Kategorie: Anwendungshinweise

Climbing Hold Surface Roughness Analysis

Application Note | 3D Optical Profilometry

Climbing Hold Surface Roughness Analysis Using 3D Optical Profilometry

Measuring Texture, Porosity, and Topography on Bouldering Holds

Research & Experimental Testing

Walter Alabiso, PhD

Visual Design & Editorial

Andrew Shore

Einführung

Bouldering is a demanding discipline that combines physical strength, precise body positioning, and an understanding of how the human body interacts with climbing surfaces. On slab routes, where the wall is angled below vertical and positive holds are limited or absent, a climber’s stability depends almost entirely on the tribological interaction between the body and the climbing hold surface.

Climbing hold surface roughness plays a central role in this contact. Roughness provides the microtexture needed for smearing, a technique where high-friction rubber soles are pressed firmly against the surface to expand the effective contact area and generate adherence. A similar mechanism occurs at the fingers, where the ridges of fingerprints and the pliability of skin deform slightly against the hold’s surface features, creating grip through microscopic interlocking.

Porosity contributes to grip performance by absorbing moisture, sweat, or chalk at the contact interface, preventing the formation of a thin lubricating film that would reduce friction. Micro-cracks and surface flaws act as additional friction points, helping the climber maintain lateral tension against the hold surface. Because these features (roughness, porosity, and surface morphology) operate at different scales and interact differently depending on the hold, quantitative 3D surface measurement is essential for comparing how different climbing hold textures perform under real contact conditions.

Bouldering grips used to compare surface roughness, pore morphology, and grip-related topography.

Why Use Non-Contact Profilometry for Climbing Hold Surface Analysis

Climbing holds and rock-like surfaces can include deep pores, steep asperities, sharp valleys, and irregular texture. These features are difficult to measure accurately with contact-based profilometry because a physical stylus can lose contact, deform local surface features, or fail to reach narrow cavities.

NANOVEA’s non-contact optical profilometry uses chromatic light technology to capture surface height data without touching the sample. This makes it suitable for reconstructing complex climbing hold topography, including deep nooks, pores, and surface flaws, while avoiding measurement artifacts caused by local plastic deformation.

In this study, the NANOVEA JR25 Optical Profiler was used to measure two bouldering grips: a yellow block with a smoother, flatter surface and a green block with a rougher tactile texture. Both samples were scanned using a PS4-MG35 single-point optical sensor with a 3000 µm Z-range and a 4 µm acquisition step in X and Y.

Dual-frequency acquisition was used to reduce light sensor saturation from localized bright spots on the grip surfaces, allowing the profiler to capture roughness and pore morphology across the scanned areas.

Messung Zielsetzung

The objective of this study was to demonstrate how non-contact 3D optical profilometry can be used to reconstruct and compare the surface roughness, topography, and pore morphology of climbing holds.

Two bouldering grip samples were analyzed: a yellow block with a smoother, flatter surface and a blue block with a rougher tactile texture and sharper grip features. The analysis focused on surface height variation, areal roughness parameters, pore coverage, pore size, pore depth, and functional surface behavior.

The NANOVEA JR25 Optical Profilometer measuring the climbing hold samples using an optical sensor.

Measurement Method

The NANOVEA JR25 Optical Profiler was used to measure the yellow and blue bouldering grip samples. Each surface was scanned with a PS4-MG35 single-point optical sensor with an enhanced 3000 µm Z-range, allowing the system to capture deep pores, sharp valleys, and irregular surface texture while maintaining a 4 µm acquisition step in X and Y.

Dual-frequency acquisition was used to reduce light sensor saturation from localized bright spots on the grip surfaces, improving data capture across rough, porous, and uneven areas.

NANOVEA JR25 Portable

Optisches Profilometer

Test-Parameter

Two bouldering grip samples were analyzed: a yellow grip with a smoother, flatter surface and a blue grip with a rougher tactile texture and sharper grip features. The analysis focused on surface height variation, areal roughness parameters, pore coverage, pore size, pore depth, and functional surface behavior.

Measurement Setting	Optical Profilometry Setup
Samples measured	Yellow and blue bouldering grip samples
Optical pen	PS4-MG35
Z-range	3000 µm
Scan area	5.00 mm × 5.00 mm
X-step size	4.00 µm
Y-step size	4.00 µm
Averaging	1
Measurement type	Direct
Acquisition mode	Dual frequency
Acquisition rate	100–400 Hz
Light intensity	100%

Tabelle 1: Optical profilometry test conditions used to measure the bouldering grip samples.

Optical Profilometry Results

Yellow Grip Sample

Surface Roughness Analysis

The 3D rendering below shows the reconstructed surface topography of the yellow climbing grip sample.

A total least-squares plane was removed to study surface properties. The roughness filters S-Gaussian 2.5 µm was applied following ISO 25178 (1/2 cut-off removed at each side). However, the sharp density of pores and asperities and the elevated average roughness make the use of a Gaussian L-filter (8 mm cut off) inapplicable. Therefore, the primary surface was considered, and the roughness parameters are listed in the table below, alongside the 2D false-color map of the filtered surface.

ISO 25178-2 – Primary Surface
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm, 1/2 cut-off
F-operation: [Workflow] Leveled (TLSPL)
Height Parameters
Sq	168.970	µm	Wurzel-Mittel-Quadrat-Höhe
Ssk	-0.927		Schrägheit
Sku	4.117		Kurtosis
Sp	320.530	µm	Maximale Peakhöhe
Sv	868.116	µm	Maximum pit depth
Sz	1188.645	µm	Maximale Höhe
Sa	132.953	µm	Arithmetisches Mittel der Höhe

The average surface roughness Sa is 132.953 µm, whereas the peak-to-valley roughness, Sz amounts to 1188.645 µm. The surface morphology is skewed towards deep valleys (Ssk < 0, Sv > Sp), with a leptokurtotic (Sku > 3) distribution of peaks and valleys relative to the average plane.

The following picture shows a 2D photo-simulation of the area under artificial lighting, highlighting the region’s morphology.

Pore Morphology Analysis

A pore analysis was performed across the full scanned area using a semi-automated edge-detection algorithm. The analysis identified recessed surface features to quantify pore coverage, pore density, radius, void volume, and maximum depth.

The detected pore locations were then mapped across the scanned 5 mm × 5 mm area to evaluate pore coverage, density, and size distribution.

Information
Method	Circle detection
Features detected	Pores, recessed objects
Minimum detection diameter	0.150 mm
Maximum detection diameter	2.000 mm
Number of detected pores	206
Surface coverage	47.395%
Pore density	8.203 particles/mm²

Parameter	Unit	Mean	Std. Dev.	Min	Max
Global Statistics
Radius	mm	0.127	0.049	0.076	0.275
Void volume	µm³	4,724,770.705	6,748,143.925	23,594.172	4.422 × 10⁷
Maximum depth	µm	173.729	94.942	28.153	716.480

Pores covered nearly half of the yellow grip’s scanned surface, with a measured coverage of 47.395% and a pore density of 8.203 particles/mm². The detected pores and cracks were highly heterogeneous in size, volume, and depth, ranging from large crater-like features with a maximum radius of 0.275 mm and void volume above 4.4 × 10⁷ µm³ to smaller pores with a minimum radius of 0.076 mm and void volume of 23,594.172 µm³. This uneven pore distribution is reflected in the large standard deviation measured for void volume and maximum depth.

Functional Surface Parameters (Abbott-Firestone curve)

The Abbott-Firestone curve shows the cumulative areal material distribution of the yellow climbing grip sample. This analysis defines functional surface parameters including Sk, Spk, and Svk according to ISO 25178-2.

Information
Standard	ISO 25178-2
Parameter	Value	Unit
Sk	409.738	µm
Spk	45.480	µm
Svk	233.446	µm
Smrk1	3.976	%
Smrk2	85.005	%

The chart below shows the peak-valley distribution from the mean plane based on the functional parameters derived from the Abbott-Firestone curve. Valleys are shown in purple, the mean plane in green, and peaks in orange.

Information
1st threshold	Height – c1: 229.209 µm
2nd threshold	Height – c2: -180.424 µm
Parameters	Unit
Projected area (in %)	%	14.995	81.029	3.976
Projected area	mm²	3.772	20.381	1.000
Volume of material (in %)	%	97.451	48.100	0.973
Volume of material	µm³	1.684 × 10¹⁰	4.956 × 10⁹	2.275 × 10⁷

The yellow grip sample shows a dominant mean-plane region with scattered recessed pores and a smaller population of raised peaks. This indicates a surface texture characterized mainly by average-sized pores distributed across the scanned area.

Blue Grip Sample

Surface Roughness Analysis

The 3D rendering below shows the reconstructed surface topography of the blue climbing grip sample.

A total least-squares plane was removed to evaluate the blue grip’s surface properties. An S-Gaussian 2.5 µm roughness filter was applied following ISO 25178, with 1/2 cut-off removed at each side.

Because of the dense pores, asperities, and elevated average roughness, a Gaussian L-filter with an 8 mm cut-off was not applied. The primary surface was used for roughness analysis, with the roughness parameters listed alongside the 2D false-color map of the filtered surface.

ISO 25178-2 – Primary Surface
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm, 1/2 cut-off
F-operation: [Workflow] Leveled (TLSPL)
Height Parameters
Sq	211.440	µm	Wurzel-Mittel-Quadrat-Höhe
Ssk	-0.682		Schrägheit
Sku	3.672		Kurtosis
Sp	522.404	µm	Maximale Peakhöhe
Sv	720.164	µm	Maximum pit depth
Sz	1242.568	µm	Maximale Höhe
Sa	166.719	µm	Arithmetisches Mittel der Höhe

The blue grip sample had an average surface roughness, Sa, of 166.719 µm and a peak-to-valley roughness, Sz, of 1242.568 µm. The negative skewness value, Ssk < 0, indicates that the surface morphology is skewed toward deep valleys, while Sv > Sp shows that the maximum pit depth exceeded the maximum peak height.

The kurtosis value, Sku > 3, indicates a leptokurtotic height distribution, meaning the blue grip surface contains sharper or more extreme peaks and valleys relative to the average plane.

The 2D photo simulation below highlights the blue climbing grip’s surface morphology under artificial lighting.

Pore Morphology Analysis

The detected pore locations were mapped across the scanned 5 mm × 5 mm area to evaluate pore coverage, density, and size distribution.

Information
Method	Circle detection
Features detected	Pores, recessed objects
Minimum detection diameter	0.040 mm
Maximum detection diameter	2.000 mm
Number of detected pores	794
Surface coverage	24.208%
Pore density	31.355 particles/mm²

Parameter	Unit	Mean	Std. Dev.	Min	Max
Global Statistics
Radius	mm	0.035	0.035	0.020	0.218
Void volume	µm³	821,872.849	2,495,310.021	11,009.819	2.929 × 10⁷
Maximum depth	µm	476.053	305.830	16.132	1044.045

Pores covered 24.208% of the blue grip’s scanned surface, with a pore density of 31.355 particles/mm². The detected pores and cracks were highly heterogeneous in size, volume, and depth, ranging from large crater-like features with a maximum radius of 0.218 mm and void volume greater than 2.9 × 10⁷ µm³ to small pores with a minimum radius of 0.020 mm and void volume of approximately 1.1 × 10⁴ µm³.

This uneven distribution is reflected in the large standard deviation measured for void volume and maximum depth. The pore distribution is bimodal, with one population of fine, deep pores and another population of larger crater-like valleys.

Functional Surface Parameters (Abbott-Firestone curve)

The Abbott-Firestone curve shows the cumulative areal material distribution of the blue climbing grip sample. This analysis defines functional surface parameters including Sk, Spk, and Svk according to ISO 25178-2.

Information
Standard	ISO 25178-2
Parameter	Value	Unit
Sk	522.359	µm
Spk	117.670	µm
Svk	295.209	µm
Smrk1	6.122	%
Smrk2	87.456	%

Information
1st threshold	Height – c1: 283.646 µm
2nd threshold	Height – c2: -238.619 µm
Parameters	Unit
Projected area (in %)	%	12.544	81.334	6.122
Projected area	mm²	3.182	20.629	1.553
Volume of material (in %)	%	96.079	48.546	1.514
Volume of material	µm³	1.151 × 10¹⁰	6.431 × 10⁹	9.142 × 10⁷

The blue grip sample shows a dominant mean-plane region with fine, deep pores distributed across the surface and localized peak features. Compared with the yellow grip, the blue grip contains a higher projected peak area and a bimodal pore structure, combining fine recessed pores with larger crater-like valleys.

Schlussfolgerung

In this application, the NANOVEA JR25 Non-Contact Optical Profiler was used to measure the surface roughness, topography, and pore morphology of yellow and blue bouldering grip samples.

Topographic analysis showed that both grip samples had high surface roughness, with Sa values above 100 µm and Sz values above 1000 µm. Both surfaces also showed an asymmetric height distribution skewed toward valleys, indicating that recessed features played a major role in the measured surface morphology.

The yellow grip sample showed higher pore coverage, with pores covering 47.395% of the scanned surface. Its surface was mainly characterized by average-sized pores distributed across the measured area.

The blue grip sample showed lower pore coverage at 24.208%, but a much higher pore density of 31.355 particles/mm². Its pore distribution was bimodal, with a population of fine, deep pores and a separate population of larger crater-like valleys.

These results show how non-contact 3D optical profilometry can quantify climbing hold surface features that are difficult to evaluate from visual inspection alone, including roughness, pore coverage, pore depth, surface height distribution, and functional topography. The blue grip’s higher porosity and bimodal pore structure make it more likely to absorb moisture and chalk at the contact interface, while its elevated roughness and surface morphology support stable friction for shoe rubber and finger contact. The yellow grip’s lower roughness and flatter profile suggest it is better suited for use as a foothold in slab climbing, where broad surface contact matters more than deep textural engagement.

Frequently Asked Questions About Climbing Hold Surface Roughness

What is climbing hold surface roughness?

Climbing hold surface roughness describes the height variation, texture, pores, asperities, and valleys present on the surface of a climbing grip. These features can influence contact behavior between the hold, shoe rubber, skin, chalk, and moisture.

How can climbing hold surface roughness be measured?

Climbing hold surface roughness can be measured using non-contact 3D optical profilometry. This method reconstructs the surface topography and calculates areal roughness parameters such as Sa, Sz, Sp, Sv, Ssk, and Sku without touching or deforming the sample.

Why use non-contact optical profilometry for climbing hold analysis?

Non-contact optical profilometry is useful for climbing hold analysis because climbing grips can contain deep pores, sharp valleys, rough asperities, and irregular surface texture. A contact stylus may lose contact, fail to reach recessed features, or introduce artifacts on complex surfaces.

What does Sa mean in surface roughness analysis?

Sa is the arithmetic mean height of a surface and is commonly used to describe average areal surface roughness. In this app note, both climbing grip samples showed high Sa values above 100 µm, indicating strongly textured surfaces.

What does Sz mean in optical profilometry results?

Sz is the maximum height of the measured surface, calculated from the highest peak to the deepest valley. In climbing hold surface roughness analysis, Sz helps describe the full vertical range of the grip’s surface texture.

Why is pore morphology important for climbing grips?

Pore morphology can affect how a climbing grip interacts with chalk, sweat, humidity, skin, and shoe rubber. Measuring pore coverage, density, depth, and volume helps quantify surface features that are difficult to evaluate by visual inspection alone.

Need Reliable Surface Roughness Analysis?

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.

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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
Averaging (Avg)	1	1	1
Measurement Type	Direct	Direct	Direct
Acquisition Mode	Single Frequency	Single Frequency	Dual 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?

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.

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

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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