Kategorie: Profilometrie | Rauheit und Oberfläche

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Application Note | Stent Coating Adhesion Testing

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Quantifying Coating Failure and Adhesion Performance on Drug-Eluting Stents

Research & Experimental Testing

Duanjie Li, PhD

Visual Design & Editorial

Andrew Shore

Einführung

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

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

Why coating adhesion matters in drug-eluting stents

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

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

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

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

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

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

Measurement Method

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

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

NANOVEA PB1000 Advanced

Mechanischer Tester

Testbedingungen

1. Regular Stent Samples

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

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

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

2. Grooved Stent Samples

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

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

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

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

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

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

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

Ergebnisse und Diskussion

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

1. Regular Stent Samples

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

Two critical loads are identified:

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

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

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

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

(a) Full Scratch Track

(b) Lc1 ≈ 14.5 mN

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

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

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

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

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

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

(a) Sample 1 – Early Coating Failure

(b) Sample 2 – Improved Coating Integrity

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

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

2. Grooved Stent Samples

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Schlussfolgerung

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

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

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

Referenzen

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

Frequently Asked Questions About Stent Coating Adhesion Testing

What is stent coating adhesion testing?

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

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

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

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

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

Why is coating adhesion important in drug-eluting stents?

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

How do you measure coating adhesion inside stent grooves?

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

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

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

How can nano scratch testing compare different coating formulations?

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

Need Reliable Stent Coating Adhesion Testing?

Dental Surface Roughness Measurement & 3D Tooth Topography

Application Note | Dental Surface Characterization

Dental Surface Roughness Measurement and Full 3D Tooth Topography

Surface Roughness Analysis Using Non-Contact Optical Profilometry

Vorbereitet von

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

Einführung

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

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

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

Non-Contact Optical Profilometry for Dental Surface Analysis

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

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

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

Measurement Method

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

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

NANOVEA JR25 Portable
Optisches Profilometer

Surface Measurement Using NANOVEA Optical Profilometer

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

PS2 – MG140

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

PS5 – MG35

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

Messparameter

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

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

Optical Profilometry Results

Surface Roughness Analysis (Area)

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

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

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

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

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

Roughness Analysis (Profiles)

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

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

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

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

F: Keiner

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

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

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

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

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

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

F: Keiner

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

Full 3D Tooth Surface Topography Reconstruction

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

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

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

Schlussfolgerung

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

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

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

Referenzen

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

Frequently Asked Questions About Dental Surface Roughness Measurement

What is dental surface roughness measurement?

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

Why use optical profilometry to measure tooth roughness?

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

What roughness parameters are used for dental surface analysis?

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

Why is surface roughness important in dentistry?

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

Need Reliable Surface Roughness Measurement for Dental Materials?

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

Haben Sie eine ähnliche Anwendung?

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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Rauheitskartierung mit 3D-Profilometrie

PRÜFUNG DER RAUHEITSKARTIERUNG

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

DUANJIE, PhD

EINFÜHRUNG

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

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

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

MESSZIEL

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

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

NANOVEA

ST400

ERGEBNISSE & DISKUSSION

3D-Oberflächenanalyse des Rauhigkeit Standardprobe

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

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

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

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

a. Karte der Oberflächenhöhe:

b. Rauhigkeitskarte:

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

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

Oberflächeninspektion einer Teﬂonprobe mit Defekten

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

a. Karte der Oberflächenhöhe:

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

b. Rauhigkeitskarte:

c. Pass/Fail Roughness Threshold Map:

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

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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Schweißnahtoberflächeninspektion mit einem tragbaren 3D-Profilometer

WELd-Oberflächeninspektion

Verwendung eines tragbaren 3d-Profilometers

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Es kann von entscheidender Bedeutung sein, dass eine bestimmte Schweißnaht, die in der Regel durch eine Sichtprüfung erfolgt, mit einem extremen Präzisionsgrad untersucht wird. Zu den spezifischen Bereichen, die für eine präzise Analyse von Interesse sind, gehören Oberflächenrisse, Porosität und ungefüllte Krater, unabhängig von den nachfolgenden Prüfverfahren. Schweißnahtmerkmale wie Abmessungen/Form, Volumen, Rauheit, Größe usw. können zur kritischen Bewertung gemessen werden.

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE SCHWEISSNAHTOBERFLÄCHENPRÜFUNG

Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Touch Probes oder Interferometrie bietet die NANOVEA Berührungsloses 3D-ProfilometerMithilfe des axialen Chromatismus kann nahezu jede Oberfläche gemessen werden, die Probengröße kann aufgrund der offenen Bereitstellung stark variieren und es ist keine Probenvorbereitung erforderlich. Der Nano- bis Makrobereich wird während der Oberflächenprofilmessung ohne Einfluss des Probenreflexionsvermögens oder der Probenabsorption erzielt, verfügt über eine erweiterte Fähigkeit zur Messung großer Oberflächenwinkel und es gibt keine Softwaremanipulation der Ergebnisse. Messen Sie ganz einfach jedes Material: transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffus, poliert, rau usw. Die 2D- und 2D-Funktionen der tragbaren NANOVEA-Profilometer machen sie zu idealen Instrumenten für die vollständige Inspektion von Schweißoberflächen sowohl im Labor als auch vor Ort.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird der NANOVEA JR25 Portable Profiler verwendet, um die Oberflächenrauheit, die Form und das Volumen einer Schweißnaht sowie die Umgebung zu messen. Diese Daten können wichtige Informationen liefern, um die Qualität der Schweißnaht und des Schweißprozesses richtig zu untersuchen.

NANOVEA

JR25

TESTERGEBNISSE

Das Bild unten zeigt die vollständige 3D-Ansicht der Schweißnaht und des umgebenden Bereichs zusammen mit den Oberflächenparametern der Schweißnaht. Das 2D-Querschnittsprofil ist unten dargestellt.

die Probe

Mit dem obigen 2D-Querschnittsprofil, das aus dem 3D-Profil entfernt wurde, werden die Dimensionsinformationen der Schweißnaht unten berechnet. Oberfläche und Volumen des Materials werden nur für die Schweißnaht berechnet.

	HOLE	PEAK
OBERFLÄCHE	1,01 mm²	14,0 mm²
VOLUME	8,799e-5 mm³	23,27 mm³
MAXIMALE TIEFE/HÖHE	0,0276 mm	0,6195 mm
MITTLERE TIEFE/HÖHE	0,004024 mm	0,2298 mm

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose 3D-Profiler NANOVEA kritische Eigenschaften einer Schweißnaht und der sie umgebenden Oberfläche präzise charakterisieren kann. Anhand der Rauheit, der Abmessungen und des Volumens kann eine quantitative Methode für Qualität und Wiederholbarkeit bestimmt und weiter untersucht werden. Musterschweißnähte, wie das Beispiel in dieser App Note, können mit einem Standard-Tischgerät oder einem tragbaren NANOVEA Profiler für Inhouse- oder Feldtests leicht analysiert werden.

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Bewertung von Kratzern und Abnutzungserscheinungen bei industriellen Beschichtungen

INDUSTRIELLE BESCHICHTUNG

BEWERTUNG VON KRATZERN UND VERSCHLEISS MIT EINEM TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD & ANDREA HERRMANN

EINFÜHRUNG

Urethan-Acrylfarbe ist eine schnell trocknende Schutzbeschichtung, die in einer Vielzahl industrieller Anwendungen wie Fußboden- und Autolackierung und anderen eingesetzt wird. Als Bodenfarbe kann sie in Bereichen eingesetzt werden, die stark begangen und befahren werden, z. B. Gehwege, Bordsteine und Parkplätze.

BEDEUTUNG VON KRATZ- UND VERSCHLEISSTESTS FÜR DIE QUALITÄTSKONTROLLE

Traditionell wurden Taber-Abriebtests durchgeführt, um die Verschleißfestigkeit von Acryl-Urethan-Bodenbelägen gemäß der Norm ASTM D4060 zu bewerten. In der Norm heißt es jedoch: "Bei einigen Materialien können Abriebtests mit dem Taber Abraser aufgrund von Änderungen der Abriebeigenschaften des Rades während des Tests Schwankungen unterliegen. "1 Dies kann zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der Testergebnisse führen und den Vergleich der von verschiedenen Labors gemeldeten Werte erschweren. Darüber hinaus wird bei den Taber-Abriebtests die Abriebfestigkeit als Gewichtsverlust bei einer bestimmten Anzahl von Abriebzyklen berechnet. Acryl-Urethan-Bodenfarben haben jedoch eine empfohlene Trockenschichtdicke von 37,5-50 μm2.

Der aggressive Abrieb durch den Taber Abraser kann die Acryl-Urethan-Beschichtung schnell abnutzen und zu einem Massenverlust des Substrats führen, was zu erheblichen Fehlern bei der Berechnung des Gewichtsverlusts der Farbe führt. Die Implantation von Schleifpartikeln in den Lack während des Abriebtests trägt ebenfalls zu Fehlern bei. Daher ist eine gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Messung von entscheidender Bedeutung, um eine reproduzierbare Bewertung der Abnutzung des Lacks zu gewährleisten. Darüber hinaus ist die Kratzertest ermöglicht es den Benutzern, vorzeitige Klebstoff-/Kohäsionsfehler in realen Anwendungen zu erkennen.

MESSZIEL

In dieser Studie stellen wir NANOVEA vor Tribometer und Mechanische Prüfgeräte eignen sich ideal zur Bewertung und Qualitätskontrolle von Industriebeschichtungen.

Mit dem NANOVEA Tribometer wird der Abnutzungsprozess von Acryl-Urethan-Fußbodenlacken mit verschiedenen Decklacken kontrolliert und überwacht simuliert. Mit Hilfe von Mikrokratztests wird die Belastung gemessen, die erforderlich ist, um ein kohäsives oder adhäsives Versagen des Lacks zu verursachen.

NANOVEA T100

Das kompakte pneumatische Tribometer

NANOVEA PB1000

Das mechanische Prüfgerät mit großer Plattform

TESTVORGANG

In dieser Studie werden vier handelsübliche Acrylbodenbeschichtungen auf Wasserbasis bewertet, die dieselbe Grundierung (Basecoat) und verschiedene Deckbeschichtungen mit derselben Rezeptur aufweisen, wobei die Additivmischungen zur Verbesserung der Haltbarkeit geringfügig geändert wurden. Diese vier Beschichtungen werden als Muster A, B, C und D bezeichnet.

ABNUTZUNGSTEST

Das NANOVEA Tribometer wurde zur Bewertung des tribologischen Verhaltens, z. B. Reibungskoeffizient, COF und Verschleißfestigkeit, eingesetzt. Auf die getesteten Lacke wurde eine SS440-Kugelspitze (Durchmesser 6 mm, Güteklasse 100) aufgetragen. Der COF wurde vor Ort aufgezeichnet. 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 von NANOVEA bewertet Optisches Profilometerund die Morphologie der Verschleißspuren wurde mit einem optischen Mikroskop untersucht.

PARAMETER DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

NORMALE KRAFT

20 N

SPEED

15 m/min

TESTDAUER

100, 150, 300 und 800 Zyklen

SCRATCH TEST

Mit dem NANOVEA-Mechanikprüfgerät, das mit einer Rockwell-C-Diamantnadel (Radius 200 μm) ausgestattet ist, wurden die Lackproben im Micro Scratch Tester-Modus unter progressiver Belastung geritzt. Es wurden zwei Endbelastungen verwendet: 5 N Endlast zur Untersuchung der Ablösung der Farbe vom Primer und 35 N zur Untersuchung der Ablösung des Primers von den Metallsubstraten. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, wurden an jeder Probe drei Tests unter denselben Bedingungen durchgeführt.

Panoramabilder der gesamten Kratzspuren wurden automatisch erstellt, und die kritischen Bruchstellen wurden von der Systemsoftware mit den aufgebrachten Lasten korreliert. Diese Softwarefunktion erleichtert es den Anwendern, die Kratzspuren jederzeit zu analysieren, anstatt die kritische Last unmittelbar nach den Kratztests unter dem Mikroskop bestimmen zu müssen.

SCRATCH-TEST-PARAMETER

LADUNGSTYP	Progressiv
ANFANGSLADUNG	0,01 mN
ENDLADUNG	5 N / 35 N
LADUNGSVERFAHREN	10 / 70 N/min
SCRATCH LENGTH	3 mm
KREUZGESCHWINDIGKEIT, dx/dt	6,0 mm/min
EINDRINGKÖRPERGEOMETRIE	120º Kegel
INDENTER MATERIAL (Spitze)	Diamant
RADIUS DER EINDRINGKÖRPERSPITZE	200 μm

ERGEBNISSE DER VERSCHLEISSPRÜFUNG

An jeder Probe wurden vier Stift-auf-Scheibe-Verschleißtests mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen (100, 150, 300 und 800 Zyklen) durchgeführt, um die Entwicklung des Verschleißes zu beobachten. Die Oberflächenmorphologie der Proben wurde mit einem berührungslosen NANOVEA 3D-Profiler gemessen, um die Oberflächenrauheit vor der Durchführung der Verschleißtests zu quantifizieren. Alle Proben wiesen eine vergleichbare Oberflächenrauhigkeit von etwa 1 μm auf, wie in ABBILDUNG 1 dargestellt. Die COF wurde während der Verschleißtests vor Ort aufgezeichnet, wie in ABBILDUNG 2 dargestellt. ABBILDUNG 4 zeigt die Entwicklung der Verschleißspuren nach 100, 150, 300 und 800 Zyklen, und ABBILDUNG 3 fasst die durchschnittliche Verschleißrate der verschiedenen Proben in den verschiedenen Phasen des Verschleißprozesses zusammen.

Im Vergleich zu einem COF-Wert von ~0,07 für die anderen drei Proben weist Probe A zu Beginn einen viel höheren COF-Wert von ~0,15 auf, der allmählich ansteigt und nach 300 Verschleißzyklen bei ~0,3 stabil wird. Ein solch hoher COF beschleunigt den Abnutzungsprozess und erzeugt eine beträchtliche Menge an Lackresten, wie in ABBILDUNG 4 zu sehen ist - die Deckschicht von Probe A wurde bereits bei den ersten 100 Umdrehungen entfernt. Wie in ABBILDUNG 3 dargestellt, weist Probe A die höchste Verschleißrate von ~5 μm2/N in den ersten 300 Zyklen auf, die aufgrund der besseren Verschleißfestigkeit des Metallsubstrats leicht auf ~3,5 μm2/N abnimmt. Die Deckschicht von Probe C beginnt nach 150 Verschleißzyklen zu versagen, wie in ABBILDUNG 4 dargestellt, was auch durch den Anstieg der COF in ABBILDUNG 2 angezeigt wird.

Im Vergleich dazu zeigen Probe B und Probe D verbesserte tribologische Eigenschaften. Probe B behält während des gesamten Tests einen niedrigen COF bei - der COF steigt leicht von ~0,05 auf ~0,1 an. Ein solcher Schmiereffekt erhöht die Verschleißfestigkeit erheblich - die Deckschicht bietet auch nach 800 Verschleißzyklen noch einen besseren Schutz als die darunter liegende Grundierung. Die niedrigste durchschnittliche Abnutzungsrate von nur ~0,77 μm2/N wird für Probe B bei 800 Zyklen gemessen. Die Deckschicht von Probe D beginnt sich nach 375 Zyklen abzulösen, wie der abrupte Anstieg der COF in ABBILDUNG 2 zeigt. Die durchschnittliche Verschleißrate von Probe D beträgt ~1,1 μm2/N bei 800 Zyklen.

Im Vergleich zu den herkömmlichen Taber-Abriebmessungen liefert das NANOVEA Tribometer gut kontrollierte, quantifizierbare und zuverlässige Verschleißbewertungen, die eine reproduzierbare Bewertung und Qualitätskontrolle von kommerziellen Boden-/Autolacken gewährleisten. Darüber hinaus ermöglicht die Fähigkeit der In-situ-COF-Messungen den Nutzern, die verschiedenen Stadien eines Verschleißprozesses mit der Entwicklung der COF zu korrelieren, was für die Verbesserung des grundlegenden Verständnisses des Verschleißmechanismus und der tribologischen Eigenschaften verschiedener Lackbeschichtungen entscheidend ist.

ABBILDUNG 1: 3D-Morphologie und Rauheit der Lackproben.

ABBILDUNG 2: COF während Pin-on-Disk-Tests.

ABBILDUNG 3: Entwicklung der Verschleißrate verschiedener Lacke.

ABBILDUNG 4: Entwicklung der Verschleißspuren während der Stift-Scheibe-Tests.

SCRATCH-TEST-ERGEBNISSE

ABBILDUNG 5 zeigt das Diagramm der Normalkraft, der Reibungskraft und der wahren Tiefe als Funktion der Kratzerlänge für Probe A als Beispiel. Ein optionales Schallemissionsmodul kann installiert werden, um weitere Informationen zu erhalten. Da die Normalkraft linear ansteigt, sinkt die Eindringspitze allmählich in die geprüfte Probe ein, was sich in der progressiven Zunahme der wahren Tiefe widerspiegelt. Die Veränderung der Steigung der Kurven für die Reibungskraft und die tatsächliche Tiefe kann als eine der Anzeichen für das Auftreten von Beschichtungsfehlern verwendet werden.

ABBILDUNG 5: Normalkraft, Reibungskraft und wahre Tiefe als Funktion der Kratzlänge für Kratztest von Probe A mit einer maximalen Belastung von 5 N.

ABBILDUNG 6 und ABBILDUNG 7 zeigen die vollständigen Kratzer aller vier getesteten Lackproben mit einer maximalen Belastung von 5 N bzw. 35 N. Probe D benötigte eine höhere Belastung von 50 N, um die Grundierung abzulösen. Die Kratztests bei 5 N Endlast (ABBILDUNG 6) bewerten das kohäsive/adhäsive Versagen des Decklacks, während die Kratztests bei 35 N (ABBILDUNG 7) die Delaminierung der Grundierung bewerten. Die Pfeile in den Schliffbildern zeigen den Punkt an, an dem die Deckschicht oder die Grundierung beginnt, sich vollständig von der Grundierung oder dem Substrat zu lösen. Die Belastung an diesem Punkt, die so genannte kritische Last (Critical Load, Lc), wird zum Vergleich der Kohäsions- oder Adhäsionseigenschaften der Farbe verwendet, wie in Tabelle 1 zusammengefasst.

Es ist offensichtlich, dass die Lackprobe D die beste Grenzflächenhaftung aufweist - mit den höchsten Lc-Werten von 4,04 N bei der Ablösung des Lacks und 36,61 N bei der Ablösung des Primers. Probe B weist die zweitbeste Kratzfestigkeit auf. Aus der Kratzanalyse geht hervor, dass die Optimierung der Lackrezeptur entscheidend für das mechanische Verhalten, genauer gesagt für die Kratzfestigkeit und die Haftungseigenschaften von Acrylbodenlacken ist.

Tabelle 1: Zusammenfassung der kritischen Belastungen.

ABBILDUNG 6: Mikroskopische Aufnahmen eines vollständigen Kratzers mit einer maximalen Belastung von 5 N.

ABBILDUNG 7: Mikroskopische Aufnahmen eines vollständigen Kratzers mit einer maximalen Belastung von 35 N.

SCHLUSSFOLGERUNG

Im Vergleich zu den herkömmlichen Taber-Abriebmessungen sind der NANOVEA Mechanical Tester und das Tribometer hervorragende Werkzeuge für die Bewertung und Qualitätskontrolle von kommerziellen Boden- und Automobilbeschichtungen. Der NANOVEA Mechanical Tester kann im Scratch-Modus Adhäsions-/Kohäsionsprobleme in einem Beschichtungssystem erkennen. Das NANOVEA Tribometer bietet eine gut kontrollierte, quantifizierbare und wiederholbare tribologische Analyse der Verschleißfestigkeit und des Reibungskoeffizienten der Beschichtungen.

Auf der Grundlage der umfassenden tribologischen und mechanischen Analysen der in dieser Studie getesteten wasserbasierten Acrylbodenbeschichtungen zeigen wir, dass Probe B die niedrigste COF- und Verschleißrate und die zweitbeste Kratzfestigkeit aufweist, während Probe D die beste Kratzfestigkeit und die zweitbeste Verschleißfestigkeit zeigt. Diese Bewertung ermöglicht es uns, den besten Kandidaten für die Anforderungen in verschiedenen Anwendungsumgebungen zu bewerten und auszuwählen.

Die Nano- und Mikromodule des NANOVEA-Mechanik-Testers beinhalten alle ISO- und ASTM-konforme Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungsmodi und bieten damit das breiteste Prüfspektrum für die Lackbewertung in einem einzigen Modul. Das NANOVEA Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, wobei optionale Module für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System erhältlich sind. Die unübertroffene Produktpalette von NANOVEA ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite mechanischer/tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, E-Modul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen. Optional sind berührungslose optische NANOVEA-Profiler für die hochauflösende 3D-Darstellung von Kratzern und Verschleißspuren sowie für andere Oberflächenmessungen wie z. B. die Rauheit erhältlich.

UND NUN ZU IHRER BEWERBUNG

Fraktographie-Analyse mit 3D-Profilometrie

FRAKTOGRAPHIE-ANALYSE

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

CRAIG LEISING

EINFÜHRUNG

Unter Fraktographie versteht man die Untersuchung von Merkmalen auf gebrochenen Oberflächen und wurde in der Vergangenheit mittels Mikroskop oder REM untersucht. Abhängig von der Größe des Merkmals werden für die Oberflächenanalyse ein Mikroskop (Makromerkmale) oder ein REM (Nano- und Mikromerkmale) ausgewählt. Beides ermöglicht letztlich die Identifizierung des Frakturmechanismustyps. Obwohl das Mikroskop effektiv ist, weist es klare Einschränkungen auf, und das REM ist in den meisten Fällen, abgesehen von der Analyse auf atomarer Ebene, für die Messung von Bruchflächen unpraktisch und verfügt nicht über eine breitere Einsatzmöglichkeit. Mit Fortschritten in der optischen Messtechnik ist das NANOVEA Berührungsloses 3D-Profilometer gilt heute als das Instrument der Wahl, da es in der Lage ist, 2D- und 3D-Oberflächenmessungen im Nano- bis Makromaßstab durchzuführen

BEDEUTUNG DES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE BRUCHPRÜFUNG

Im Gegensatz zu einem SEM kann ein berührungsloses 3D-Profilometer nahezu jede Oberfläche und Probengröße mit minimaler Probenvorbereitung messen und bietet dabei bessere vertikale/horizontale Abmessungen als ein SEM. Mit einem Profilometer werden Merkmale im Nano- bis Makrobereich in einer einzigen Messung erfasst, ohne dass die Reflektivität der Probe eine Rolle spielt. Sie können problemlos jedes Material messen: transparent, undurchsichtig, spiegelnd, diffus, poliert, rau usw. Das berührungslose 3D-Profilometer bietet umfassende und benutzerfreundliche Funktionen zur Maximierung von Oberflächenbruchstudien zu einem Bruchteil der Kosten eines REM.

MESSZIEL

In dieser Anwendung wird das NANOVEA ST400 zur Messung der gebrochenen Oberfläche einer Stahlprobe verwendet. In dieser Studie werden wir eine 3D-Fläche, eine 2D-Profilextraktion und eine Richtungskarte der Oberfläche zeigen.

NANOVEA

ST400

ERGEBNISSE

OBERFLÄCHE

3D-Oberflächentextur Richtung

Isotropie	51.26%
Erste Richtung	123.2º
Zweite Richtung	116.3º
Dritte Richtung	0.1725º

Oberfläche, Volumen, Rauheit und viele andere können automatisch aus dieser Extraktion berechnet werden.

2D-Profil-Extraktion

ERGEBNISSE

SEITENOBERFLÄCHE

3D-Oberflächentextur Richtung

Isotropie	15.55%
Erste Richtung	0.1617º
Zweite Richtung	110.5º
Dritte Richtung	171.5º

Oberfläche, Volumen, Rauheit und viele andere können automatisch aus dieser Extraktion berechnet werden.

2D-Profil-Extraktion

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA ST400 die gesamte Topografie (Nano-, Mikro- und Makromerkmale) einer gebrochenen Oberfläche präzise charakterisieren kann. Aus dem 3D-Bereich kann die Oberfläche eindeutig identifiziert werden, und Teilbereiche oder Profile/Querschnitte können schnell extrahiert und mit einer endlosen Liste von Oberflächenberechnungen analysiert werden. Oberflächenmerkmale im Subnanometerbereich können mit einem integrierten AFM-Modul weiter analysiert werden.

Darüber hinaus hat NANOVEA eine tragbare Version seines Profilometers entwickelt, die sich besonders für Feldstudien eignet, bei denen die Bruchfläche nicht bewegt werden kann. Mit dieser umfangreichen Liste von Oberflächenmessfunktionen war die Analyse von Bruchflächen noch nie so einfach und bequem mit einem einzigen Gerät.

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Polymerriemenverschleiß und Reibung mit einem Tribometer

POLYMER-GURTE

Abnutzung und Reibung mit einem TRIBOMETER

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Riemenantriebe übertragen Leistung und verfolgen die Relativbewegung zwischen zwei oder mehr rotierenden Wellen. Als einfache und kostengünstige Lösung mit minimalem Wartungsaufwand sind Riemenantriebe in einer Vielzahl von Anwendungen weit verbreitet, z. B. bei Bügelsägen, Sägewerken, Dreschmaschinen, Silogebläsen und Förderanlagen. Riemenantriebe können die Maschinen vor Überlast schützen sowie Schwingungen dämpfen und isolieren.

BEDEUTUNG DER VERSCHLEISSBEWERTUNG FÜR RIEMENANTRIEBE

Reibung und Verschleiß sind für die Riemen in einer riemengetriebenen Maschine unvermeidlich. Eine ausreichende Reibung sorgt für eine effektive Kraftübertragung ohne Schlupf, aber eine übermäßige Reibung kann den Riemen schnell verschleißen. Während des Betriebs des Riemenantriebs treten verschiedene Arten von Verschleiß auf, wie Ermüdung, Abrieb und Reibung. Um die Lebensdauer des Riemens zu verlängern und die Kosten und den Zeitaufwand für die Reparatur und den Austausch des Riemens zu senken, ist eine zuverlässige Bewertung des Verschleißverhaltens der Riemen wünschenswert, um die Lebensdauer des Riemens, die Produktionseffizienz und die Anwendungsleistung zu verbessern. Die genaue Messung des Reibungskoeffizienten und der Verschleißrate des Riemens erleichtert die Forschung und Entwicklung sowie die Qualitätskontrolle der Riemenproduktion.

MESSZIEL

In dieser Studie haben wir das Verschleißverhalten von Riemen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen simuliert und verglichen, um die Leistungsfähigkeit des Systems zu demonstrieren. NANOVEA T2000 Tribometer bei der kontrollierten und überwachten Simulation des Verschleißprozesses des Riemens.

NANOVEA

T2000

PRÜFVERFAHREN

Der Reibungskoeffizient (COF) und die Verschleißfestigkeit von zwei Riemen mit unterschiedlicher Oberflächenrauheit und -struktur wurden mit dem NANOVEA Hohe Belastung Tribometer unter Verwendung des linear hin- und hergehenden Verschleißmoduls. Als Gegenmaterial wurde eine Kugel aus Stahl 440 (10 mm Durchmesser) verwendet. Die Oberflächenrauheit und die Verschleißspur wurden mit einem integrierten Prüfgerät untersucht Berührungsloses 3D-Profilometer. Die Verschleißrate, Kwurde anhand der folgenden Formel bewertet K=Vl(Fxs), wobei V ist das abgenutzte Volumen, F ist die Normalbelastung und s ist die Gleitstrecke.

Bitte beachten Sie, dass in dieser Studie eine glatte 440er Stahlkugel als Beispiel verwendet wurde. Jedes feste Material mit unterschiedlichen Formen und Oberflächenbeschaffenheiten kann mit Hilfe spezieller Vorrichtungen verwendet werden, um die tatsächliche Anwendungssituation zu simulieren.

ERGEBNISSE & DISKUSSION

Der strukturierte Gürtel und der glatte Gürtel haben eine Oberflächenrauhigkeit Ra von 33,5 bzw. 8,7 um, wie aus den analysierten Oberflächenprofilen hervorgeht, die mit einer NANOVEA Berührungsloser optischer 3D-Profiler. Der COF und die Verschleißrate der beiden getesteten Riemen wurden bei 10 N bzw. 100 N gemessen, um das Verschleißverhalten der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen zu vergleichen.

ABBILDUNG 1 zeigt die Entwicklung des COF der Riemen während der Verschleißtests. Die Riemen mit unterschiedlichen Texturen weisen ein deutlich unterschiedliches Verschleißverhalten auf. Interessanterweise erreicht der strukturierte Riemen nach der Einlaufphase, in der der COF allmählich ansteigt, einen niedrigeren COF von ~0,5 in beiden Tests, die mit einer Last von 10 N und 100 N durchgeführt wurden. Im Vergleich dazu weist der glatte Riemen, der mit einer Last von 10 N getestet wurde, einen deutlich höheren COF von ~1,4 auf, wenn der COF stabil wird, und bleibt für den Rest des Tests über diesem Wert. Der mit einer Belastung von 100 N getestete Glattriemen wurde durch die Stahlkugel 440 schnell verschlissen und bildete eine große Verschleißspur. Der Test wurde daher bei 220 Umdrehungen abgebrochen.

ABBILDUNG 1: Entwicklung des COF der Riemen bei unterschiedlichen Belastungen.

ABBILDUNG 2 vergleicht die 3D-Verschleißspurenbilder nach den Tests mit 100 N. Das berührungslose 3D-Profilometer NANOVEA bietet ein Werkzeug zur Analyse der detaillierten Morphologie der Verschleißspuren, das weitere Einblicke in das grundlegende Verständnis des Verschleißmechanismus ermöglicht.

TABELLE 1: Ergebnis der Analyse der Verschleißspuren.

ABBILDUNG 2: 3D-Ansicht der beiden Bänder
nach den Tests bei 100 N.

Das 3D-Verschleißspurprofil ermöglicht eine direkte und genaue Bestimmung des von der fortschrittlichen Analysesoftware berechneten Verschleißspurvolumens, wie in TABELLE 1 dargestellt. Bei einem Verschleißtest mit 220 Umdrehungen weist der Glattriemen eine viel größere und tiefere Verschleißspur mit einem Volumen von 75,7 mm3 auf, während das Verschleißvolumen des Strukturriemens nach einem Verschleißtest mit 600 Umdrehungen 14,0 mm3 beträgt. Die deutlich höhere Reibung des Glattriemens an der Stahlkugel führt zu einer 15-fach höheren Verschleißrate im Vergleich zum strukturierten Riemen.

Ein solch drastischer Unterschied der COF zwischen dem strukturierten und dem glatten Gürtel hängt möglicherweise mit der Größe der Kontaktfläche zwischen dem Gürtel und der Stahlkugel zusammen, was auch zu ihrem unterschiedlichen Verschleißverhalten führt. ABBILDUNG 3 zeigt die Verschleißspuren der beiden Riemen unter dem Lichtmikroskop. Die Untersuchung der Verschleißspuren stimmt mit der Beobachtung der COF-Entwicklung überein: Der strukturierte Gurt, der einen niedrigen COF von ~0,5 aufweist, zeigt nach dem Verschleißtest bei einer Belastung von 10 N keine Anzeichen von Verschleiß. Der glatte Gurt zeigt eine kleine Verschleißspur bei 10 N. Die Verschleißtests bei 100 N erzeugen sowohl auf dem strukturierten als auch auf dem glatten Gurt wesentlich größere Verschleißspuren, und die Verschleißrate wird anhand von 3D-Profilen berechnet, wie im folgenden Abschnitt erläutert wird.

ABBILDUNG 3: Abnutzungsspuren unter dem Lichtmikroskop.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir die Fähigkeit des NANOVEA T2000 Tribometers aufgezeigt, den Reibungskoeffizienten und die Verschleißrate von Riemen kontrolliert und quantitativ zu bestimmen. Die Oberflächentextur spielt eine entscheidende Rolle für die Reibung und den Verschleißwiderstand der Riemen während ihres Einsatzes. Der strukturierte Riemen weist einen stabilen Reibungskoeffizienten von ~0,5 auf und besitzt eine lange Lebensdauer, was zu einem geringeren Zeit- und Kostenaufwand für die Reparatur oder den Austausch von Werkzeugen führt. Die übermäßige Reibung des glatten Riemens an der Stahlkugel führt dagegen zu einer schnellen Abnutzung des Riemens. Außerdem ist die Belastung des Riemens ein entscheidender Faktor für seine Lebensdauer. Eine Überlastung erzeugt eine sehr hohe Reibung, die zu einem beschleunigten Verschleiß des Riemens führt.

Das NANOVEA T2000 Tribometer bietet präzise und wiederholbare Verschleiß- und Reibungstests mit ISO- und ASTM-konformen Rotations- und Linearmodi, mit optionalen Modulen für Hochtemperaturverschleiß, Schmierung und Tribokorrosion in einem vorintegrierten System. NANOVEAs unmatched ist die ideale Lösung für die Bestimmung der gesamten Bandbreite tribologischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten.

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Fossiles Mikrogefüge mit 3D-Profilometrie

FOSSILES GEFÜGE

3D-PROFILOMETRIE VERWENDEN

Vorbereitet von

DUANJIE LI, PhD

EINFÜHRUNG

Fossilien sind die konservierten Überreste von Pflanzen, Tieren und anderen Organismen, die im Sediment unter alten Meeren, Seen und Flüssen vergraben sind. Das weiche Körpergewebe zerfällt normalerweise nach dem Tod, aber die harten Schalen, Knochen und Zähne versteinern. Mikrostrukturelle Oberflächenmerkmale bleiben oft erhalten, wenn die ursprünglichen Schalen und Knochen durch Mineralien ersetzt werden, was Aufschluss über die Entwicklung der Witterung und den Entstehungsmechanismus der Fossilien gibt.

BEDEUTUNG EINES BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETERS FÜR DIE UNTERSUCHUNG VON FOSSILIEN

3D-Profile des Fossils ermöglichen es uns, die detaillierten Oberflächenmerkmale der Fossilprobe aus einem näheren Blickwinkel zu betrachten. Die hohe Auflösung und Genauigkeit des NANOVEA-Profilometers sind mit bloßem Auge möglicherweise nicht erkennbar. Die Analysesoftware des Profilometers bietet eine breite Palette von Studien, die auf diese einzigartigen Oberflächen anwendbar sind. Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Touch Probes bietet der NANOVEA Berührungsloses 3D-Profilometer Misst die Oberflächenmerkmale, ohne die Probe zu berühren. Dies ermöglicht die Erhaltung der wahren Oberflächenmerkmale bestimmter empfindlicher Fossilienproben. Darüber hinaus ermöglicht das tragbare Profilometer Modell Jr25 3D-Messungen an Fossilienstandorten, was die Fossilanalyse und den Schutz nach der Ausgrabung erheblich erleichtert.

MESSZIEL

In dieser Studie wird das NANOVEA Jr25 Profilometer verwendet, um die Oberfläche von zwei repräsentativen Fossilienproben zu messen. Die gesamte Oberfläche jedes Fossils wurde gescannt und analysiert, um die Oberflächenmerkmale zu charakterisieren, darunter Rauheit, Kontur und Texturrichtung.

NANOVEA

Jr25

FOSSIL EINES BRACHIOPODEN

Die erste fossile Probe, die in diesem Bericht vorgestellt wird, ist ein Brachiopod-Fossil, das von einem Meerestier stammt, das an der Ober- und Unterseite harte "Klappen" (Schalen) hat. Sie traten erstmals im Kambrium auf, das heißt vor mehr als 550 Millionen Jahren.

Die 3D-Ansicht des Scans ist in ABBILDUNG 1 und die Falschfarbenansicht in ABBILDUNG 2 dargestellt.

ABBILDUNG 1: 3D-Ansicht der fossilen Brachiopodenprobe.

ABBILDUNG 2: Falschfarbenansicht der fossilen Brachiopodenprobe.

Die Gesamtform wurde dann von der Oberfläche entfernt, um die lokale Oberflächenmorphologie und -kontur des Brachiopodenfossils zu untersuchen (siehe ABBILDUNG 3). Auf dem Brachiopoden-Fossil ist nun eine eigentümliche, divergierende Rillentextur zu beobachten.

ABBILDUNG 3: Falschfarbenansicht und Konturlinienansicht nach dem Entfernen der Form.

Aus dem strukturierten Bereich wird ein Linienprofil extrahiert, um eine Querschnittsansicht der fossilen Oberfläche zu zeigen (ABBILDUNG 4). Die Stufenhöhenstudie misst die genauen Abmessungen der Oberflächenmerkmale. Die Rillen weisen eine durchschnittliche Breite von ~0,38 mm und eine Tiefe von ~0,25 mm auf.

ABBILDUNG 4: Studien zum Linienprofil und zur Stufenhöhe der strukturierten Oberfläche.

SEELILIENSTAMM-FOSSIL

Bei der zweiten fossilen Probe handelt es sich um ein Stammfossil einer Seelilie. Stachelhäuter tauchten erstmals in den Meeren des mittleren Kambriums auf, etwa 300 Millionen Jahre vor den Dinosauriern.

Die 3D-Ansicht des Scans ist in ABBILDUNG 5 und die Falschfarbenansicht in ABBILDUNG 6 dargestellt.

ABBILDUNG 5: 3D-Ansicht der fossilen Crinoidenprobe.

Die Isotropie der Oberflächentextur und die Rauheit des Crinoiden-Stammfossils werden in ABBILDUNG 7 analysiert.

Dieses Fossil weist eine bevorzugte Texturrichtung in einem Winkel nahe 90° auf, was zu einer Isotropie der Textur von 69% führt.

ABBILDUNG 6: Falschfarbenansicht des Stiel einer Seelilie Probe.

ABBILDUNG 7: Isotropie der Oberflächentextur und Rauheit des Stammfossils der Crinoide.

Das 2D-Profil entlang der axialen Richtung des Crinoiden-Stammfossils ist in ABBILDUNG 8 dargestellt.

Die Größe der Spitzen der Oberflächentextur ist ziemlich einheitlich.

ABBILDUNG 8: 2D-Profilanalyse des Crinoiden-Stammfossils.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir die 3D-Oberflächenmerkmale eines fossilen Brachiopoden- und Crinoidenstamms mit dem tragbaren berührungslosen Profilometer NANOVEA Jr25 umfassend untersucht. Wir zeigen, dass das Gerät die 3D-Morphologie der fossilen Proben präzise charakterisieren kann. Die interessanten Oberflächenmerkmale und Texturen der Proben werden dann weiter analysiert. Die Brachiopodenprobe weist eine divergente Rillentextur auf, während das Crinoidenstammfossil eine bevorzugte Texturisotropie zeigt. Die detaillierten und präzisen 3D-Oberflächenscans erweisen sich als ideale Werkzeuge für Paläontologen und Geologen, um die Entwicklung des Lebens und die Entstehung von Fossilien zu untersuchen.

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Produkte

Profilometer

PS50 - Advanced Compact

JR25 - Portable Compact

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