umfassende und benutzerfreundliche Möglichkeit zur Maximierung von Oberflächenstudien zusammen mit den Vorteilen der kombinierten 2D- und 3D-Funktionen.

MESSZIEL

In dieser Anwendung stellen wir NANOVEA ST400 vor, einen berührungslosen 3D-Profiler mit einem Hochgeschwindigkeitssensor, der eine umfassende Analyse der Oberfläche einer Waage ermöglicht.

Mit dem Gerät wurde die gesamte Probe gescannt, zusammen mit einem höher aufgelösten Scan des mittleren Bereichs. Zum Vergleich wurde auch die äußere und innere Oberflächenrauheit des Maßstabs gemessen.

NANOVEA

ST400

3D- und 2D-Oberflächencharakterisierung von Outer Scale

Die 3D-Ansicht und die Falschfarbenansicht des äußeren Maßstabs zeigen eine komplexe Struktur, die einem Fingerabdruck oder den Ringen eines Baumes ähnelt. Dies bietet dem Benutzer ein einfaches Werkzeug, um die Oberflächenbeschaffenheit des Maßstabs aus verschiedenen Blickwinkeln direkt zu betrachten. Verschiedene andere Messungen des äußeren Maßstabs werden zusammen mit dem Vergleich der Außen- und Innenseite des Maßstabs gezeigt.

VERGLEICH DER OBERFLÄCHENRAUHIGKEIT

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose optische 3D-Profiler NANOVEA eine Fischschuppe auf vielfältige Weise charakterisieren kann.

Die Außen- und Innenflächen der Schuppe lassen sich allein durch die Oberflächenrauheit leicht unterscheiden, mit Rauheitswerten von 15,92μm bzw. 1,56μm. Darüber hinaus können präzise und genaue Informationen über eine Fischschuppe durch die Analyse der Rillen oder Zirkuli auf der Außenfläche der Schuppe gewonnen werden. Der Abstand der Bänder der Zirkuli vom Mittelpunkt wurde gemessen, und auch die Höhe der Zirkuli betrug im Durchschnitt etwa 58μm.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) Frequenzdurchlauf bei Polymeren

DMA-FREQUENZDURCHLAUF

AUF POLYMEREN MITTELS NANOINDENTATION

Vorbereitet von

Duanjie Li, PhD

EINFÜHRUNG

BEDEUTUNG DER DYNAMISCH-MECHANISCHEN ANALYSE FREQUENZSWEEP-TEST

Die sich ändernde Spannungsfrequenz führt häufig zu Schwankungen des komplexen Moduls, einer kritischen mechanischen Eigenschaft von Polymeren. Beispielsweise unterliegen Reifen im Straßenverkehr zyklisch starken Verformungen. Die Frequenz des Drucks und der Verformung ändert sich, wenn das Auto auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt. Eine solche Änderung kann zu Schwankungen der viskoelastischen Eigenschaften des Reifens führen, die wichtige Faktoren für die Leistung des Fahrzeugs sind. Es besteht Bedarf an einem zuverlässigen und wiederholbaren Test des viskoelastischen Verhaltens von Polymeren bei verschiedenen Frequenzen. Das Nano-Modul der NANOVEA Mechanischer Tester Erzeugt eine sinusförmige Last durch einen hochpräzisen Piezoaktuator und misst die Entwicklung von Kraft und Verschiebung direkt mithilfe einer hochempfindlichen Wägezelle und eines Kondensators. Die Kombination aus einfacher Einrichtung und hoher Genauigkeit macht es zu einem idealen Werkzeug für den Frequenzdurchlauf der dynamisch-mechanischen Analyse.

Viskoelastische Materialien weisen sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften auf, wenn sie verformt werden. Lange Molekülketten in Polymermaterialien tragen zu ihren einzigartigen viskoelastischen Eigenschaften bei, d. h. zu einer Kombination der Eigenschaften von elastischen Festkörpern und Newtonschen Flüssigkeiten. Spannung, Temperatur, Frequenz und andere Faktoren spielen alle eine Rolle bei den viskoelastischen Eigenschaften. Bei der dynamisch-mechanischen Analyse, auch DMA genannt, werden das viskoelastische Verhalten und der komplexe Modul des Materials untersucht, indem eine sinusförmige Spannung angelegt und die Veränderung der Dehnung gemessen wird.

MESSZIEL

In dieser Anwendung untersuchen wir die viskoelastischen Eigenschaften einer polierten Reifenprobe bei verschiedenen DMA-Frequenzen mit dem leistungsstärksten mechanischen Tester NANOVEA PB1000 Nanoindentation Modus.

NANOVEA

PB1000

TESTBEDINGUNGEN

FREQUENZEN (Hz):

0.1, 1.5, 10, 20

KRIECHZEIT BEI JEDER FREQ.

50 Sekunden

SCHWINGUNGSSPANNUNG

0.1 V

LADESPANNUNG

1 V

Eindringkörpertyp

Sphärisch

Diamant | 100 μm

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Der Frequenzsweep der Dynamisch-Mechanischen Analyse bei maximaler Belastung ermöglicht eine schnelle und einfache Messung der viskoelastischen Eigenschaften der Probe bei verschiedenen Belastungsfrequenzen in einem Versuch. Die Phasenverschiebung und die Amplituden der Last- und Verschiebungswellen bei verschiedenen Frequenzen können zur Berechnung einer Vielzahl grundlegender viskoelastischer Materialeigenschaften verwendet werden, darunter Speichermodus, Verlust Modulus und Tan (δ) wie in den folgenden Schaubildern zusammengefasst.

Die Frequenzen von 1, 5, 10 und 20 Hz in dieser Studie entsprechen Geschwindigkeiten von etwa 7, 33, 67 und 134 km pro Stunde. Wenn die Prüffrequenz von 0,1 auf 20 Hz ansteigt, ist zu beobachten, dass sowohl der Speichermodul als auch der Verlustmodul progressiv ansteigen. Tan (δ) sinkt von ~0,27 auf 0,18, wenn die Frequenz von 0,1 auf 1 Hz ansteigt, und steigt dann allmählich auf ~0,55, wenn die Frequenz von 20 Hz erreicht ist. Der DMA-Frequenzsweep ermöglicht die Messung der Trends von Speichermodul, Verlustmodul und Tan (δ), die Informationen über die Bewegung der Monomere und die Vernetzung sowie den Glasübergang der Polymere liefern. Durch die Erhöhung der Temperatur mit Hilfe einer Heizplatte während des Frequenzsweeps kann ein vollständigeres Bild von der Art der Molekularbewegung unter verschiedenen Testbedingungen gewonnen werden.

ENTWICKLUNG VON LAST UND TIEFE

DES VOLLSTÄNDIGEN DMA-FREQUENZDURCHLAUFS

LAST & TIEFE vs. ZEIT bei unterschiedlichen Frequenzen

SPEICHERMODUL

BEI VERSCHIEDENEN FREQUENZEN

MODULUS VERLUST

BEI VERSCHIEDENEN FREQUENZEN

TAN (δ)

BEI VERSCHIEDENEN FREQUENZEN

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Leistungsfähigkeit des NANOVEA-Mechanik-Testers bei der Durchführung des Frequenzsweep-Tests der Dynamisch-Mechanischen Analyse an einer Reifenprobe demonstriert. Dieser Test misst die viskoelastischen Eigenschaften des Reifens bei verschiedenen Belastungsfrequenzen. Der Reifen zeigt einen Anstieg des Speicher- und Verlustmoduls, wenn die Belastungsfrequenz von 0,1 bis 20 Hz ansteigt. Sie liefert nützliche Informationen über das viskoelastische Verhalten des Reifens bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was für die Verbesserung der Leistung von Reifen für eine reibungslosere und sicherere Fahrt unerlässlich ist. Der DMA-Frequenzsweep-Test kann bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden, um die realistische Arbeitsumgebung des Reifens unter verschiedenen Witterungsbedingungen zu simulieren.

Im Nanomodul des NANOVEA Mechanik-Testers ist die Lastaufbringung mit dem schnellen Piezo unabhängig von der Lastmessung durch einen separaten hochempfindlichen Dehnungsmessstreifen. Dies bietet einen deutlichen Vorteil bei der dynamisch-mechanischen Analyse, da die Phase zwischen Tiefe und Last direkt aus den vom Sensor erfassten Daten gemessen wird. Die Berechnung der Phase erfolgt direkt und erfordert keine mathematische Modellierung, die den resultierenden Verlust- und Speichermodul mit Ungenauigkeiten versieht. Dies ist bei einem spulenbasierten System nicht der Fall.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die DMA den Verlust- und Speichermodul, den komplexen Modul und Tan (δ) als Funktion der Kontakttiefe, der Zeit und der Frequenz misst. Die optionale Heizstufe ermöglicht die Bestimmung der Phasenübergangstemperatur von Materialien während der DMA. Die NANOVEA Mechanischen Prüfgeräte bieten unübertroffene Multifunktions-Nano- und -Mikro-Module auf einer einzigen Plattform. Sowohl das Nano- als auch das Mikromodul verfügen über die Modi Kratz-, Härte- und Verschleißprüfung und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Prüfspektrum, das mit einem einzigen Modul möglich ist.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

Topographie der Fresnel-Linse

FRESNEL-LINSENTOPOGRAPHIEVERWENDUNG 3D BERÜHRUNGSLOSES OPTISCHES PROFILOMETER

Vorbereitet von

Duanjie Li & Benjamin Mell

EINFÜHRUNG

Eine Linse ist ein optisches Gerät mit axialer Symmetrie, das Licht durchlässt und bricht. Eine einfache Linse besteht aus einer einzigen optischen Komponente zur Konvergenz oder Divergenz des Lichts. Obwohl kugelförmige Oberflächen nicht die ideale Form für die Herstellung einer Linse sind, werden sie häufig als einfachste Form verwendet, zu der Glas geschliffen und poliert werden kann.

Eine Fresnel-Linse besteht aus einer Reihe von konzentrischen Ringen, die dünne Teile einer einfachen Linse mit einer Breite von nur wenigen tausendstel Zoll sind. Fresnel-Linsen haben eine große Öffnung und eine kurze Brennweite, wobei die kompakte Bauweise das Gewicht und das benötigte Materialvolumen im Vergleich zu herkömmlichen Linsen mit den gleichen optischen Eigenschaften reduziert. Aufgrund der dünnen Geometrie der Fresnel-Linse geht nur ein sehr geringer Teil des Lichts durch Absorption verloren.

BEDEUTUNG DER BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETRIE FÜR DIE PRÜFUNG VON FRESNELLINSEN

Fresnel-Linsen werden häufig in der Automobilindustrie, in Leuchttürmen, in der Solarenergie und in optischen Landesystemen für Flugzeugträger eingesetzt. Das Formen oder Stanzen der Linsen aus transparentem Kunststoff kann ihre Herstellung kostengünstiger machen. Die Servicequalität von Fresnel-Linsen hängt hauptsächlich von der Präzision und Oberflächenqualität ihres konzentrischen Rings ab. Im Gegensatz zu einer Touch-Probe-Technik bietet NANOVEA Optische Profiler Führen Sie 3D-Oberflächenmessungen durch, ohne die Oberfläche zu berühren, und vermeiden Sie so das Risiko neuer Kratzer. Die Chromatic Light-Technik eignet sich ideal zum präzisen Scannen komplexer Formen, beispielsweise von Linsen unterschiedlicher Geometrie.

SCHEMA EINER FRESNEL-LINSE

Transparente Fresnel-Linsen aus Kunststoff können durch Gießen oder Stanzen hergestellt werden. Eine genaue und effiziente Qualitätskontrolle ist von entscheidender Bedeutung, um fehlerhafte Produktionsformen oder -stempel zu erkennen. Durch Messung der Höhe und des Abstands der konzentrischen Ringe können Produktionsabweichungen festgestellt werden, indem die gemessenen Werte mit den vom Hersteller der Linse angegebenen Spezifikationswerten verglichen werden.

Durch die genaue Messung des Linsenprofils wird sichergestellt, dass die Formen oder Stempel entsprechend den Spezifikationen des Herstellers bearbeitet werden. Außerdem kann sich der Stempel im Laufe der Zeit abnutzen, so dass er seine ursprüngliche Form verliert. Eine ständige Abweichung von den Spezifikationen des Glasherstellers ist ein eindeutiges Indiz dafür, dass die Form ersetzt werden muss.

MESSZIEL

In dieser Anwendung präsentieren wir NANOVEA ST400, einen 3D-Berührungslos-Profiler mit einem Hochgeschwindigkeitssensor, der eine umfassende 3D-Profilanalyse einer optischen Komponente mit komplexer Form ermöglicht. Um die bemerkenswerten Fähigkeiten unserer Chromatic Light-Technologie zu demonstrieren, wird die Konturanalyse an einer Fresnel-Linse durchgeführt.

NANOVEA ST400 Großfläche
Optisches 3D-Profilometer

Die für diese Studie verwendete 2,3" x 2,3" Acryl-Fresnel-Linse besteht aus

eine Reihe von konzentrischen Ringen und ein komplexes, gezacktes Querschnittsprofil.

Es hat eine Brennweite von 1,5" und einen effektiven Durchmesser von 2,0",

125 Rillen pro Zoll und einem Brechungsindex von 1,49.

Der NANOVEA ST400-Scan der Fresnellinse zeigt eine deutliche Zunahme der Höhe der konzentrischen Ringe, die sich vom Zentrum nach außen bewegen.

2D FALSCH FARBE

Darstellung der Höhe

3D-ANSICHT

EXTRAHIERTES PROFIL

GIPFEL & TAL

Dimensionale Analyse des Profils

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, dass der berührungslose optische Profiler NANOVEA ST400 die Oberflächentopographie von Fresnel-Linsen genau misst.

Mit der NANOVEA-Analysesoftware können die Abmessungen der Höhe und der Teilung anhand des komplexen gezackten Profils genau bestimmt werden. Benutzer können die Qualität der Produktionsformen oder Stempel effektiv prüfen, indem sie die Ringhöhe und -teilung der hergestellten Linsen mit der idealen Ringspezifikation vergleichen.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar.

NANOVEA Optical Profilers messen praktisch jede Oberfläche in Bereichen wie Halbleiter, Mikroelektronik, Solar, Faseroptik, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Metallurgie, Bearbeitung, Beschichtungen, Pharmazeutik, Biomedizin, Umwelt und vielen anderen.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

Inspektion bearbeiteter Teile

BEARBEITETE TEILE

Prüfung anhand eines CAD-Modells mit 3D-Profilometrie

Autor:

Duanjie Li, PhD

Überarbeitet von

Jocelyn Esparza

EINFÜHRUNG

Die Nachfrage nach Präzisionsbearbeitung zur Herstellung komplexer Geometrien ist in vielen Branchen gestiegen. Von der Luft- und Raumfahrt über die Medizintechnik und die Automobilindustrie bis hin zu technischen Getrieben, Maschinen und Musikinstrumenten - die ständige Innovation und Weiterentwicklung treiben die Erwartungen und Genauigkeitsstandards in neue Höhen. Infolgedessen steigt die Nachfrage nach strengen Inspektionstechniken und -instrumenten, um die höchste Qualität der Produkte zu gewährleisten.

Die Bedeutung der berührungslosen 3D-Profilometrie für die Teileinspektion

Der Vergleich der Eigenschaften von bearbeiteten Teilen mit ihren CAD-Modellen ist wichtig, um die Toleranzen und die Einhaltung der Produktionsstandards zu überprüfen. Die Inspektion während der Betriebszeit ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, da der Verschleiß der Teile ihren Austausch erforderlich machen kann. Die rechtzeitige Feststellung von Abweichungen von den geforderten Spezifikationen hilft, kostspielige Reparaturen, Produktionsstopps und einen schlechten Ruf zu vermeiden.

Im Gegensatz zu einer Touch-Probe-Technik ist die NANOVEA Optische Profiler Führen Sie berührungslose 3D-Oberflächenscans durch und ermöglichen Sie so schnelle, präzise und zerstörungsfreie Messungen komplexer Formen mit höchster Genauigkeit.

MESSZIEL

In dieser Anwendung zeigen wir NANOVEA HS2000, einen berührungslosen 3D-Profiler mit einem Hochgeschwindigkeitssensor, der eine umfassende Oberflächeninspektion von Dimension, Radius und Rauheit durchführt.

Und das alles in weniger als 40 Sekunden.

NANOVEA

HS2000

CAD-MODELL

Eine präzise Messung der Abmessungen und der Oberflächenrauheit des bearbeiteten Teils ist entscheidend, um sicherzustellen, dass es den gewünschten Spezifikationen, Toleranzen und Oberflächengüten entspricht. Das 3D-Modell und die technische Zeichnung des zu prüfenden Teils sind unten dargestellt.

FALSCHE FARBANSICHT

Die Falschfarbenansicht des CAD-Modells und die gescannte Oberfläche des bearbeiteten Teils werden in ABBILDUNG 3 verglichen. Die Höhenvariation auf der Probenoberfläche ist an der Farbänderung zu erkennen.

Aus dem 3D-Oberflächenscan werden drei 2D-Profile extrahiert, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt, um die Maßtoleranz des bearbeiteten Teils weiter zu überprüfen.

PROFILVERGLEICH & ERGEBNISSE

Die Profile 1 bis 3 sind in ABBILDUNG 3 bis 5 dargestellt. Die quantitative Toleranzprüfung wird durch den Vergleich des gemessenen Profils mit dem CAD-Modell durchgeführt, um strenge Fertigungsstandards einzuhalten. Profil 1 und Profil 2 messen den Radius verschiedener Bereiche auf dem gekrümmten, bearbeiteten Teil. Die Höhenabweichung von Profil 2 beträgt 30 µm über eine Länge von 156 mm, was der gewünschten Toleranzanforderung von ±125 µm entspricht.

Durch die Festlegung eines Toleranzgrenzwerts kann die Analysesoftware automatisch feststellen, ob das bearbeitete Teil bestanden oder nicht bestanden wurde.

Die Rauheit und Gleichmäßigkeit der Oberfläche des bearbeiteten Teils spielen eine wichtige Rolle bei der Gewährleistung seiner Qualität und Funktionalität. ABBILDUNG 6 zeigt einen extrahierten Oberflächenbereich aus dem übergeordneten Scan des bearbeiteten Teils, der zur Quantifizierung der Oberflächengüte verwendet wurde. Die durchschnittliche Oberflächenrauhigkeit (Sa) wurde mit 2,31 µm berechnet.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, wie der berührungslose Profiler NANOVEA HS2000, ausgestattet mit einem Hochgeschwindigkeitssensor, eine umfassende Oberflächeninspektion von Abmessungen und Rauheit durchführt.

Hochauflösende Scans ermöglichen es dem Benutzer, die detaillierte Morphologie und die Oberflächenmerkmale von bearbeiteten Teilen zu messen und sie quantitativ mit ihren CAD-Modellen zu vergleichen. Das Gerät ist auch in der Lage, jegliche Defekte wie Kratzer und Risse zu erkennen.

Die fortschrittliche Konturanalyse dient als unvergleichliches Werkzeug, um nicht nur festzustellen, ob die bearbeiteten Teile den vorgegebenen Spezifikationen entsprechen, sondern auch um die Ausfallmechanismen der verschlissenen Komponenten zu bewerten.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der Berechnungen dar, die mit der fortschrittlichen Analysesoftware möglich sind, die mit jedem NANOVEA Optical Profiler mitgeliefert wird.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

Bewertung des Reibungsverschleißes

BEWERTUNG VON REIBUNGSVERSCHLEISS

Autor:

Duanjie Li, PhD

Überarbeitet von

Jocelyn Esparza

EINFÜHRUNG

Reibung ist "ein spezieller Verschleißprozess, der an der Kontaktfläche zwischen zwei Werkstoffen auftritt, die unter Belastung stehen und durch Schwingungen oder andere Kräfte einer geringen Relativbewegung ausgesetzt sind". Wenn Maschinen in Betrieb sind, treten zwangsläufig Schwingungen in Verbindungen auf, die verschraubt oder verstiftet sind, zwischen Bauteilen, die sich nicht bewegen sollen, und in schwingenden Kupplungen und Lagern. Die Amplitude solcher relativen Gleitbewegungen liegt oft in der Größenordnung von Mikrometern bis Millimetern. Solche sich wiederholenden Bewegungen mit geringer Amplitude führen zu schwerwiegendem lokalem mechanischem Verschleiß und Materialübertrag an der Oberfläche, was zu einer verringerten Produktionseffizienz und Maschinenleistung oder sogar zu Schäden an der Maschine führen kann.

Bedeutung der quantitativen
Bewertung des Reibungsverschleißes

Beim Reibverschleiß treten häufig mehrere komplexe Verschleißmechanismen an der Kontaktfläche auf, darunter Zweikörperabrieb, Adhäsion und/oder Reibermüdungsverschleiß. Um den Reibverschleißmechanismus zu verstehen und das beste Material für den Reibverschleißschutz auszuwählen, ist eine zuverlässige und quantitative Bewertung des Reibverschleißes erforderlich. Das Reibverschleißverhalten wird maßgeblich von der Arbeitsumgebung wie Verschiebungsamplitude, normaler Belastung, Korrosion, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Schmierung beeinflusst. Ein vielseitiges Tribometer das die verschiedenen realistischen Arbeitsbedingungen simulieren kann, ist ideal für die Bewertung des Reibverschleißes.

Steven R. Lampman, ASM-Handbuch: Band 19: Ermüdung und Bruch
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir das Abnutzungsverhalten einer Probe aus Edelstahl SS304 bei verschiedenen Schwinggeschwindigkeiten und Temperaturen untersucht, um die Fähigkeit von NANOVEA T50 Tribometer zur kontrollierten und überwachten Simulation des Reibungsverschleißprozesses von Metall.

NANOVEA

T50

TESTBEDINGUNGEN

Die Fretting-Verschleißfestigkeit einer Probe aus Edelstahl SS304 wurde bewertet durch NANOVEA Tribometer mit linearem Hubkolben-Verschleißmodul. Als Gegenmaterial wurde eine WC-Kugel (6 mm Durchmesser) verwendet. Die Verschleißspur wurde mit einem NANOVEA Berührungsloses 3D-Profiliergerät.

Der Fretting-Test wurde bei Raumtemperatur (RT) und 200 °C, um die Auswirkung der hohen Temperatur auf die Verschleißfestigkeit der SS304-Probe zu untersuchen. Eine Heizplatte auf dem Probentisch erwärmte die Probe während des Reibungstests auf 200 °C. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=V/(F×s), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normallast, und s ist die Gleitstrecke.

Bitte beachten Sie, dass eine WC-Kugel als Gegenmaterial in dieser Studie als Beispiel verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlicher Form und Oberflächenbeschaffenheit kann mit einer kundenspezifischen Vorrichtung verwendet werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

PRÜFPARAMETER

der Verschleißmessungen

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Das 3D-Verschleißspurprofil ermöglicht die direkte und genaue Bestimmung des Volumenverlustes der Verschleißspur, der durch die NANOVEA Software zur Analyse von Bergen.

Der Pendelverschleißtest bei einer niedrigen Drehzahl von 100 U/min und Raumtemperatur zeigt eine kleine Verschleißspur von 0,014 mm³. Im Vergleich dazu erzeugt der bei einer hohen Drehzahl von 1000 U/min durchgeführte Fretting-Verschleißtest eine wesentlich größere Verschleißspur mit einem Volumen von 0,12 mm³. Dieser beschleunigte Verschleißprozess kann auf die hohe Hitze und die starken Vibrationen während des Fretting-Verschleißtests zurückgeführt werden, die die Oxidation der metallischen Ablagerungen fördern und zu einem starken Dreikörperabrieb führen. Der Fretting-Verschleißtest bei einer erhöhten Temperatur von 200 °C bildet eine größere Verschleißspur von 0,27 mm³.

Die Abnutzungsprüfung bei 1000 U/min hat eine Abnutzungsrate von 1,5×10^-4 mm³/Nm, das ist fast das Neunfache im Vergleich zu einem Pendelverschleißtest bei 100 U/min. Der Fretting-Verschleißtest bei erhöhter Temperatur beschleunigt die Verschleißrate weiter auf 3,4×10^-4 mm³/Nm. Ein solch signifikanter Unterschied in der bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Temperaturen gemessenen Verschleißfestigkeit zeigt, wie wichtig eine angemessene Simulation des Reibungsverschleißes für realistische Anwendungen ist.

Das Verschleißverhalten kann sich drastisch ändern, wenn kleine Änderungen der Prüfbedingungen in das Tribosystem eingeführt werden. Die Vielseitigkeit des NANOVEA Das Tribometer ermöglicht die Messung des Verschleißes unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich hoher Temperatur, Schmierung, Korrosion und anderen. Dank der präzisen Geschwindigkeits- und Positionssteuerung durch den fortschrittlichen Motor kann der Benutzer den Verschleißtest bei Geschwindigkeiten von 0,001 bis 5000 U/min durchführen, was es zu einem idealen Werkzeug für Forschungs-/Testlabors macht, um den Reibungsverschleiß unter verschiedenen tribologischen Bedingungen zu untersuchen.

Abnutzungsspuren bei verschiedenen Bedingungen

unter dem Lichtmikroskop

3D WEAR TRACKs PROFILE

mehr Einblick in das grundlegende Verständnis zu geben
des Fretting-Verschleißmechanismus

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG DER VERSCHLEISSSPUREN

gemessen mit verschiedenen Testparametern

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit der NANOVEA Tribometer zur kontrollierten und quantitativen Bewertung des Reibungsverschleißverhaltens einer Probe aus Edelstahl SS304.

Die Prüfgeschwindigkeit und die Temperatur spielen eine entscheidende Rolle für die Abnutzungsbeständigkeit der Werkstoffe durch Reiben. Die hohe Hitze und die starken Vibrationen während der Reibung führten zu einem erheblich beschleunigten Verschleiß der SS304-Probe um fast das Neunfache. Die erhöhte Temperatur von 200 °C erhöhte sich die Verschleißrate weiter auf 3,4×10^-4 mm³/Nm.

Die Vielseitigkeit des NANOVEA Tribometer ist ein ideales Werkzeug für die Messung von Reibungsverschleiß unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich hoher Temperatur, Schmierung, Korrosion und anderen.

NANOVEA Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Unser unübertroffenes Angebot ist eine ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

Kugellager: Studie zur Verschleißfestigkeit bei hoher Krafteinwirkung

EINFÜHRUNG

Ein Kugellager verwendet Kugeln, um die Rotationsreibung zu reduzieren und radiale und axiale Belastungen zu unterstützen. Die rollenden Kugeln zwischen den Lagerringen erzeugen einen viel niedrigeren Reibungskoeffizienten (COF) im Vergleich zu zwei gegeneinander gleitenden flachen Oberflächen. Kugellager sind häufig hohen Kontaktspannungen, Verschleiß und extremen Umweltbedingungen wie hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher ist die Verschleißfestigkeit der Kugeln unter hohen Belastungen und extremen Umgebungsbedingungen von entscheidender Bedeutung für die Verlängerung der Lebensdauer des Kugellagers, um Kosten und Zeit für Reparaturen und Austausch zu reduzieren.
Kugellager sind in fast allen Anwendungen zu finden, in denen bewegliche Teile beteiligt sind. Sie werden häufig in der Transportindustrie wie der Luft- und Raumfahrt und im Automobilbereich sowie in der Spielzeugindustrie eingesetzt, die Artikel wie Fidget Spinner und Skateboards herstellt.

BEWERTUNG DES KUGELLAGERVERSCHLEISSES BEI HOHEN BELASTUNGEN

Kugellager können aus einer umfangreichen Liste von Materialien hergestellt werden. Zu den häufig verwendeten Materialien gehören Metalle wie Edelstahl und Chromstahl oder Keramiken wie Wolframkarbid (WC) und Siliziumnitrid (Si3n4). Um sicherzustellen, dass die hergestellten Kugellager die erforderliche Verschleißfestigkeit aufweisen, die für die jeweiligen Einsatzbedingungen ideal ist, sind zuverlässige tribologische Untersuchungen unter hohen Belastungen erforderlich. Tribologische Tests helfen dabei, das Verschleißverhalten verschiedener Kugellager auf kontrollierte und überwachte Weise zu quantifizieren und gegenüberzustellen, um den besten Kandidaten für die Zielanwendung auszuwählen.

MESSZIEL

In dieser Studie stellen wir einen Nanovea vor Tribometer als ideales Hilfsmittel zum Vergleich der Verschleißfestigkeit verschiedener Kugellager unter hoher Belastung.

Abbildung 1: Aufbau des Lagertests.

PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient COF und die Verschleißfestigkeit der Kugellager aus verschiedenen Materialien wurden mit einem Nanovea-Tribometer bewertet. Als Gegenmaterial wurde Schleifpapier der Körnung P100 verwendet. Die Verschleißspuren der Kugellager wurden mittels a untersucht Nanovea 3D Non-Contact Profiler nach Abschluss der Verschleißtests. Die Testparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=V/(F×s), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normalbelastung und s ist die Gleitstrecke. Ballabnutzungsnarben wurden bewertet von a Nanovea 3D-Berührungsloser Profiler zur Gewährleistung einer präzisen Messung des Verschleißvolumens.
Die automatisierte motorisierte radiale Positionierungsfunktion ermöglicht es dem Tribometer, den Radius der Verschleißspur während der Dauer eines Tests zu verringern. Dieser Testmodus wird Spiraltest genannt und stellt sicher, dass das Kugellager immer auf einer neuen Oberfläche des Schleifpapiers gleitet (Abbildung 2). Es verbessert die Wiederholbarkeit der Verschleißfestigkeitsprüfung der Kugel erheblich. Der fortschrittliche 20-Bit-Encoder für die interne Geschwindigkeitssteuerung und der 16-Bit-Encoder für die externe Positionssteuerung liefern präzise Echtzeit-Geschwindigkeits- und Positionsinformationen und ermöglichen eine kontinuierliche Anpassung der Drehzahl, um eine konstante lineare Gleitgeschwindigkeit am Kontakt zu erreichen.
Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie Schleifpapier der Körnung P100 verwendet wurde, um das Verschleißverhalten zwischen verschiedenen Kugelmaterialien zu vereinfachen, und dass es durch jede andere Materialoberfläche ersetzt werden kann. Jedes feste Material kann ersetzt werden, um die Leistung einer Vielzahl von Materialkupplungen unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen, beispielsweise in Flüssigkeiten oder Schmiermitteln, zu simulieren.

Abbildung 2: Darstellung der Spiraldurchgänge für das Kugellager auf dem Schleifpapier.

Tabelle 1: Prüfparameter der Verschleißmessungen.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Verschleißrate ist ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer des Kugellagers, während ein niedriger COF wünschenswert ist, um die Leistung und Effizienz des Lagers zu verbessern. Abbildung 3 vergleicht die Entwicklung des COF für verschiedene Kugellager im Vergleich zum Sandpapier während der Tests. Die Cr-Stahlkugel weist während des Verschleißtests einen erhöhten COF von ~0,4 auf, verglichen mit ~0,32 und ~0,28 für SS440- und Al2O3-Kugellager. Andererseits weist die WC-Kugel während des gesamten Verschleißtests einen konstanten COF von ~0,2 auf. Während jedes Tests sind beobachtbare COF-Schwankungen zu beobachten, die auf Vibrationen zurückzuführen sind, die durch die Gleitbewegung der Kugellager auf der rauen Sandpapieroberfläche verursacht werden.

Abbildung 3: Entwicklung des COF während der Verschleißtests.

Abbildung 4 und Abbildung 5 vergleichen die Verschleißspuren der Kugellager, nachdem sie mit einem optischen Mikroskop bzw. einem berührungslosen optischen Profilmessgerät von Nanovea gemessen wurden, und Tabelle 2 fasst die Ergebnisse der Verschleißspuranalyse zusammen. Der Nanovea 3D-Profiler ermittelt präzise das Verschleißvolumen der Kugellager und ermöglicht so die Berechnung und den Vergleich der Verschleißraten verschiedener Kugellager. Es ist zu beobachten, dass die Cr-Stahl- und SS440-Kugeln nach den Verschleißtests im Vergleich zu den Keramikkugeln, also Al2O3 und WC, viel größere abgeflachte Verschleißnarben aufweisen. Die Kugeln aus Cr-Stahl und SS440 weisen vergleichbare Verschleißraten von 3,7×10-3 bzw. 3,2×10-3 m3/N·m auf. Im Vergleich dazu zeigt die Al2O3-Kugel eine erhöhte Verschleißfestigkeit mit einer Verschleißrate von 7,2×10-4 m3/N·m. Die WC-Kugel weist im flachen Verschleißbahnbereich kaum kleinere Kratzer auf, was zu einer deutlich reduzierten Verschleißrate von 3,3×10-6 mm3/N·m führt.

Abbildung 4: Verschleißnarben der Kugellager nach den Tests.

Abbildung 5: 3D-Morphologie der Verschleißnarben an den Kugellagern.

Tabelle 2: Verschleißnarbenanalyse der Kugellager.

Abbildung 6 zeigt Mikroskopbilder der Verschleißspuren, die durch die vier Kugellager auf dem Schleifpapier entstehen. Es ist offensichtlich, dass die WC-Kugel die stärkste Verschleißspur erzeugte (fast alle Sandpartikel auf ihrem Weg entfernte) und die beste Verschleißfestigkeit besitzt. Im Vergleich dazu hinterließen die Kugeln aus Cr-Stahl und SS440 eine große Menge Metallabrieb auf der Verschleißspur des Schleifpapiers.
Diese Beobachtungen verdeutlichen erneut die Bedeutung des Nutzens eines Spiraltests. Es stellt sicher, dass das Kugellager immer auf einer neuen Oberfläche des Schleifpapiers gleitet, was die Wiederholbarkeit einer Verschleißfestigkeitsprüfung deutlich verbessert.

Abbildung 6: Verschleißspuren auf dem Schleifpapier an verschiedenen Kugellagern.

SCHLUSSFOLGERUNG

Die Verschleißfestigkeit der Kugellager unter hohem Druck spielt eine entscheidende Rolle für ihre Betriebsleistung. Die Keramikkugellager verfügen über eine deutlich verbesserte Verschleißfestigkeit unter hohen Belastungsbedingungen und reduzieren den Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur oder den Austausch von Lagern. In dieser Studie weist das WC-Kugellager im Vergleich zu Stahllagern eine wesentlich höhere Verschleißfestigkeit auf, was es zu einem idealen Kandidaten für Lageranwendungen macht, bei denen starker Verschleiß auftritt.
Ein Nanovea-Tribometer ist mit einem hohen Drehmoment für Lasten bis zu 2000 N und einem präzisen und kontrollierten Motor für Drehzahlen von 0,01 bis 15.000 U/min ausgestattet. Es bietet wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Hochtemperatur-Verschleiß- und Schmiermodule in einem vorintegrierten System verfügbar sind. Dieser unübertroffene Bereich ermöglicht es Benutzern, verschiedene schwere Arbeitsumgebungen der Kugellager zu simulieren, einschließlich hoher Beanspruchung, Verschleiß und hoher Temperatur usw. Es fungiert auch als ideales Werkzeug zur quantitativen Bewertung des tribologischen Verhaltens hochwertiger verschleißfester Materialien unter hohen Belastungen.
Ein berührungsloser 3D-Profiler von Nanovea liefert präzise Verschleißvolumenmessungen und fungiert als Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, was zusätzliche Einblicke in das grundlegende Verständnis der Verschleißmechanismen liefert.

Vorbereitet von
Duanjie Li, PhD, Jonathan Thomas und Pierre Leroux

Seite 1 von 212

Produkte

Profilometer

PS50 - Advanced Compact

JR25 - Portable Compact

JR100 - Portable High Speed

ST400 - Modular Standard

ST500 - Modular Large Area

AFM Pro - Extended Range

In-Line QC - Roughness, Texture & Finish

Nanoindenters & Scratch Testers

CB500 - Advanced Compact

PB1000 - Advanced Large Platform

Vakuum-Systeme

Tribometer

T50 - Free Weight Benchtop

T200 - Pneumatic Compact

T2000 - Pneumatic High Load

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

CR-8R - Ball Cratering Coating Thickness

Vakuum-Systeme

Labor-Dienstleistungen

Berührungslose profilometrische Analyse

Eindrückung & Kratzprüfung

Prüfung von Reibung und Verschleiß

Oberflächentopologie und chemische Analyse

Prüf-Methoden

Profilometrie

Rauhigkeit & Oberfläche

Geometrie & Form

Ebenheit und Verzug

Volumen & Fläche

Stufenhöhe und -dicke

Textur & Maserung

Mechanische Prüfung

Eindrücken | Härte & Elastizität

Eindrücken | Spannung vs. Dehnung

Einrückung | Kriechen & Relaxation

Vertiefung | Verlust & Lagerung

Eindrücken | Bruchzähigkeit

Eindrücken | Streckgrenze & Ermüdung

Hohe Temperatur

Luftfeuchtigkeit

Vakuum

Scratch | Versagen des Klebers

Scratch | Kohäsives Versagen

Scratch | Ritzhärte

Scratch | Multi-Pass-Verschleiß

Reibung | Reibungskoeffizient

Niedrige Temperatur

Flüssig

Tribologische Prüfung

Linear

Rotation

Block on Ring

Ring on Ring

Scratch Test

Bremsen-Reibungsprüfung

Hohe Temperatur

Niedrige Temperatur

Korrosion

Flüssig

Luftfeuchtigkeit & Inertgase

Vakuum

Anwendungen

Nach Industrie

Bio und Biotechnologie

Baumaterialien

Konsumgüter

Medizinische Geräte

Metallherstellung und -bearbeitung

Öl und Bergbau

Optik

Farbe und Beschichtung

Pharmazeutische

Halbleiter und Elektronik

Textilien, Leder und Papier

Werkzeuge und Maschinen

Bodentransport

Raumfahrt & Luftfahrt

Militär & Verteidigung