Kategorie: Anwendungshinweise

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?

Gesteinsabriebprüfung mit NANOVEA Tribometer

ROCK-TRIBOLOGIE:ROCK-ABRASIVITÄTSPRÜFUNG MIT DEM NANOVEA-TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Gesteine bestehen aus Mineralkörnern. Die Art und Häufigkeit dieser Mineralien sowie die chemische Bindungsstärke zwischen den Mineralkörnern bestimmen die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Gesteine. Abhängig von den geologischen Gesteinszyklen können Gesteine Transformationen durchlaufen und werden typischerweise in drei Haupttypen eingeteilt: magmatisch, sedimentär und metamorph. Diese Gesteine weisen unterschiedliche mineralische und chemische Zusammensetzungen, Permeabilitäten und Partikelgrößen auf, und diese Eigenschaften tragen zu ihrer unterschiedlichen Verschleißfestigkeit bei. Die Gesteinstribologie untersucht das Verschleiß- und Reibungsverhalten von Gesteinen unter verschiedenen geologischen und Umweltbedingungen.

BEDEUTUNG DER PRÜFUNG VON STEINABRASIVMITTELN

Während des Bohrvorgangs von Bohrlöchern treten verschiedene Arten der Abnutzung des Gesteins, einschließlich Abrieb und Reibung, auf, was zu erheblichen direkten Verlusten und Folgeverlusten führt, die auf die Reparatur und den Austausch von Bohrern und Schneidwerkzeugen zurückzuführen sind. Daher ist die Untersuchung der Bohrbarkeit, Bohrbarkeit, Schneidbarkeit und Abrasivität von Gesteinen in der Öl-, Gas- und Bergbauindustrie von entscheidender Bedeutung. Die Gesteinstribologieforschung spielt eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der effizientesten und kostengünstigsten Bohrstrategien, steigert dadurch die Gesamteffizienz und trägt zur Einsparung von Materialien, Energie und Umwelt bei. Darüber hinaus ist die Minimierung der Oberflächenreibung äußerst vorteilhaft, da sie die Wechselwirkung zwischen Bohrmeißel und Gestein verringert, was zu einem geringeren Werkzeugverschleiß und einer verbesserten Bohr-/Schneideffizienz führt.

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir die tribologischen Eigenschaften zweier Gesteinsarten simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des NANOVEA T50 Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate von Gesteinen.

NANOVEA T50 Kompakt
Tribometer mit freiem Gewicht

DIE MUSTER

TESTVORGANG

Der Reibungskoeffizient, COF und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben wurden mit dem NANOVEA T50 Tribometer unter Verwendung des Pin-on-Disc-Verschleißmoduls bewertet. Als Gegenmaterial wurde eine Al2O3-Kugel (6 mm Durchmesser) verwendet. Nach den Tests wurde die Verschleißspur mit dem NANOVEA Non-Contact Profilometer untersucht. Nachfolgend sind die Testparameter zusammengefasst.

Die Verschleißrate K wurde mithilfe der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) bewertet, wobei V das verschlissene Volumen, F die normale Belastung, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Umdrehungen. Oberflächenrauheit und Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA Optical Profilometer bewertet und die Verschleißspurmorphologie wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie als Beispiel die Al2O3-Kugel als Gegenmaterial verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen kann mit einer maßgeschneiderten Vorrichtung aufgetragen werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

PRÜFPARAMETER

PROBEN	Kalkstein, Marmor
VERSCHLEISSRINGRADIUS	5 mm
NORMALE KRAFT	10 N
TESTDAUER	10 Minuten
SPEED	100 U/min

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Härte (H) und der Elastizitätsmodul (E) der Kalkstein- und Marmorproben werden in ABBILDUNG 1 unter Verwendung des Micro Indentation-Moduls des NANOVEA Mechanical Tester verglichen. Die Kalksteinprobe wies mit 0,53 bzw. 25,9 GPa niedrigere H- und E-Werte auf, im Gegensatz zu Marmor, der Werte von 1,07 für H und 49,6 GPa für E aufwies. Die relativ höhere Variabilität der H- und E-Werte, die in beobachtet wurde Die Kalksteinprobe ist auf ihre größere Oberflächeninhomogenität zurückzuführen, die auf ihre körnigen und porösen Eigenschaften zurückzuführen ist.

Die Entwicklung des COF während der Verschleißtests der beiden Gesteinsproben ist in ABBILDUNG 2 dargestellt. Der Kalkstein erfährt zu Beginn des Verschleißtests zunächst einen schnellen Anstieg des COF auf etwa 0,8 und behält diesen Wert während der gesamten Testdauer bei. Diese abrupte COF-Änderung kann auf das Eindringen der Al2O3-Kugel in die Gesteinsprobe zurückgeführt werden, was auf einen schnellen Verschleiß- und Aufrauungsprozess an der Kontaktfläche innerhalb der Verschleißspur zurückzuführen ist. Im Gegensatz dazu zeigt die Marmorprobe nach etwa 5 Metern Gleitstrecke einen deutlichen Anstieg des COF auf höhere Werte, was auf ihre überlegene Verschleißfestigkeit im Vergleich zum Kalkstein hinweist.

ABBILDUNG 1: Vergleich der Härte und des Elastizitätsmoduls zwischen Kalkstein- und Marmorproben.

ABBILDUNG 2: Entwicklung des Reibungskoeffizienten (COF) in Kalkstein- und Marmorproben während Verschleißtests.

ABBILDUNG 3 vergleicht die Querschnittsprofile der Kalkstein- und Marmorproben nach den Verschleißtests und Tabelle 1 fasst die Ergebnisse der Verschleißspuranalyse zusammen. ABBILDUNG 4 zeigt die Verschleißspuren der Proben unter dem Lichtmikroskop. Die Bewertung der Verschleißspur stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Die Marmorprobe, die über einen längeren Zeitraum einen niedrigen COF beibehält, weist eine geringere Verschleißrate von 0,0046 mm³/N m auf, verglichen mit 0,0353 mm³/N m beim Kalkstein. Die überlegenen mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu einer besseren Verschleißfestigkeit als Kalkstein bei.

ABBILDUNG 3: Querschnittsprofile der Verschleißspuren.

TABELLE 1: Ergebniszusammenfassung der Verschleißspuranalyse.

ABBILDUNG 4: Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA Tribometers demonstriert, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißfestigkeit von zwei Gesteinsproben, nämlich Marmor und Kalkstein, auf kontrollierte und überwachte Weise zu bewerten. Die hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Marmor tragen zu seiner außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit bei. Diese Eigenschaft macht das Bohren oder Schneiden in der Öl- und Gasindustrie zu einer Herausforderung. Umgekehrt verlängert es seine Lebensdauer deutlich, wenn es als hochwertiger Baustoff, beispielsweise als Bodenfliese, verwendet wird.

NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen und entsprechen den ISO- und ASTM-Standards sowohl im Rotations- als auch im Linearmodus. Darüber hinaus bietet es optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, die alle nahtlos in ein System integriert sind. Das unübertroffene Sortiment von NANOVEA ist eine ideale Lösung zur Bestimmung des gesamten Spektrums tribologischer Eigenschaften dünner oder dicker, weicher oder harter Beschichtungen, Filme, Substrate und Gesteinstribologie.

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Analyse kugelgestrahlter Oberflächen

ANALYSE DER KUGELGESTRAHLTEN OBERFLÄCHE

VERWENDUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Beim Kugelstrahlen handelt es sich um einen Prozess, bei dem ein Substrat mit kugelförmigen Metall-, Glas- oder Keramikperlen – allgemein als „Schuss“ bezeichnet – mit einer Kraft bombardiert wird, die darauf abzielt, der Oberfläche Plastizität zu verleihen. Die Analyse der Eigenschaften vor und nach dem Strahlen liefert entscheidende Erkenntnisse zur Verbesserung des Prozessverständnisses und der Prozesskontrolle. Besonders hervorzuheben sind die Oberflächenrauheit und die Abdeckungsfläche der durch den Schuss hinterlassenen Grübchen.

Bedeutung des berührungslosen 3D-Profilometers für die Analyse kugelgestrahlter Oberflächen

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kontaktprofilometern, die traditionell für die Analyse von kugelgestrahlten Oberflächen verwendet werden, liefert die berührungslose 3D-Messung ein vollständiges 3D-Bild, um ein umfassenderes Verständnis des Erfassungsbereichs und der Oberflächentopographie zu ermöglichen. Ohne 3D-Funktionen stützt sich eine Inspektion ausschließlich auf 2D-Informationen, die zur Charakterisierung einer Oberfläche nicht ausreichen. Das Verständnis der Topographie, des Abdeckungsbereichs und der Rauheit in 3D ist der beste Ansatz zur Steuerung oder Verbesserung des Strahlprozesses. NANOVEAs Berührungslose 3D-Profilometer Nutzen Sie die Chromatic Light-Technologie mit der einzigartigen Fähigkeit, steile Winkel auf bearbeiteten und gestrahlten Oberflächen zu messen. Wenn andere Techniken aufgrund von Sondenkontakt, Oberflächenschwankungen, Winkel oder Reflexionsvermögen keine zuverlässigen Daten liefern, sind NANOVEA-Profilometer außerdem erfolgreich.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das berührungslose Profilometer NANOVEA ST400 zur Messung von Rohmaterial und zwei unterschiedlich gestrahlten Oberflächen für eine vergleichende Überprüfung verwendet. Es gibt eine endlose Liste von Oberflächenparametern, die nach dem 3D-Oberflächenscan automatisch berechnet werden können. Hier überprüfen wir die 3D-Oberfläche und wählen Bereiche von Interesse für die weitere Analyse aus, einschließlich der Quantifizierung und Untersuchung der Rauheit, Grübchen und Oberfläche.

NANOVEA ST400 Standard
Optisches 3D-Profilometer

DIE PROBE

ERGEBNISSE

STAHLOBERFLÄCHE

ISO 25178 3D-RAUHEITSPARAMETER

SA	0,399 μm	Durchschnittliche Rauheit
Sq	0,516 μm	RMS-Rauheit
Sz	5,686 μm	Maximaler Abstand vom Gipfel zum Tal
Sp	2,976 μm	Maximale Spitzenhöhe
Sv	2,711 μm	Maximale Grubentiefe
Sku	3.9344	Kurtosis
Ssk	-0.0113	Schrägheit
Sal	0,0028 mm	Autokorrelationslänge
Str	0.0613	Textur-Seitenverhältnis
Sdar	26,539 mm²	Oberfläche
Svk	0,589 μm	Reduzierte Taltiefe

ERGEBNISSE

GESTRAHLTE OBERFLÄCHE 1

OBERFLÄCHENABDECKUNG 98.105%

ISO 25178 3D-RAUHEITSPARAMETER

Sa	4,102 μm	Durchschnittliche Rauheit
Sq	5,153 μm	RMS-Rauheit
Sz	44,975 μm	Maximaler Abstand vom Gipfel zum Tal
Sp	24,332 μm	Maximale Spitzenhöhe
Sv	20,644 μm	Maximale Grubentiefe
Sku	3.0187	Kurtosis
Ssk	0.0625	Schrägheit
Sal	0,0976 mm	Autokorrelationslänge
Str	0.9278	Textur-Seitenverhältnis
Sdar	29,451 mm²	Oberfläche
Svk	5,008 μm	Reduzierte Taltiefe

ERGEBNISSE

GESTRAHLTE OBERFLÄCHE 2

OBERFLÄCHENABDECKUNG 97.366%

ISO 25178 3D-RAUHEITSPARAMETER

Sa	4.330 μm	Durchschnittliche Rauheit
Sq	5,455 μm	RMS-Rauheit
Sz	54,013 μm	Maximaler Abstand vom Gipfel zum Tal
Sp	25,908 μm	Maximale Spitzenhöhe
Sv	28,105 μm	Maximale Grubentiefe
Sku	3.0642	Kurtosis
Ssk	0.1108	Schrägheit
Sal	0,1034 mm	Autokorrelationslänge
Str	0.9733	Textur-Seitenverhältnis
Sdar	29,623 mm²	Oberfläche
Svk	5,167 μm	Reduzierte Taltiefe

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung zur kugelgestrahlten Oberflächenanalyse haben wir gezeigt, wie der NANOVEA ST400 3D Non-Contact Profiler sowohl die Topographie als auch die Nanometerdetails einer gestrahlten Oberfläche präzise charakterisiert. Es ist offensichtlich, dass sowohl Oberfläche 1 als auch Oberfläche 2 im Vergleich zum Rohmaterial einen erheblichen Einfluss auf alle hier angegebenen Parameter haben. Eine einfache visuelle Betrachtung der Bilder offenbart die Unterschiede zwischen den Oberflächen. Dies wird durch die Beobachtung des Abdeckungsbereichs und der aufgeführten Parameter weiter bestätigt. Im Vergleich zu Oberfläche 2 weist Oberfläche 1 eine geringere durchschnittliche Rauheit (Sa), flachere Dellen (Sv) und eine geringere Oberfläche (Sdar) auf, aber eine etwas größere Abdeckungsfläche.

Anhand dieser 3D-Oberflächenmessungen können interessierende Bereiche leicht identifiziert und einer umfassenden Reihe von Messungen unterzogen werden, darunter Rauheit, Oberflächenbeschaffenheit, Textur, Form, Topographie, Ebenheit, Verzug, Ebenheit, Volumen, Stufenhöhe und andere. Für eine detaillierte Analyse kann schnell ein 2D-Querschnitt ausgewählt werden. Diese Informationen ermöglichen eine umfassende Untersuchung gestrahlter Oberflächen unter Nutzung einer vollständigen Palette von Oberflächenmessressourcen. Spezifische Interessengebiete könnten mit einem integrierten AFM-Modul weiter untersucht werden. NANOVEA 3D-Profilometer bieten Geschwindigkeiten von bis zu 200 mm/s. Sie können in Bezug auf Größe, Geschwindigkeit und Scanfunktionen individuell angepasst werden und erfüllen sogar die Reinraumstandards der Klasse 1. Optionen wie Indexierförderer und Integration für Inline- oder Online-Nutzung sind ebenfalls verfügbar.

Ein besonderer Dank gilt Herrn Hayden vom IWF für die Bereitstellung des in diesem Vermerk gezeigten Musters. Industrial Metal Finishing Inc. | indmetfin.com

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Morphologie der Lackoberfläche

MORPHOLOGIE DER LACKOBERFLÄCHE

AUTOMATISCHE ÜBERWACHUNG DER ENTWICKLUNG IN ECHTZEIT
MIT NANOVEA 3D PROFILOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Die schützenden und dekorativen Eigenschaften von Lacken spielen in einer Vielzahl von Branchen eine wichtige Rolle, z. B. in der Automobil-, Marine-, Militär- und Bauindustrie. Um die gewünschten Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, UV-Schutz und Abriebfestigkeit zu erreichen, werden Lackrezepturen und -strukturen sorgfältig analysiert, modifiziert und optimiert.

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE ANALYSE DER OBERFLÄCHENMORPHOLOGIE TROCKNENDER FARBEN

Farbe wird in der Regel in flüssiger Form aufgetragen und durchläuft einen Trocknungsprozess, bei dem die Lösungsmittel verdampfen und sich die flüssige Farbe in einen festen Film verwandelt. Während des Trocknungsprozesses verändert die Lackoberfläche allmählich ihre Form und Textur. Durch die Verwendung von Additiven, die die Oberflächenspannung und die Fließeigenschaften des Lacks verändern, können verschiedene Oberflächenbeschaffenheiten und Texturen entwickelt werden. Im Falle einer schlecht formulierten Lackrezeptur oder einer unsachgemäßen Oberflächenbehandlung kann es jedoch zu unerwünschten Lackoberflächenfehlern kommen.

Eine genaue In-situ-Überwachung der Farboberflächenmorphologie während der Trocknungsperiode kann direkte Einblicke in den Trocknungsmechanismus liefern. Darüber hinaus ist die Echtzeitentwicklung von Oberflächenmorphologien eine sehr nützliche Information für verschiedene Anwendungen, beispielsweise beim 3D-Druck. Die NANOVEA Berührungslose 3D-Profilometer Messen Sie die Farboberflächenmorphologie von Materialien, ohne die Probe zu berühren, und vermeiden Sie Formveränderungen, die durch Kontakttechnologien wie einen gleitenden Stift verursacht werden können.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das berührungslose Profilometer NANOVEA ST500, das mit einem optischen Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor ausgestattet ist, zur Überwachung der Morphologie der Lackoberfläche während der einstündigen Trocknungszeit eingesetzt. Wir zeigen die Fähigkeit des berührungslosen Profilometers NANOVEA zur automatisierten Echtzeit-3D-Profilmessung von Materialien mit kontinuierlicher Formveränderung.

NANOVEA ST500 Großfläche
Optisches 3D-Profilometer

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Farbe wurde auf die Oberfläche eines Metallblechs aufgetragen, woraufhin sofort automatische Messungen der Morphologieentwicklung der trocknenden Farbe in situ mit dem berührungslosen Profilometer NANOVEA ST500 durchgeführt wurden, das mit einem Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor ausgestattet ist. Ein Makro wurde programmiert, um die 3D-Oberflächenmorphologie in bestimmten Zeitintervallen automatisch zu messen und aufzuzeichnen: 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 und 60 Minuten. Dieses automatisierte Scanverfahren ermöglicht es den Benutzern, Scanaufgaben automatisch auszuführen, indem sie festgelegte Verfahren nacheinander ablaufen lassen, was den Aufwand, die Zeit und mögliche Benutzerfehler im Vergleich zu manuellen Tests oder wiederholten Scans erheblich reduziert. Diese Automatisierung erweist sich als äußerst nützlich für Langzeitmessungen, bei denen mehrere Scans in unterschiedlichen Zeitabständen durchgeführt werden.

Der optische Zeilensensor erzeugt eine helle Linie, die aus 192 Punkten besteht, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Diese 192 Lichtpunkte tasten die Probenoberfläche gleichzeitig ab, was die Scangeschwindigkeit erheblich erhöht. Dadurch wird sichergestellt, dass jeder 3D-Scan schnell abgeschlossen wird, um wesentliche Oberflächenveränderungen während jedes einzelnen Scans zu vermeiden.

ABBILDUNG 1: Optischer Zeilensensor, der die Oberfläche der trocknenden Farbe abtastet.

Die Falschfarbenansicht, die 3D-Ansicht und das 2D-Profil der Topografie der trocknenden Farbe zu repräsentativen Zeitpunkten sind in ABBILDUNG 2, ABBILDUNG 3 bzw. ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Falschfarben in den Bildern erleichtern die Erkennung von Merkmalen, die nicht ohne weiteres zu erkennen sind. Unterschiedliche Farben stehen für Höhenunterschiede in verschiedenen Bereichen der Probenoberfläche. Die 3D-Ansicht ist ein ideales Hilfsmittel für den Benutzer, um die Lackoberfläche aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Während der ersten 30 Minuten des Tests wechseln die Falschfarben auf der Lackoberfläche allmählich von wärmeren zu kühleren Tönen, was auf eine fortschreitende Abnahme der Höhe in diesem Zeitraum hindeutet. Dieser Prozess verlangsamt sich, wie die leichte Farbveränderung beim Vergleich des Lacks nach 30 und 60 Minuten zeigt.

Die durchschnittliche Probenhöhe und die Rauheit Sa in Abhängigkeit von der Trocknungszeit des Lacks sind in ABBILDUNG 5 dargestellt. Die vollständige Rauheitsanalyse des Lacks nach 0, 30 und 60 Minuten Trocknungszeit ist in TABELLE 1 aufgeführt. Es ist zu beobachten, dass die durchschnittliche Höhe der Lackoberfläche in den ersten 30 Minuten der Trocknungszeit rasch von 471 auf 329 µm abnimmt. Die Oberflächentextur entwickelt sich gleichzeitig mit dem Verdampfen des Lösungsmittels, was zu einem Anstieg des Rauhigkeitswertes Sa von 7,19 auf 22,6 µm führt. Danach verlangsamt sich der Lacktrocknungsprozess, was zu einer allmählichen Abnahme der Probenhöhe und des Sa-Wertes auf 317 µm bzw. 19,6 µm nach 60 Minuten führt.

Diese Studie unterstreicht die Fähigkeiten des berührungslosen NANOVEA 3D-Profilometers bei der Überwachung der 3D-Oberflächenveränderungen der trocknenden Farbe in Echtzeit, was wertvolle Einblicke in den Trocknungsprozess der Farbe ermöglicht. Durch die Messung der Oberflächenmorphologie ohne Berührung der Probe vermeidet das Profilometer Formveränderungen der ungetrockneten Farbe, wie sie bei Kontakttechnologien wie dem gleitenden Taststift auftreten können. Dieser berührungslose Ansatz gewährleistet eine genaue und zuverlässige Analyse der Oberflächenmorphologie der trocknenden Farbe.

ABBILDUNG 2: Entwicklung der Oberflächenmorphologie der trocknenden Farbe zu verschiedenen Zeitpunkten.

ABBILDUNG 3: 3D-Ansicht der Entwicklung der Lackoberfläche bei verschiedenen Trocknungszeiten.

ABBILDUNG 4: 2D-Profil über der Lackprobe nach verschiedenen Trocknungszeiten.

ABBILDUNG 5: Entwicklung der durchschnittlichen Probenhöhe und des Rauhigkeitswerts Sa in Abhängigkeit von der Trocknungszeit des Lacks.

ISO 25178 – Oberflächenstrukturparameter

Trocknungszeit (min)	0	5	10	20	30	40	50	60
Sq (µm)	7.91	9.4	10.8	20.9	22.6	20.6	19.9	19.6
Sku	26.3	19.8	14.6	11.9	10.5	9.87	9.83	9.82
Sp (µm)	97.4	105	108	116	125	118	114	112
Sv (µm)	127	70.2	116	164	168	138	130	128
Sz (µm)	224	175	224	280	294	256	244	241
Sa (µm)	4.4	5.44	6.42	12.2	13.3	12.2	11.9	11.8

TABELLE 1: Rauheit der Farbe bei unterschiedlichen Trocknungszeiten.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir die Fähigkeiten des berührungslosen 3D-Profilometers NANOVEA ST500 bei der Überwachung der Entwicklung der Oberflächenmorphologie von Lacken während des Trocknungsprozesses demonstriert. Der optische Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor, der eine Linie mit 192 Lichtpunkten erzeugt, die die Probenoberfläche gleichzeitig abtasten, hat die Untersuchung zeitsparend gemacht und gleichzeitig eine unübertroffene Genauigkeit gewährleistet.

Die Makrofunktion der Erfassungssoftware ermöglicht die Programmierung automatischer Messungen der 3D-Oberflächenmorphologie in situ, was besonders für Langzeitmessungen mit mehreren Scans in bestimmten Zeitintervallen nützlich ist. Dies reduziert den Zeit- und Arbeitsaufwand sowie das Potenzial für Benutzerfehler erheblich. Die fortschreitenden Veränderungen der Oberflächenmorphologie werden kontinuierlich überwacht und in Echtzeit aufgezeichnet, während die Farbe trocknet, was wertvolle Einblicke in den Trocknungsmechanismus der Farbe ermöglicht.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Bruchteil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar. NANOVEA Profilometer sind in der Lage, praktisch jede Oberfläche zu messen, egal ob sie transparent, dunkel, reflektierend oder undurchsichtig ist.

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Verschleißtest der PTFE-Beschichtung

VERSCHLEISSTEST DER PTFE-BESCHICHTUNG

MIT TRIBOMETER UND MECHANISCHEM TESTER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Polytetrafluorethylen (PTFE), allgemein bekannt als Teflon, ist ein Polymer mit einem außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten (COF) und einer hervorragenden Verschleißfestigkeit, abhängig von den angewendeten Belastungen. PTFE weist eine hervorragende chemische Inertheit, einen hohen Schmelzpunkt von 327 °C (620 °F) auf und behält eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Selbstschmierung bei niedrigen Temperaturen bei. Die außergewöhnliche Verschleißfestigkeit von PTFE-Beschichtungen macht sie in einer Vielzahl industrieller Anwendungen sehr gefragt, beispielsweise in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizintechnik und insbesondere bei Kochgeschirr.

WICHTIGKEIT DER QUANTITATIVEN BEWERTUNG VON PTFE-BESCHICHTUNGEN

Die Kombination aus einem extrem niedrigen Reibungskoeffizienten (COF), ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und außergewöhnlicher chemischer Inertheit bei hohen Temperaturen macht PTFE zur idealen Wahl für Antihaft-Pfannenbeschichtungen. Um seine mechanischen Prozesse während der Forschung und Entwicklung weiter zu verbessern und eine optimale Kontrolle über Fehlfunktionsvermeidungs- und Sicherheitsmaßnahmen im Qualitätskontrollprozess sicherzustellen, ist es von entscheidender Bedeutung, über eine zuverlässige Technik zur Mengenbewertung der tribomechanischen Prozesse von PTFE-Beschichtungen zu verfügen. Um die beabsichtigte Leistung sicherzustellen, ist eine genaue Kontrolle der Oberflächenreibung, des Verschleißes und der Haftung der Beschichtungen unerlässlich.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird der Verschleißprozess einer PTFE-Beschichtung für eine Antihaftpfanne mit dem NANOVEA Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus simuliert.

NANOVEA T50 Kompakt
Tribometer mit freiem Gewicht

Darüber hinaus wurde mit dem NANOVEA Mechanical Tester ein Mikrokratzhaftungstest durchgeführt, um die kritische Belastung des Haftungsfehlers der PTFE-Beschichtung zu bestimmen.

NANOVEA PB1000 Große Plattform Mechanischer Tester

TESTVORGANG

ABNUTZUNGSTEST

LINEARER HIN- UND HERGESTELLTER VERSCHLEIß MIT EINEM TRIBOMETER

Das tribologische Verhalten der PTFE-Beschichtungsprobe, einschließlich des Reibungskoeffizienten (COF) und der Verschleißfestigkeit, wurde mit dem NANOVEA bewertet Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus. Für die Beschichtung wurde eine Kugelspitze aus Edelstahl 440 mit einem Durchmesser von 3 mm (Klasse 100) verwendet. Der COF wurde während des PTFE-Beschichtungsverschleißtests kontinuierlich überwacht.

Die Verschleißrate K wurde mit der Formel K=V/(F×s)=A/(F×n) berechnet, wobei V das verschlissene Volumen, F die Normallast, s die Gleitstrecke und A ist die Querschnittsfläche der Verschleißspur und n ist die Anzahl der Hübe. Die Verschleißspurprofile wurden mit dem NANOVEA bewertet Optisches Profilometerund die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

PARAMETER DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

LOAD	30 N
TESTDAUER	5 Minuten
GLEITGESCHWINDIGKEIT	80 U/min
AMPLITUDE DER SPUR	8 mm
REVOLUTIONEN	300
KUGEL-DIAMETER	3 mm
KUGELMATERIAL	Edelstahl 440
SCHMIERMITTEL	Keiner
ATMOSPHÄRE	Luft
TEMPERATUR	230 °C (RT)
FEUCHTIGKEIT	43%

TESTVORGANG

SCRATCH TEST

Mikrokratz-Haftungstest mit mechanischem Tester

Die Messung der PTFE-Kratzhaftung wurde mit dem NANOVEA durchgeführt Mechanischer Tester mit einem 1200 Rockwell C Diamantstift (200 μm Radius) im Micro Scratch Tester-Modus.

Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sicherzustellen, wurden drei Tests unter identischen Testbedingungen durchgeführt.

SCRATCH-TEST-PARAMETER

LADUNGSTYP	Progressiv
ANFANGSLADUNG	0,01 mN
ENDLADUNG	20 mN
LADUNGSVERFAHREN	40 mN/min
SCRATCH LENGTH	3 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt	6,0 mm/min
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE	120o Rockwell C
INDENTER MATERIAL (Spitze)	Diamant
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE	200 μm

ERGEBNISSE & DISKUSSION

LINEARER HIN- UND HERGESTELLTER VERSCHLEIß MIT EINEM TRIBOMETER

Der in situ aufgezeichnete COF ist in ABBILDUNG 1 dargestellt. Die Testprobe wies während der ersten 130 Umdrehungen einen COF von ~0,18 auf, was auf die geringe Klebrigkeit von PTFE zurückzuführen ist. Allerdings kam es zu einem plötzlichen Anstieg des COF auf ~1, sobald die Beschichtung durchbrach und das darunter liegende Substrat freilegte. Im Anschluss an die linearen Hin- und Herbewegungstests wurde das Verschleißspurprofil mit dem NANOVEA gemessen Berührungsloses optisches Profilometer, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. Aus den erhaltenen Daten wurde die entsprechende Verschleißrate mit ~2,78 × 10-3 mm3/Nm berechnet, während die Tiefe der Verschleißspur mit 44,94 µm ermittelt wurde.

Testaufbau für den PTFE-Beschichtungsverschleiß auf dem NANOVEA T50 Tribometer.

ABBILDUNG 1: COF-Entwicklung während des PTFE-Beschichtungsverschleißtests.

ABBILDUNG 2: Profilextraktion der Verschleißspur PTFE.

PTFE Vor dem Durchbruch

Max COF	0.217
Min COF	0.125
Durchschnittlicher COF	0.177

PTFE Nach Durchbruch

Max COF	0.217
Min COF	0.125
Durchschnittlicher COF	0.177

TABELLE 1: COF vor und nach Durchbruch beim Verschleißtest.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Mikrokratz-Haftungstest mit mechanischem Tester

Die Haftung der PTFE-Beschichtung auf dem Untergrund wird mittels Kratztests mit einem 200 µm Diamantstift gemessen. Die mikroskopische Aufnahme ist in ABBILDUNG 3 und ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Entwicklung des COF und der Eindringtiefe ist in ABBILDUNG 5 dargestellt. Die Ergebnisse des Kratztests für die PTFE-Beschichtung sind in TABELLE 4 zusammengefasst. Mit zunehmender Belastung des Diamantstifts drang dieser zunehmend in die Beschichtung ein. was zu einer Erhöhung des COF führt. Bei Erreichen einer Belastung von ~8,5 N erfolgte der Durchbruch der Beschichtung und die Freilegung des Substrats unter hohem Druck, was zu einem hohen COF von ~0,3 führte. Der in TABELLE 2 gezeigte niedrige St Dev zeigt die Wiederholbarkeit des mit dem NANOVEA Mechanical Tester durchgeführten Kratztests für die PTFE-Beschichtung.

ABBILDUNG 3: Mikroaufnahme des vollständigen Kratzers auf PTFE (10X).

ABBILDUNG 4: Mikroaufnahme des vollständigen Kratzers auf PTFE (10X).

ABBILDUNG 5: Reibungsdiagramm, das die Linie des kritischen Versagenspunkts für PTFE zeigt.

*SCRATCH*	*Fehlerpunkt [N]*	*Reibungskraft [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
Durchschnitt	8.52	2.47	0.297
St. Dev	0.17	0.16	0.012

TABELLE 2: Zusammenfassung der kritischen Belastung, der Reibungskraft und des COF während des Kratztests.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir eine Simulation des Verschleißprozesses einer PTFE-Beschichtung für Antihaftpfannen mit dem NANOVEA T50 Tribometer im linearen Hin- und Herbewegungsmodus durchgeführt. Die PTFE-Beschichtung wies einen niedrigen COF von ~0,18 auf, der Durchbruch der Beschichtung erfolgte bei etwa 130 Umdrehungen. Die quantitative Bewertung der Haftung der PTFE-Beschichtung auf dem Metallsubstrat wurde mit dem NANOVEA Mechanical Tester durchgeführt, der die kritische Belastung für das Versagen der Beschichtungshaftung in diesem Test auf ~8,5 N feststellte.

Die NANOVEA-Tribometer bieten präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstestfunktionen im ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodus. Sie bieten optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion, alle integriert in einem einzigen System. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es Benutzern, reale Anwendungsumgebungen genauer zu simulieren und ein besseres Verständnis für die Verschleißmechanismen und tribologischen Eigenschaften verschiedener Materialien zu erlangen.

Die mechanischen Tester von NANOVEA bieten Nano-, Mikro- und Makromodule, die jeweils ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißtestmodi umfassen und so die umfassendste und benutzerfreundlichste Palette an Testfunktionen bieten, die in einem einzigen System verfügbar sind.

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Progressive Abnutzung von Bodenbelägen mit Tribometer

Prüfung der Abriebfestigkeit von Bodenbelägen

Progressive Verschleißkartierung von Bodenbelägen unter Verwendung eines Tribometers mit integriertem Profilometer

Vorbereitet von

FRANK LIU

EINFÜHRUNG

Bodenbeläge sind auf Langlebigkeit ausgelegt, unterliegen jedoch häufig der Abnutzung durch alltägliche Aktivitäten wie Bewegung und Möbelnutzung. Um ihre Langlebigkeit zu gewährleisten, verfügen die meisten Bodenbeläge über eine schützende Nutzschicht, die Beschädigungen widersteht. Die Dicke und Haltbarkeit der Nutzschicht variiert jedoch je nach Bodenbelagsart und Beanspruchungsgrad. Darüber hinaus weisen verschiedene Schichten innerhalb der Bodenbelagsstruktur, wie UV-Beschichtungen, Dekorschichten und Glasuren, unterschiedliche Abnutzungsraten auf. Hier kommt die progressive Verschleißkartierung ins Spiel. Mit dem NANOVEA T2000 Tribometer mit integriertem 3D berührungsloses ProfilometerEine präzise Überwachung und Analyse der Leistung und Langlebigkeit von Bodenbelagsmaterialien ist möglich. Durch detaillierte Einblicke in das Abnutzungsverhalten verschiedener Bodenbelagsmaterialien können Wissenschaftler und Techniker fundiertere Entscheidungen bei der Auswahl und Gestaltung neuer Bodenbelagssysteme treffen.

BEDEUTUNG DER PROGRESSIVEN VERSCHLEISSABBILDUNG FÜR BODENPLATTEN

Bei der Prüfung von Bodenbelägen wird traditionell die Abnutzungsrate einer Probe untersucht, um ihre Beständigkeit gegen Verschleiß zu bestimmen. Mit der progressiven Abnutzungskartierung kann jedoch die Abnutzungsrate der Probe während des gesamten Tests analysiert werden, was wertvolle Einblicke in das Abnutzungsverhalten liefert. Diese eingehende Analyse ermöglicht Korrelationen zwischen Reibungsdaten und Verschleißrate, wodurch die Grundursachen des Verschleißes ermittelt werden können. Es ist zu beachten, dass die Verschleißraten bei Verschleißtests nicht konstant sind. Die Beobachtung des Verschleißverlaufs ermöglicht daher eine genauere Beurteilung des Verschleißes der Probe. Die Einführung der progressiven Abnutzungskartierung hat über die traditionellen Prüfmethoden hinaus zu bedeutenden Fortschritten auf dem Gebiet der Bodenbelagsprüfung beigetragen.

Das NANOVEA T2000 Tribometer mit integriertem berührungslosen 3D-Profilometer ist eine bahnbrechende Lösung für Verschleißtests und Volumenverlustmessungen. Seine Fähigkeit, sich präzise zwischen dem Stift und dem Profilometer zu bewegen, garantiert die Zuverlässigkeit der Ergebnisse, indem es Abweichungen im Radius oder in der Position der Verschleißspur eliminiert. Aber das ist noch nicht alles – die erweiterten Funktionen des 3D-Berührungslos-Profilometers ermöglichen Hochgeschwindigkeits-Oberflächenmessungen und reduzieren die Scanzeit auf nur wenige Sekunden. Mit der Fähigkeit, Lasten von bis zu 2.000 N aufzubringen und Schleudergeschwindigkeiten von bis zu 5.000 U/min zu erreichen, ist die NANOVEA T2000 Tribometer bietet Vielseitigkeit und Präzision im Bewertungsprozess. Es ist klar, dass diese Ausrüstung eine entscheidende Rolle bei der Kartierung des fortschreitenden Verschleißes spielt.

ABBILDUNG 1: Aufbau der Probe vor der Verschleißprüfung (links) und Profilometrie der Abnutzungsspur nach der Prüfung (rechts).

MESSZIEL

Progressive Verschleißtests wurden an zwei Arten von Bodenbelägen durchgeführt: Stein und Holz. Jede Probe wurde insgesamt 7 Testzyklen mit ansteigender Testdauer von 2, 4, 8, 20, 40, 60 und 120 Sekunden unterzogen, um einen Vergleich der Abnutzung über die Zeit zu ermöglichen. Nach jedem Testzyklus wurde die Verschleißspur mit dem berührungslosen 3D-Profilometer NANOVEA profiliert. Anhand der vom Profilometer erfassten Daten können das Volumen des Lochs und die Verschleißrate mit den integrierten Funktionen der NANOVEA Tribometer-Software oder unserer Oberflächenanalyse-Software Mountains analysiert werden.

NANOVEA T2000 Hohe Belastung
Pneumatisches Tribometer

DIE MUSTER

PARAMETER DER VERSCHLEISSABBILDUNGSTESTS

LOAD	40 N
TESTDAUER	variiert
SPEED	200 Umdrehungen pro Minute
RADIUS	10 mm
DISTANZ	variiert
KUGELMATERIAL	Wolframkarbid
KUGEL-DIAMETER	10 mm

Die Testdauer für die 7 Zyklen betrug 2, 4, 8, 20, 40, 60 und 120 Sekundenjeweils. Die zurückgelegten Entfernungen waren 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 und 25,11 Meter.

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSKARTIERUNG

Holzboden

*Test-Zyklus*	*Max COF*	*Min COF*	*Avg. COF*
1	0.335	0.124	0.275
2	0.337	0.207	0.295
3	0.380	0.229	0.329
4	0.393	0.265	0.354
5	0.352	0.205	0.314
6	0.345	0.199	0.312
7	0.315	0.211	0.293

RADIALE ORIENTIERUNG

*Test-Zyklus*	*Gesamtvolumenverlust (µm3)*	Gesamtabstand Zurückgelegte Strecke (m)	Abnutzungsrate (mm/Nm) x10^-5	Momentane Verschleißrate (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

ABBILDUNG 2: Verschleißrate im Vergleich zur zurückgelegten Gesamtstrecke (links)
und momentane Abnutzungsrate im Vergleich zum Testzyklus (rechts) für Holzfußböden.

ABBILDUNG 3: COF-Diagramm und 3D-Ansicht der Abnutzungsspur von Test #7 auf Holzfußboden.

ABBILDUNG 4: Querschnittsanalyse der Holzabriebspur aus Test #7

ABBILDUNG 5: Volumen- und Flächenanalyse der Abnutzungsspur an der Holzprobe #7.

Die vollständigen Ergebnisse finden Sie hier.

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSKARTIERUNG

Steinboden

*Test-Zyklus*	*Max COF*	*Min COF*	*Avg. COF*
1	0.249	0.035	0.186
2	0.349	0.197	0.275
3	0.294	0.154	0.221
4	0.503	0.124	0.273
5	0.548	0.106	0.390
6	0.510	0.129	0.434
7	0.527	0.181	0.472

RADIALE ORIENTIERUNG

*Test-Zyklus*	*Gesamtvolumenverlust (µm3)*	Gesamtabstand Zurückgelegte Strecke (m)	Abnutzungsrate (mm/Nm) x10^-5	Momentane Verschleißrate (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

ABBILDUNG 6: Verschleißrate im Vergleich zur zurückgelegten Gesamtstrecke (links)
und momentane Abnutzungsrate im Vergleich zum Testzyklus (rechts) für Steinböden.

ABBILDUNG 7: COF-Diagramm und 3D-Ansicht der Abnutzungsspur von Test #7 auf Steinboden.

ABBILDUNG 8: Querschnittsanalyse der Steinverschleißspur von Test #7.

ABBILDUNG 9: Volumen- und Flächenanalyse der Abnutzungsspur an der Steinprobe #7.

Die vollständigen Ergebnisse finden Sie hier.

DISKUSSION

Die momentane Verschleißrate wird mit der folgenden Gleichung berechnet:

Diese Gleichung beschreibt die Verschleißrate zwischen den Prüfzyklen, wobei V das Volumen eines Lochs, N die Last und X die Gesamtstrecke ist. Die momentane Abnutzungsrate kann verwendet werden, um Änderungen der Abnutzungsrate während des Tests besser zu erkennen.

Beide Proben weisen ein sehr unterschiedliches Abnutzungsverhalten auf. Im Laufe der Zeit beginnt der Holzboden mit einer hohen Abnutzungsrate, sinkt aber schnell auf einen kleineren, gleichmäßigen Wert. Bei den Steinböden scheint die Abnutzungsrate bei einem niedrigen Wert zu beginnen und im Laufe der Zyklen auf einen höheren Wert zu steigen. Auch die momentane Abnutzungsrate zeigt wenig Konstanz. Der genaue Grund für den Unterschied ist nicht sicher, könnte aber auf die Struktur der Proben zurückzuführen sein. Der Steinboden scheint aus losen, kornähnlichen Partikeln zu bestehen, die sich anders abnutzen als die kompakte Struktur des Holzes. Um die Ursache für dieses Abnutzungsverhalten herauszufinden, wären weitere Tests und Untersuchungen erforderlich.

Die Daten des Reibungskoeffizienten (COF) scheinen mit dem beobachteten Verschleißverhalten übereinzustimmen. Die COF-Kurve für den Holzfußboden scheint über die Zyklen hinweg konsistent zu sein, was die gleichmäßige Verschleißrate ergänzt. Bei den Steinböden steigt der durchschnittliche COF über die Zyklen hinweg an, ähnlich wie die Verschleißrate mit den Zyklen zunimmt. Es gibt auch offensichtliche Veränderungen in der Form der Reibungskurven, was auf Veränderungen in der Wechselwirkung zwischen der Kugel und der Steinprobe hindeutet. Am deutlichsten ist dies in Zyklus 2 und Zyklus 4.

SCHLUSSFOLGERUNG

Das NANOVEA T2000 Tribometer zeigt seine Fähigkeit, progressiven Verschleiß zu kartieren, indem es die Verschleißrate zwischen zwei verschiedenen Bodenbelagsproben analysiert. Die Unterbrechung des kontinuierlichen Verschleißtests und das Scannen der Oberfläche mit dem berührungslosen NANOVEA 3D-Profilometer liefert wertvolle Erkenntnisse über das Verschleißverhalten des Materials im Laufe der Zeit.

Das NANOVEA T2000 Tribometer mit dem integrierten berührungslosen 3D-Profilometer liefert eine Vielzahl von Daten, darunter COF-Daten (Reibungskoeffizient), Oberflächenmessungen, Tiefenmessungen, Oberflächenvisualisierung, Volumenverlust, Verschleißrate und mehr. Diese umfassenden Informationen ermöglichen dem Benutzer ein tieferes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem System und der Probe. Mit seiner kontrollierten Belastung, der hohen Präzision, der einfachen Bedienung, der hohen Belastung, dem großen Geschwindigkeitsbereich und den zusätzlichen Umgebungsmodulen hebt das NANOVEA T2000 Tribometer die Tribologie auf ein neues Niveau.

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Dynamisch-mechanische Analyse von Kork mittels Nanoindentation

DYNAMISCHE MECHANISCHE ANALYSE

VON KORK MITTELS NANOINDENTATION

Vorbereitet von

FRANK LIU

EINFÜHRUNG

Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Materialien. In dieser Anwendung konzentrieren wir uns auf die Analyse von Kork, einem weit verbreiteten Material für die Versiegelung und Reifung von Wein. Kork, der aus der Rinde der Eiche Quercus suber gewonnen wird, weist ausgeprägte zelluläre Strukturen auf, die mechanische Eigenschaften aufweisen, die denen von synthetischen Polymeren ähneln. In einer Achse hat der Kork eine wabenförmige Struktur. Die beiden anderen Achsen sind in mehrere rechteckige Prismen unterteilt. Dies verleiht dem Kork je nach der geprüften Ausrichtung unterschiedliche mechanische Eigenschaften.

BEDEUTUNG DER DYNAMISCH-MECHANISCHEN ANALYSE (DMA) BEI DER BEWERTUNG DER MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN VON KORK

Die Qualität von Korken hängt in hohem Maße von ihren mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab, die für ihre Effektivität beim Verschließen von Wein entscheidend sind. Zu den Schlüsselfaktoren, die die Korkqualität bestimmen, gehören Flexibilität, Isolierung, Elastizität und Undurchlässigkeit für Gas und Flüssigkeiten. Mit Hilfe der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) können wir die Elastizität und das Rückstellvermögen von Korken quantitativ bewerten und so eine zuverlässige Methode zur Beurteilung bieten.

Der mechanische Tester NANOVEA PB1000 im Nanoindentation Modus ermöglicht die Charakterisierung dieser Eigenschaften, insbesondere des Elastizitätsmoduls, des Speichermoduls, des Verlustmoduls und des tan delta (tan (δ)). Die DMA-Prüfung ermöglicht auch die Erfassung wertvoller Daten zu Phasenverschiebung, Härte, Spannung und Dehnung des Korkmaterials. Durch diese umfassenden Analysen erhalten wir tiefere Einblicke in das mechanische Verhalten von Korken und ihre Eignung für Weinverschlussanwendungen.

MESSZIEL

In dieser Studie wird die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) von vier Korken mit dem NANOVEA PB1000 Mechanikprüfgerät im Nanoindentationsmodus durchgeführt. Die Qualität der Korken ist wie folgt gekennzeichnet: 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmated, 4 - Synthetischer Gummi. Für jeden Korken wurden DMA-Eindringtests in axialer und radialer Richtung durchgeführt. Durch die Analyse der mechanischen Reaktion der Korken wollten wir Einblicke in ihr dynamisches Verhalten gewinnen und ihre Leistung unter verschiedenen Ausrichtungen bewerten.

NANOVEA

PB1000

PRÜFPARAMETER

MAX FORCE	75 mN
LADUNGSVERFAHREN	150 mN/min
ENTLADUNGSRATE	150 mN/min
AMPLITUDE	5 mN
FREQUENZ	1 Hz
CREEP	60 s

Eindringkörpertyp

Kugel

51200 Stahl

3 mm Durchmesser

ERGEBNISSE

In den nachstehenden Tabellen und Diagrammen werden der Elastizitätsmodul, der Speichermodul, der Verlustmodul und tan delta für jede Probe und Orientierung verglichen.

Elastizitätsmodul: Stiﬀness; hohe Werte bedeuten stiﬀ, niedrige Werte bedeuten ﬂexibel.

Speichermodul: Elastische Reaktion; im Material gespeicherte Energie.

Verlustmodul: Viskose Reaktion; Energieverlust durch Wärme.

Tan (δ): Befeuchtung; hohe Werte bedeuten mehr Befeuchtung.

AXIALE AUSRICHTUNG

*Stopper*	*ELASTIZITÄTSMODUL*	*SPEICHERMODUL*	*MODULUS VERLUST*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

RADIALE ORIENTIERUNG

*Stopper*	*ELASTIZITÄTSMODUL*	*SPEICHERMODUL*	*MODULUS VERLUST*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

ELASTIZITÄTSMODUL

SPEICHERMODUL

MODULUS VERLUST

TAN DELTA

Zwischen den Korken ist der Elastizitätsmodul nicht sehr unterschiedlich, wenn sie in axialer Richtung geprüft werden. Nur die Korken #2 und #3 zeigten einen deutlichen Unterschied im Elastizitätsmodul zwischen radialer und axialer Richtung. Infolgedessen sind auch der Speichermodul und der Verlustmodul in radialer Richtung höher als in axialer Richtung. Der Stopfen #4 zeigt ähnliche Eigenschaften wie die Naturkorkstopfen, mit Ausnahme des Verlustmoduls. Dies ist recht interessant, da es bedeutet, dass der Naturkorken eine zähere Eigenschaft hat als das synthetische Gummimaterial.

SCHLUSSFOLGERUNG

Die NANOVEA Mechanischer Tester Im Nano-Scratch-Tester-Modus können viele reale Fehler von Lackbeschichtungen und Hartbeschichtungen simuliert werden. Durch die kontrollierte und genau überwachte Anwendung steigender Lasten ermöglicht das Instrument die Erkennung, bei welcher Last Ausfälle auftreten. Daraus lassen sich dann quantitative Werte für die Kratzfestigkeit ermitteln. Es ist bekannt, dass die getestete Beschichtung ohne Witterungseinflüsse einen ersten Riss bei etwa 22 mN aufweist. Bei Werten, die näher bei 5 mN liegen, ist klar, dass die 7-Jahres-Runde den Lack beschädigt hat.

Die Kompensation des ursprünglichen Profils ermöglicht es, die korrigierte Tiefe während des Ritzens zu erhalten und auch die Resttiefe nach dem Ritzen zu messen. Dies gibt zusätzliche Informationen über das plastische bzw. elastische Verhalten der Beschichtung bei zunehmender Belastung. Sowohl die Rissbildung als auch die Informationen über die Verformung können von großem Nutzen für die Verbesserung der Hartstoffschicht sein. Die sehr geringen Standardabweichungen zeigen auch die Reproduzierbarkeit der Technik des Geräts, die den Herstellern helfen kann, die Qualität ihrer Hartbeschichtung/Lackierung zu verbessern und Bewitterungseffekte zu untersuchen.

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Nano Scratch & Mar Testing von Farbe auf Metallsubstrat

Nano Scratch & Mar Testing

von Farbe auf Metallsubstrat

Vorbereitet von

SUSANA CABELLO

EINFÜHRUNG

Farbe mit oder ohne Hartauftrag ist eine der am häufigsten verwendeten Beschichtungen. Wir sehen sie auf Autos, Wänden, Geräten und praktisch überall, wo eine Schutzschicht benötigt wird oder wo sie einfach nur der Ästhetik dient. Die Farben, die den Untergrund schützen sollen, enthalten oft Chemikalien, die verhindern, dass die Farbe Feuer fängt, oder die einfach verhindern, dass sie ihre Farbe verliert oder Risse bekommt. Die für ästhetische Zwecke verwendeten Farben sind oft in verschiedenen Farben erhältlich, aber nicht unbedingt für den Schutz des Untergrunds oder für eine lange Lebensdauer gedacht.

Dennoch unterliegt jede Farbe im Laufe der Zeit einer gewissen Verwitterung. Durch die Verwitterung von Farbe können sich die vom Hersteller beabsichtigten Eigenschaften oft ändern. Sie kann schneller abplatzen, bei Hitze abblättern, ihre Farbe verlieren oder Risse bekommen. Die unterschiedlichen Eigenschaften von Farben, die sich im Laufe der Zeit verändern, sind der Grund, warum die Hersteller eine so große Auswahl anbieten. Die Farben sind auf die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Kunden zugeschnitten.

BEDEUTUNG DER NANORITZPRÜFUNG FÜR DIE QUALITÄTSKONTROLLE

Ein wichtiges Anliegen der Farbenhersteller ist die Widerstandsfähigkeit ihrer Produkte gegen Rissbildung. Sobald der Lack Risse bekommt, kann er den Untergrund, auf den er aufgetragen wurde, nicht mehr schützen und stellt somit den Kunden nicht mehr zufrieden. Wenn z. B. ein Ast die Seite eines Autos streift und sofort danach der Lack abplatzt, verliert der Lackhersteller aufgrund der schlechten Qualität des Lacks sein Geschäft. Die Qualität der Farbe ist sehr wichtig, denn wenn das Metall unter der Farbe freiliegt, kann es aufgrund der neuen Exposition zu rosten oder zu korrodieren beginnen.

Diese Gründe gelten auch für andere Bereiche wie Haushalts- und Büroartikel, Elektronik, Spielzeug, Forschungswerkzeuge und vieles mehr. Auch wenn die Farbe beim ersten Auftragen auf Metallbeschichtungen rissbeständig ist, können sich die Eigenschaften im Laufe der Zeit ändern, wenn die Probe etwas verwittert ist. Aus diesem Grund ist es sehr wichtig, die Lackproben im bewitterten Zustand zu prüfen. Auch wenn die Rissbildung unter hoher Belastung unvermeidlich ist, muss der Hersteller vorhersagen, wie stark die Veränderungen im Laufe der Zeit ausfallen und wie tief der Riss sein muss, damit er seinen Kunden die bestmöglichen Produkte anbieten kann.

MESSZIEL

Wir müssen den Prozess des Kratzens in einer kontrollierten und überwachten Weise simulieren, um das Verhalten der Probe zu beobachten. In dieser Anwendung wird der NANOVEA PB1000 Mechanik-Tester im Nano-Scratch-Testing-Modus verwendet, um die Last zu messen, die erforderlich ist, um ein Versagen einer etwa 7 Jahre alten, 30-50 μm dicken Lackprobe auf einem Metallsubstrat zu verursachen.

Ein 2 μm großer, diamantbestückter Stift wird mit einer progressiven Kraft von 0,015 mN bis 20,00 mN verwendet, um die Beschichtung zu zerkratzen. Wir haben einen Vor- und Nachscan des Lacks mit einer Belastung von 0,2 mN durchgeführt, um den Wert für die tatsächliche Tiefe des Kratzers zu ermitteln. Die wahre Tiefe analysiert die plastische und elastische Verformung der Probe während der Prüfung, während der Post-Scan nur die plastische Verformung des Kratzers analysiert. Der Punkt, an dem die Beschichtung durch Rissbildung versagt, wird als Versagenspunkt angesehen. Wir haben die ASTMD7187 als Leitfaden für die Festlegung unserer Prüfparameter verwendet.

Daraus können wir schließen, dass wir eine verwitterte Probe verwendet haben und daher bei der Prüfung einer Farbprobe in ihrem schwächeren Stadium weniger Fehlerpunkte auftraten.

An dieser Probe wurden fünf Tests durchgeführt, um

die genauen versagenskritischen Lasten zu bestimmen.

NANOVEA

PB1000

PRÜFPARAMETER

unter ASTM D7027

Die Oberfläche eines Rauheitsnormals wurde mit einem NANOVEA ST400 abgetastet, der mit einem Hochgeschwindigkeitssensor ausgestattet ist, der eine helle Linie mit 192 Punkten erzeugt, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Diese 192 Punkte tasten die Probenoberfläche gleichzeitig ab, was zu einer deutlich höheren Abtastgeschwindigkeit führt.

LADUNGSTYP	Progressiv
ANFANGSLADUNG	0,015 mN
ENDLADUNG	20 mN
LADUNGSVERFAHREN	20 mN/min
SCRATCH LENGTH	1,6 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt	1.601 mm/min
PRE-SCAN LADEN	0,2 mN
POST-SCAN LADEN	0,2 mN

Eindringkörpertyp

Konisch

Diamant 90° Kegel

2 µm Spitzenradius

ERGEBNISSE

In diesem Abschnitt werden die während des Scratch-Tests gesammelten Daten zu den Ausfällen vorgestellt. Der erste Abschnitt beschreibt die im Kratzversuch beobachteten Ausfälle und definiert die gemeldeten kritischen Belastungen. Der nächste Teil enthält eine zusammenfassende Tabelle mit den kritischen Belastungen für alle Proben und eine grafische Darstellung. Der letzte Teil enthält die detaillierten Ergebnisse für jede Probe: die kritischen Lasten für jeden Kratzer, die Mikrofotografien jedes Versagens und die Grafik des Tests.

BEOBACHTETE AUSFÄLLE UND DEFINITION DER KRITISCHEN LASTEN

KRITISCHES VERSAGEN:

ANFANGSSCHADEN

Dies ist der erste Punkt, an dem der Schaden entlang der Kratzspur beobachtet wird.

KRITISCHES VERSAGEN:

VOLLSTÄNDIGER SCHADEN

An diesem Punkt ist der Schaden größer, da der Lack entlang der Kratzspur abplatzt und Risse aufweist.

DETAILLIERTE ERGEBNISSE

* Versagenswerte an der Stelle, an der das Substrat reißt.

KRITISCHE LASTEN
SCRATCH	ANFANGSSCHADEN [mN]	VOLLSTÄNDIGE SCHÄDIGUNG [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

DURCHSCHNITT	3.988	4.900
STD DEV	0.143	0.054

ABBILDUNG 2: Mikroskopische Aufnahme eines vollständigen Kratzers (1000-fache Vergrößerung).

ABBILDUNG 3: Mikroskopische Aufnahme der ursprünglichen Beschädigung (1000-fache Vergrößerung).

ABBILDUNG 4: Mikroskopische Aufnahme der vollständigen Beschädigung (1000-fache Vergrößerung).

ABBILDUNG 5: Reibungskraft und Reibungskoeffizient.

ABBILDUNG 6: Oberflächenprofil.

ABBILDUNG 7: Wahre Tiefe und Resttiefe.

SCHLUSSFOLGERUNG

Die NANOVEA Mechanischer Tester im Nano-Kratzer-Tester Modus ermöglicht die Simulation vieler realer Fehlfunktionen von Farb- und Hartbeschichtungen. Durch die kontrollierte und genau überwachte Aufbringung zunehmender Lasten lässt sich mit dem Gerät feststellen, bei welcher Belastung Ausfälle auftreten. Dies kann dann zur Bestimmung quantitativer Werte für die Kratzfestigkeit genutzt werden. Bei der getesteten Beschichtung ohne Bewitterung ist bekannt, dass der erste Riss bei etwa 22 mN auftritt. Bei Werten, die näher bei 5 mN liegen, ist es klar, dass die 7-jährige Überlappung den Lack verschlechtert hat.

Die Kompensation des ursprünglichen Profils ermöglicht die Ermittlung der korrigierten Tiefe während des Ritzens und die Messung der Resttiefe nach dem Ritzen. Dies gibt zusätzliche Informationen über das plastische bzw. elastische Verhalten der Beschichtung bei zunehmender Belastung. Sowohl die Rissbildung als auch die Informationen über die Verformung können von großem Nutzen für die Verbesserung der Hartstoffschicht sein. Die sehr geringen Standardabweichungen zeigen auch die Reproduzierbarkeit der Gerätetechnik, die den Herstellern helfen kann, die Qualität ihrer Hartstoffbeschichtung/Lackierung zu verbessern und Bewitterungseffekte zu untersuchen.

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Rauheitskartierung mit 3D-Profilometrie

PRÜFUNG DER RAUHEITSKARTIERUNG

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

DUANJIE, PhD

EINFÜHRUNG

Oberflächenrauheit und -beschaffenheit sind entscheidende Faktoren, die sich auf die endgültige Qualität und Leistung eines Produkts auswirken. Ein gründliches Verständnis von Oberflächenrauheit, -textur und -konsistenz ist für die Auswahl der besten Verarbeitungs- und Kontrollmaßnahmen unerlässlich. Eine schnelle, quantifizierbare und zuverlässige Inline-Inspektion von Produktoberflächen ist notwendig, um fehlerhafte Produkte rechtzeitig zu erkennen und die Bedingungen in der Produktionslinie zu optimieren.

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE INLINE-OBERFLÄCHENPRÜFUNG

Oberflächenfehler an Produkten entstehen durch Materialverarbeitung und Produktherstellung. Die Inline-Oberflächenqualitätsprüfung gewährleistet eine strengste Qualitätskontrolle der Endprodukte. NANOVEA Berührungslose optische 3D-Profiler Nutzen Sie die Chromatic Light-Technologie mit der einzigartigen Fähigkeit, die Rauheit einer Probe berührungslos zu bestimmen. Der Zeilensensor ermöglicht das Scannen des 3D-Profils einer großen Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit. Der von der Analysesoftware in Echtzeit berechnete Rauheitsschwellenwert dient als schnelles und zuverlässiges Gut/Schlecht-Instrument.

MESSZIEL

In dieser Studie wird das mit einem Hochgeschwindigkeitssensor ausgestattete NANOVEA ST400 zur Inspektion der Oberfläche einer Teﬂon-Probe mit einem Defekt verwendet, um die Fähigkeiten des NANOVEA

Berührungslose Proﬁlometer ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Oberflächenprüfung in einer Produktionslinie.

NANOVEA

ST400

ERGEBNISSE & DISKUSSION

3D-Oberflächenanalyse des Rauhigkeit Standardprobe

ABBILDUNG 2 zeigt Falschfarbenansichten der Oberflächenhöhenkarte und der Rauheitsverteilungskarte der Rauheitsstandardprobe. In ABBILDUNG 2a weist der Rauheitsstandard eine leicht schräge Oberfläche auf, die durch den unterschiedlichen Farbverlauf in jedem der Standard-Rauheitsblöcke dargestellt wird. In ABBILDUNG 2b wird eine homogene Rauheitsverteilung in verschiedenen Rauheitsblöcken gezeigt, deren Farbe die Rauheit in den Blöcken darstellt.

ABBILDUNG 3 zeigt Beispiele für die Pass/Fail-Karten, die von der Analysesoftware auf der Grundlage verschiedener Rauheitsschwellenwerte erstellt wurden. Die Rauheitsblöcke werden rot hervorgehoben, wenn ihre Oberflächenrauheit über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Auf diese Weise kann der Benutzer einen Rauheitsschwellenwert festlegen, um die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit einer Probe zu bestimmen.

ABBILDUNG 1: Abtastung des optischen Zeilensensors auf der Probe des Rauheitsnormals

a. Karte der Oberflächenhöhe:

b. Rauhigkeitskarte:

ABBILDUNG 2: Falschfarbenansichten der Oberflächenhöhenkarte und der Rauheitsverteilungskarte der Rauheitsstandardprobe.

ABBILDUNG 3: Pass/Fail Map basierend auf dem Roughness Threshold.

Oberflächeninspektion einer Teﬂonprobe mit Defekten

Die Oberflächenhöhenkarte, die Rauheitsverteilungskarte und die Pass/Fail-Rauheitsschwellenkarte der Oberfläche der Teﬂon-Probe sind in ABBILDUNG 4 dargestellt. Die Teﬂon-Probe weist in der rechten Mitte der Probe eine Rippenform auf, wie in der Oberflächenhöhenkarte dargestellt.

a. Karte der Oberflächenhöhe:

Die verschiedenen Farben in der Palette von ABBILDUNG 4b stellen den Rauheitswert auf der lokalen Oberfläche dar. Die Rauhigkeitskarte zeigt eine homogene Rauheit im intakten Bereich der Teﬂon-Probe. Die Defekte in Form eines eingedrückten Rings und einer Verschleißnarbe sind jedoch in heller Farbe hervorgehoben. Der Benutzer kann leicht einen Schwellenwert für die Pass/Fail-Rauheit festlegen, um die Oberflächendefekte zu lokalisieren, wie in ABBILDUNG 4c gezeigt. Mit einem solchen Werkzeug kann der Benutzer die Oberflächenqualität des Produkts in der Produktionslinie vor Ort überwachen und fehlerhafte Produkte rechtzeitig erkennen. Der Echtzeit-Rauigkeitswert wird berechnet und aufgezeichnet, während die Produkte den optischen Inline-Sensor passieren, was als schnelles und zuverlässiges Werkzeug für die Qualitätskontrolle dienen kann.

b. Rauhigkeitskarte:

c. Pass/Fail Roughness Threshold Map:

ABBILDUNG 4: Oberflächenhöhenkarte, Rauhigkeitsverteilungskarte und Pass/Fail-Rauhigkeitsschwellenwertkarte der Teﬂon-Probenoberfläche.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose optische 3D-Profiler NANOVEA ST400, ausgestattet mit einem optischen Zeilensensor, als zuverlässiges Qualitätskontrollwerkzeug eﬀektiv und effizient arbeitet.

Der optische Zeilensensor erzeugt eine helle Linie aus 192 Punkten, die die Probenoberfläche gleichzeitig abtasten, was zu einer deutlich höheren Abtastgeschwindigkeit führt. Er kann in der Produktionslinie installiert werden, um die Oberflächenrauhigkeit der Produkte vor Ort zu überwachen. Der Schwellenwert für die Rauheit dient als zuverlässiges Kriterium zur Bestimmung der Oberflächenqualität der Produkte und ermöglicht es dem Benutzer, fehlerhafte Produkte rechtzeitig zu erkennen.

Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der in der Analysesoftware verfügbaren Berechnungen dar. NANOVEA Profilometer messen praktisch jede Oberfläche in Bereichen wie Halbleiter, Mikroelektronik, Solar, Faseroptik, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Metallurgie, Bearbeitung, Beschichtungen, Pharmazeutik, Biomedizin, Umwelt und vielen anderen.

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Kratzhärte bei hohen Temperaturen mit einem Tribometer

HOHE TEMPERATUR-RITZHÄRTE

MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE, PhD

EINFÜHRUNG

Die Härte misst die Widerstandsfähigkeit von Materialien gegen dauerhafte oder plastische Verformung. Ursprünglich von dem deutschen Mineralogen Friedrich Mohs im Jahr 1820 entwickelt, bestimmt die Ritzhärteprüfung die Härte eines Materials gegenüber Kratzern und Abrieb durch Reibung mit einem scharfen Gegenstand¹. Die Mohs'sche Skala ist ein Vergleichsindex und keine lineare Skala. Daher wurde eine genauere und qualitative Messung der Ritzhärte entwickelt, die in der ASTM-Norm G171-03 beschrieben ist.². Es misst die durchschnittliche Breite des von einem Diamantstift erzeugten Kratzers und berechnet die Ritzhärtezahl (HSP).

BEDEUTUNG DER MESSUNG DER RITZHÄRTE BEI HOHEN TEMPERATUREN

Die Auswahl der Werkstoffe richtet sich nach den Einsatzanforderungen. Bei Anwendungen, die mit erheblichen Temperaturschwankungen und thermischen Gradienten verbunden sind, ist es von entscheidender Bedeutung, die mechanischen Eigenschaften von Materialien bei hohen Temperaturen zu untersuchen, um die mechanischen Grenzen genau zu kennen. Werkstoffe, insbesondere Polymere, werden bei hohen Temperaturen normalerweise weicher. Viele mechanische Ausfälle werden durch Kriechverformung und thermische Ermüdung verursacht, die nur bei hohen Temperaturen auftreten. Daher ist ein zuverlässiges Verfahren zur Messung der Härte bei hohen Temperaturen erforderlich, um die richtige Auswahl der Materialien für Hochtemperaturanwendungen zu gewährleisten.

MESSZIEL

In dieser Studie misst das NANOVEA T50 Tribometer die Kratzhärte einer Teflonprobe bei verschiedenen Temperaturen von Raumtemperatur bis 300 °C. Die Fähigkeit zur Durchführung von Kratzhärtemessungen bei hohen Temperaturen zeichnet das NANOVEA aus Tribometer ein vielseitiges System zur tribologischen und mechanischen Bewertung von Materialien für Hochtemperaturanwendungen.

NANOVEA

T50

TESTBEDINGUNGEN

Mit dem NANOVEA T50 Free Weight Standard Tribometer wurden die Ritzhärtetests an einer Teflonprobe bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur (RT) und 300°C durchgeführt. Teflon hat einen Schmelzpunkt von 326,8°C. Es wurde ein konischer Diamantstift mit einem Scheitelwinkel von 120° und einem Spitzenradius von 200 µm verwendet. Die Teflonprobe wurde auf dem rotierenden Probentisch mit einem Abstand von 10 mm zur Tischmitte fixiert. Die Probe wurde in einem Ofen aufgeheizt und bei Temperaturen von RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C und 300°C geprüft.

PRÜFPARAMETER

der Hochtemperatur-Ritzhärtemessung

NORMALE KRAFT	2 N
GLEITGESCHWINDIGKEIT	1 mm/s
GLEITSTRECKE	8 mm pro Temperatur
ATMOSPHÄRE	Luft
TEMPERATUR	RT, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Die Kratzspurprofile der Teflonprobe bei verschiedenen Temperaturen sind in ABBILDUNG 1 dargestellt, um die Kratzhärte bei verschiedenen erhöhten Temperaturen zu vergleichen. Die Materialanhäufung an den Ritzspurkanten bildet sich, wenn der Stift mit einer konstanten Last von 2 N in die Teflonprobe eindringt und das Material in der Ritzspur zur Seite drückt und verformt.

Die Kratzspuren wurden unter dem Lichtmikroskop untersucht, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. Die gemessenen Kratzspurbreiten und berechneten Ritzhärtezahlen (HSP) sind in ABBILDUNG 3 zusammengefasst und verglichen. Die mit dem Mikroskop gemessene Kratzspurbreite stimmt mit der mit dem NANOVEA Profiler gemessenen überein - die Teflonprobe weist bei höheren Temperaturen eine größere Kratzspurbreite auf. Die Kratzspurbreite steigt von 281 auf 539 µm, wenn die Temperatur von RT auf 300oC ansteigt, was zu einem Rückgang des HSP von 65 auf 18 MPa führt.

Die Ritzhärte bei erhöhten Temperaturen kann mit dem NANOVEA T50 Tribometer mit hoher Präzision und Wiederholbarkeit gemessen werden. Es bietet eine alternative Lösung zu anderen Härtemessungen und macht die NANOVEA Tribometer zu einem kompletten System für umfassende tribomechanische Hochtemperaturauswertungen.

ABBILDUNG 1: Kratzspurprofile nach den Ritzhärtetests bei verschiedenen Temperaturen.

ABBILDUNG 2: Kratzspuren unter dem Mikroskop nach den Messungen bei verschiedenen Temperaturen.

ABBILDUNG 3: Entwicklung der Kratzspurbreite und der Kratzhärte in Abhängigkeit von der Temperatur.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie zeigen wir, wie das NANOVEA Tribometer die Ritzhärte bei erhöhten Temperaturen in Übereinstimmung mit der ASTM G171-03 misst. Die Prüfung der Ritzhärte bei konstanter Belastung bietet eine einfache Lösung für den Vergleich der Härte von Materialien mit dem Tribometer. Die Möglichkeit, Ritzhärtemessungen bei erhöhten Temperaturen durchzuführen, macht das NANOVEA Tribometer zu einem idealen Werkzeug für die Bewertung der tribomechanischen Eigenschaften von Materialien bei hohen Temperaturen.

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. Ein optionaler berührungsloser 3D-Profiler ist für hohe

1 Wredenberg, Fredrik; PL Larsson (2009). "Kratzprüfung von Metallen und Polymeren: Experiments and numerics". Wear 266 (1-2): 76
2 ASTM G171-03 (2009), "Standard Test Method for Scratch Hardness of Materials Using a Diamond Stylus".

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