Kategorie: Anwendungshinweise

Kriechverformung von Polymeren mittels Nanoindentation

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KRIECHVERFORMUNG

VON POLYMEREN MITTELS NANOINDENTATION

Vorbereitet von

DUANJIE LIPhD

EINFÜHRUNG

Als viskoelastische Werkstoffe verformen sich Polymere unter einer bestimmten Belastung häufig zeitabhängig, was auch als Kriechen bezeichnet wird. Das Kriechen wird zu einem kritischen Faktor, wenn die Polymerteile für eine Dauerbelastung ausgelegt sind, wie z. B. bei Strukturbauteilen, Verbindungen und Armaturen sowie hydrostatischen Druckbehältern.

BEDEUTUNG DER KRIECHMESSUNG FÜR POLYMERS

Die inhärente Natur der Viskoelastizität spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung von Polymeren und beeinflusst direkt deren Betriebszuverlässigkeit. Die Umgebungsbedingungen wie Belastung und Temperatur beeinflussen das Kriechverhalten der Polymere. Kriechausfälle treten häufig auf, weil das zeitabhängige Kriechverhalten der verwendeten Polymermaterialien unter bestimmten Betriebsbedingungen nicht berücksichtigt wird. Daher ist es wichtig, einen zuverlässigen und quantitativen Test des viskoelastischen mechanischen Verhaltens der Polymere zu entwickeln. Das Nano-Modul der NANOVEA Mechanische Prüfgeräte bringt die Last mit einem hochpräzisen Piezo auf und misst die Kraft- und Wegentwicklung direkt vor Ort. Die Kombination aus Genauigkeit und Wiederholbarkeit macht es zu einem idealen Werkzeug für die Kriechmessung.

MESSZIEL

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, dass
der mechanische Tester NANOVEA PB1000
In Nanoindentation Der Modus ist ein ideales Werkzeug
zur Untersuchung viskoelastischer mechanischer Eigenschaften
einschließlich Härte, Elastizitätsmodul
und Kriechen von polymeren Werkstoffen.

NANOVEA

PB1000

TESTBEDINGUNGEN

Acht verschiedene Polymerproben wurden mittels Nanoindentationstechnik mit dem NANOVEA PB1000 Mechanikprüfgerät getestet. Da die Belastung linear von 0 bis 40 mN anstieg, nahm die Tiefe während der Belastungsphase progressiv zu. Das Kriechen wurde dann anhand der Veränderung der Eindringtiefe bei der maximalen Belastung von 40 mN für 30 s gemessen.

MAXIMALE BELASTUNG 40 mN

LADUNGSVERFAHREN
80 mN/min

ENTLADUNGSRATE 80 mN/min

KREUZZEIT
30 s

INDENTER-TYP

Berkovich

Diamant

*Aufbau des Nanoindentationstests

ERGEBNISSE & DISKUSSION

ABBILDUNG 1 zeigt das Kraft-Weg-Diagramm der Nanoindentationstests an verschiedenen Polymerproben und ABBILDUNG 2 vergleicht die Kriechkurven. Die Härte und der Elastizitätsmodul sind in ABBILDUNG 3 zusammengefasst, und die Kriechtiefe ist in ABBILDUNG 4 dargestellt. In ABBILDUNG 1 stellen die Abschnitte AB, BC und CD der Last-Verschiebungskurve für die Nanoindentationsmessung die Belastungs-, Kriech- bzw. Entlastungsprozesse dar.

Delrin und PVC weisen mit 0,23 bzw. 0,22 GPa die höchste Härte auf, während LDPE mit 0,026 GPa die geringste Härte unter den getesteten Polymeren besitzt. Im Allgemeinen weisen die härteren Polymere geringere Kriechraten auf. Das weichste LDPE hat die höchste Kriechtiefe von 798 nm, verglichen mit ~120 nm bei Delrin.

Die Kriecheigenschaften der Polymere sind entscheidend, wenn sie in Bauteilen verwendet werden. Durch die genaue Messung der Härte und des Kriechens der Polymere kann ein besseres Verständnis für die zeitabhängige Zuverlässigkeit der Polymere gewonnen werden. Das Kriechen, d.h. die Änderung der Auslenkung bei einer bestimmten Belastung, kann mit dem NANOVEA PB1000-Mechanik-Tester auch bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten gemessen werden, was ein ideales Werkzeug zur quantitativen und zuverlässigen Messung des viskoelastischen mechanischen Verhaltens von Polymeren darstellt.
in der simulierten realistischen Anwendungsumgebung.

ABBILDUNG 1: Die Diagramme von Last und Verschiebung
verschiedener Polymere.

ABBILDUNG 2: Kriechen bei einer maximalen Belastung von 40 mN für 30 s.

ABBILDUNG 3: Härte und Elastizitätsmodul der Polymere.

ABBILDUNG 4: Kriechtiefe der Polymere.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass der NANOVEA PB1000
Mechanische Prüfgeräte messen die mechanischen Eigenschaften verschiedener Polymere, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul und Kriechverhalten. Diese mechanischen Eigenschaften sind entscheidend für die Auswahl des richtigen Polymermaterials für die beabsichtigten Anwendungen. Derlin und PVC weisen mit 0,23 bzw. 0,22 GPa die höchste Härte auf, während LDPE mit 0,026 GPa die niedrigste Härte unter den getesteten Polymeren besitzt. Im Allgemeinen weisen die härteren Polymere geringere Kriechraten auf. Das weichste LDPE weist die höchste Kriechtiefe von 798 nm auf, verglichen mit ~120 nm bei Derlin.

Die mechanischen Prüfgeräte von NANOVEA bieten unübertroffene Multifunktions-Nano- und -Mikro-Module auf einer einzigen Plattform. Sowohl das Nano- als auch das Mikromodul verfügen über die Modi Kratz-, Härte- und Verschleißprüfung und bieten damit die umfangreichste und benutzerfreundlichste Palette an Prüfmöglichkeiten, die auf einem einzigen System verfügbar ist.

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Mehrphasige Metall-Nanoindentation

Metallurgiestudie von mehrphasigen Materialien mittels Nanoindentation

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METALLURGIE-STUDIE
EINES MEHRPHASIGEN MATERIALS

MIT NANOINDENTATION

Vorbereitet von

DUANJIE LIPhD & ALEXIS CELESTIN

EINFÜHRUNG

Die Metallurgie befasst sich mit dem physikalischen und chemischen Verhalten von Metallelementen sowie deren intermetallischen Verbindungen und Legierungen. Metalle, die Bearbeitungsprozessen wie Gießen, Schmieden, Walzen, Strangpressen und Zerspanen unterzogen werden, verändern ihre Phasen, ihr Mikrogefüge und ihre Textur. Diese Veränderungen führen zu unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften wie Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Duktilität und Verschleißfestigkeit des Werkstoffs. Die Metallographie wird häufig angewandt, um den Entstehungsmechanismus dieser spezifischen Phasen, des Gefüges und der Textur zu untersuchen.

BEDEUTUNG DER LOKALEN MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN EIGENSCHAFTEN FÜR DAS DESIGN VON MATERIALIEN

Fortschrittliche Materialien verfügen häufig über mehrere Phasen in einer speziellen Mikrostruktur und Textur, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften für Zielanwendungen in der industriellen Praxis zu erreichen. Nanoindentation wird häufig zur Messung des mechanischen Verhaltens von Materialien in kleinen Maßstäben eingesetzt ^{i ii}.Es ist jedoch schwierig und zeitaufwändig, bestimmte Stellen für die Eindrückung auf einer sehr kleinen Fläche genau auszuwählen. Ein zuverlässiges und benutzerfreundliches Verfahren der Nanoindentationsprüfung ist gefragt, um die mechanischen Eigenschaften verschiedener Phasen eines Werkstoffs mit hoher Präzision und zeitnahen Messungen zu bestimmen.

MESSZIEL

In dieser Anwendung messen wir die mechanischen Eigenschaften einer mehrphasigen metallurgischen Probe mit dem leistungsstärksten mechanischen Prüfgerät: dem NANOVEA PB1000.

Hier zeigen wir die Leistungsfähigkeit des PB1000 bei der Durchführung von Nanoindentationsmessungen an mehreren Phasen (Körnern) einer großen Probenoberfläche mit hoher Präzision und Benutzerfreundlichkeit unter Verwendung unseres Advanced Position Controllers.

NANOVEA

PB1000

TESTBEDINGUNGEN

In dieser Studie verwenden wir eine metallurgische Probe mit mehreren Phasen. Die Probe wurde vor den Eindringtests auf eine spiegelglatte Oberfläche poliert. In der Probe wurden vier Phasen identifiziert, nämlich PHASE 1, PHASE 2, PHASE 3 und PHASE 4 (siehe unten).

Der Advanced Stage Controller ist ein intuitives Werkzeug zur Probennavigation, das die Geschwindigkeit der Probenbewegung unter dem Lichtmikroskop automatisch an die Position der Maus anpasst. Je weiter die Maus von der Mitte des Sichtfelds entfernt ist, desto schneller bewegt sich der Objekttisch in Richtung der Maus. Dies ist eine benutzerfreundliche Methode, um durch die gesamte Probenoberfläche zu navigieren und die gewünschte Stelle für die mechanische Prüfung auszuwählen. Die Koordinaten der Prüfstellen werden gespeichert und nummeriert, zusammen mit ihren individuellen Prüfeinstellungen, wie z. B. Belastungen, Be-/Entlastungsrate, Anzahl der Prüfungen in einer Karte usw. Ein solches Prüfverfahren ermöglicht es dem Benutzer, eine große Probenoberfläche auf bestimmte Bereiche zu untersuchen, die für die Eindringprüfung von Interesse sind, und alle Eindringprüfungen an verschiedenen Stellen in einem Durchgang durchzuführen, was es zu einem idealen Werkzeug für die mechanische Prüfung von metallurgischen Proben mit mehreren Phasen macht.

In dieser Studie haben wir die spezifischen Phasen der Probe unter dem Lichtmikroskop in der NANOVEA Mechanisches Prüfgerät gemäß Nummerierung auf ABBILDUNG 1. Die Koordinaten der ausgewählten Stellen werden gespeichert, und anschließend werden automatische Nanoindentationstests unter den nachstehend zusammengefassten Testbedingungen auf einmal durchgeführt

ABBILDUNG 1: AUSWAHL DER NANOINDENTATIONSSTELLE AUF DER PROBENOBERFLÄCHE.

ERGEBNISSE: NANOINDENTATIONEN AN VERSCHIEDENEN PHASEN

Die Eindrücke in den verschiedenen Phasen der Probe sind unten dargestellt. Wir zeigen, dass die ausgezeichnete Positionskontrolle des Probentischs im NANOVEA Mechanischer Tester ermöglicht es Benutzern, den Zielort für die Prüfung mechanischer Eigenschaften genau zu bestimmen.

Die repräsentativen Kraft-Weg-Kurven der Vertiefungen sind dargestellt in ABBILDUNG 2und die entsprechende Härte und der Elastizitätsmodul berechnet nach der Methode von Oliver und Pharrⁱⁱⁱ sind zusammengefasst und verglichen in ABBILDUNG 3.

Die PHASEN 1, 2, 3 und 4 weisen eine durchschnittliche Härte von ~5,4, 19,6, 16,2 bzw. 7,2 GPa auf. Die relativ geringe Größe für PHASEN 2 trägt zu seiner höheren Standardabweichung der Werte für Härte und Elastizitätsmodul bei.

ABBILDUNG 2: LAST-VERSCHIEBUNGS-KURVEN
DER NANOINDENTATIONEN

ABBILDUNG 3: HÄRTE UND ELASTIZITÄTSMODUL DER VERSCHIEDENEN PHASEN

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Studie haben wir den NANOVEA Mechanical Tester vorgestellt, der mit Hilfe des Advanced Stage Controllers Nanoindentationsmessungen an mehreren Phasen einer großen metallurgischen Probe durchführt. Die präzise Positionssteuerung ermöglicht es dem Benutzer, auf einer großen Probenoberfläche einfach zu navigieren und die für die Nanoindentationsmessungen interessanten Bereiche direkt auszuwählen.

Die Ortskoordinaten aller Vertiefungen werden gespeichert und dann nacheinander ausgeführt. Ein solches Prüfverfahren macht die Messung der lokalen mechanischen Eigenschaften in kleinem Maßstab, z. B. der mehrphasigen Metallprobe in dieser Studie, wesentlich weniger zeitaufwändig und benutzerfreundlicher. Die harten PHASEN 2, 3 und 4 verbessern die mechanischen Eigenschaften der Probe und weisen eine durchschnittliche Härte von ~19,6, 16,2 bzw. 7,2 GPa auf, verglichen mit ~5,4 GPa für PHASE 1.

Die Nano-, Mikro- und Makromodule des Geräts umfassen alle ISO- und ASTM-konforme Prüfmodi für Eindring-, Kratz- und Verschleißprüfungen und bieten damit das breiteste und benutzerfreundlichste Prüfspektrum in einem einzigen System. Das unübertroffene Angebot von NANOVEA ist eine ideale Lösung für die Bestimmung des gesamten Spektrums mechanischer Eigenschaften von dünnen oder dicken, weichen oder harten Beschichtungen, Filmen und Substraten, einschließlich Härte, Elastizitätsmodul, Bruchzähigkeit, Haftung, Verschleißfestigkeit und vielen anderen.

i Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Band 19, Ausgabe 1, Januar 2004, S. 3-20
ii Schuh, C.A., Materialien heute, Band 9, Ausgabe 5, Mai 2006, S. 32-40
iii Oliver, W. C.; Pharr, G. M., Journal of Materials Research, Band 7, Ausgabe 6, Juni 1992, S. 1564-1583

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Messung der Reifenprofiltiefe und der Rauheit der Gummioberfläche | 3D-Optischer Profiler

MESSUNG DER REIFENPROFILTIEFE UND DER RAUHIGKEIT DER GUMMIOBERFLÄCHE Verwendung eines optischen 3D-Profilmessgeräts

Vorbereitet von

ANDREA HERRMANN

Während die Profiltiefe von Reifen zur Sicherheit der Verbraucher üblicherweise mit Handmessgeräten gemessen wird, benötigen industrielle Forschungs- und Entwicklungsabteilungen sowie Reifenhersteller fortschrittlichere Methoden. Diese Anwendungsbeschreibung zeigt, wie ein optisches 3D-Profilometer präzise Messungen der Profiltiefe, Konturkartierungen und Analysen der Rauheit der Gummioberfläche für hochgenaue Untersuchungen ermöglicht.

EINFÜHRUNG

Wie bei allen Materialien hängt auch der Reibungskoeffizient von Gummi zum Teil von seiner Oberflächenrauheit ab. Bei Fahrzeugreifen wirken sich sowohl die Profiltiefe als auch die Oberflächenrauheit direkt auf die Traktion, das Bremsverhalten und den Verschleiß aus. In dieser Studie werden die Rauheit und die Abmessungen der Gummioberfläche und des Profils mithilfe einer berührungslosen 3D-Profilometrie analysiert.

DIE PROBE

BEDEUTUNG DER BERÜHRUNGSLOSEN 3D-PROFILOMETRIE FÜR DIE MESSUNG DER REIFENPROFILTIEFE

Im Gegensatz zu anderen Techniken wie Tastköpfen oder Interferometrie, Die berührungslosen 3D-Optikprofiler von NANOVEA Verwenden Sie den axialen Chromatismus, um nahezu jede Oberfläche zu messen.

Das offene Staging-System des Profilers ermöglicht eine Vielzahl von Probengrößen und erfordert keinerlei Probenvorbereitung. Mit einem einzigen Scan können Benutzer sowohl die gesamte Profiltiefe des Reifens als auch die Oberflächenrauheit auf Mikroebene erfassen, ohne dass die Reflektivität oder Absorption der Probe einen Einfluss hat. Darüber hinaus verfügen diese Profiler über die fortschrittliche Fähigkeit, hohe Oberflächenwinkel zu messen, ohne dass die Ergebnisse softwaremäßig manipuliert werden müssen.

Diese Vielseitigkeit macht die Profilermessgeräte von NANOVEA ideal sowohl für die Prüfung des Reifenprofils als auch für die fortgeschrittene Forschung im Bereich Gummimaterialien.

MESSZIEL

In dieser Anwendung zeigen wir Ihnen die NANOVEA ST400, ein berührungsloses 3D-Optikprofilometer, das die Profiltiefe, Konturgeometrie und Oberflächenrauheit von Reifen misst. Für diese Studie wurde nach dem Zufallsprinzip eine Probefläche ausgewählt, die groß genug war, um die gesamte Reifenoberfläche zu repräsentieren. Zur Quantifizierung der Eigenschaften des Gummis haben wir die Analysesoftware NANOVEA Ultra 3D verwendet, um die Abmessungen der Rillen, die Profiltiefe, die Oberflächenrauheit und die entwickelte Fläche im Vergleich zur projizierten Fläche zu messen.

NANOVEA ST400 Standard
Optisches 3D-Profilometer

ANALYSE: REIFENFADEN

Die 3D-Ansicht und die Falschfarbenansicht der Laufflächen zeigen den Wert der Kartierung von 3D-Oberflächendesigns. Dies bietet Ingenieuren ein einfaches Werkzeug, um die Gleichmäßigkeit der Profiltiefe, das Rillendesign und den Verschleiß aus verschiedenen Blickwinkeln zu bewerten. Die erweiterte Konturanalyse und die Stufenhöhenanalyse sind beide äußerst leistungsstarke Werkzeuge zur präzisen Messung der Abmessungen von Musterformen und -designs.

ERWEITERTE KONTURANALYSE

STUFENHÖHENANALYSE

ANALYSE: GUMMI OBERFLÄCHE

Die Gummioberfläche kann mithilfe integrierter Softwaretools auf vielfältige Weise quantifiziert werden, wie in den folgenden Abbildungen dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Oberflächenrauheit 2,688 μm beträgt und das Verhältnis von entwickelter Fläche zu projizierter Fläche 9,410 mm² zu 8,997 mm² beträgt. Diese Ergebnisse zeigen, wie sich die Rauheit der Gummioberfläche auf die Traktion und Leistung auswirkt, und ermöglichen Vergleiche zwischen verschiedenen Gummimischungen oder unterschiedlichen Abnutzungsgraden der Oberfläche.

SCHLUSSFOLGERUNG

In dieser Anwendung haben wir gezeigt, wie der berührungslose optische 3D-Profiler von NANOVEA die Profiltiefe, Konturmaße und Oberflächenrauheit von Reifen präzise charakterisieren kann. Die Daten zeigen eine Oberflächenrauheit von 2,69 µm und eine entwickelte Fläche von 9,41 mm² bei einer projizierten Fläche von 9 mm². Außerdem wurden verschiedene Abmessungen und Radien der Gummiprofile gemessen. Diese Informationen können von Reifenherstellern, Automobilforschern und Werkstoffingenieuren verwendet werden, um Profildesigns, Gummimischungen oder Reifen mit unterschiedlichem Verschleißgrad zu vergleichen. Die hier gezeigten Daten stellen nur einen Teil der Berechnungen dar, die in der Ultra 3D-Analysesoftware verfügbar sind.

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In-Situ-Verschleißmessung bei hoher Temperatur

IN-SITU-VERSCHLEISSMESSUNG BEI HOHER TEMPERATUR

MIT TRIBOMETER

Vorbereitet von

Duanjie Li, PhD

EINFÜHRUNG

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

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

MESSZIEL

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

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

NANOVEA

T50

TESTVORGANG

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

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

PRÜFPARAMETER

der Pin-on-Disk-Messung

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

ERGEBNISSE & DISKUSSION

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

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

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

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

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

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

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

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

FIGUR 3. Verschleißrate und Verschleißspurtiefe der Probe bei verschiedenen Temperaturen

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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

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Analyse der Fischschuppenoberfläche mit einem optischen 3D-Profiler

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OBERFLÄCHENANALYSE VON FISCHSCHUPPEN

mit 3D OPTICAL PROFILER

Vorbereitet von

Andrea Nowitzki

EINFÜHRUNG

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

Bedeutung der berührungslosen 3D-Profilometrie für BIOLOGISCHE STUDIEN

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

MESSZIEL

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

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

NANOVEA

ST400

3D- und 2D-Oberflächencharakterisierung von Outer Scale

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

VERGLEICH DER OBERFLÄCHENRAUHIGKEIT

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) Frequenzdurchlauf bei Polymeren

DMA-FREQUENZDURCHLAUF

AUF POLYMEREN MITTELS NANOINDENTATION

Vorbereitet von

Duanjie Li, PhD

EINFÜHRUNG

BEDEUTUNG DER DYNAMISCH-MECHANISCHEN ANALYSE FREQUENZSWEEP-TEST

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

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

MESSZIEL

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

NANOVEA

PB1000

TESTBEDINGUNGEN

FREQUENZEN (Hz):

0.1, 1.5, 10, 20

KRIECHZEIT BEI JEDER FREQ.

50 Sekunden

SCHWINGUNGSSPANNUNG

0.1 V

LADESPANNUNG

1 V

Eindringkörpertyp

Sphärisch

Diamant | 100 μm

ERGEBNISSE & DISKUSSION

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

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

ENTWICKLUNG VON LAST UND TIEFE

DES VOLLSTÄNDIGEN DMA-FREQUENZDURCHLAUFS

LAST & TIEFE vs. ZEIT bei unterschiedlichen Frequenzen

SPEICHERMODUL

BEI VERSCHIEDENEN FREQUENZEN

MODULUS VERLUST

BEI VERSCHIEDENEN FREQUENZEN

TAN (δ)

BEI VERSCHIEDENEN FREQUENZEN

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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Topographie der Fresnel-Linse

FRESNEL-LINSENTOPOGRAPHIEVERWENDUNG 3D BERÜHRUNGSLOSES OPTISCHES PROFILOMETER

Vorbereitet von

Duanjie Li & Benjamin Mell

EINFÜHRUNG

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

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

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

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

SCHEMA EINER FRESNEL-LINSE

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

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

MESSZIEL

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

NANOVEA ST400 Großfläche
Optisches 3D-Profilometer

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

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

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

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

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

2D FALSCH FARBE

Darstellung der Höhe

3D-ANSICHT

EXTRAHIERTES PROFIL

GIPFEL & TAL

Dimensionale Analyse des Profils

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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

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Inspektion bearbeiteter Teile

BEARBEITETE TEILE

Prüfung anhand eines CAD-Modells mit 3D-Profilometrie

Autor:

Duanjie Li, PhD

Überarbeitet von

Jocelyn Esparza

EINFÜHRUNG

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

Die Bedeutung der berührungslosen 3D-Profilometrie für die Teileinspektion

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

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

MESSZIEL

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

Und das alles in weniger als 40 Sekunden.

NANOVEA

HS2000

CAD-MODELL

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

FALSCHE FARBANSICHT

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

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

PROFILVERGLEICH & ERGEBNISSE

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

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

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

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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

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Bewertung des Reibungsverschleißes

BEWERTUNG VON REIBUNGSVERSCHLEISS

Autor:

Duanjie Li, PhD

Überarbeitet von

Jocelyn Esparza

EINFÜHRUNG

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

Bedeutung der quantitativen
Bewertung des Reibungsverschleißes

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

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

MESSZIEL

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

NANOVEA

T50

TESTBEDINGUNGEN

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

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

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

PRÜFPARAMETER

der Verschleißmessungen

ERGEBNISSE & DISKUSSION

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

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

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

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

Abnutzungsspuren bei verschiedenen Bedingungen

unter dem Lichtmikroskop

3D WEAR TRACKs PROFILE

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

ERGEBNISZUSAMMENFASSUNG DER VERSCHLEISSSPUREN

gemessen mit verschiedenen Testparametern

SCHLUSSFOLGERUNG

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

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

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

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

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Pharmazeutische Tabletten Oberflächenrauhigkeitsprüfung

Pharmazeutische Tabletten

Prüfung der Rauheit mit 3d-Profilometern

Autor:

Jocelyn Esparza

Einführung

Pharmazeutische Tabletten sind heute die am häufigsten verwendeten medizinischen Darreichungsformen. Jede Tablette besteht aus einer Kombination von Wirkstoffen (den chemischen Stoffen, die eine pharmakologische Wirkung haben) und inaktiven Stoffen (Sprengstoff, Bindemittel, Gleitmittel, Verdünnungsmittel - meist in Form von Pulver). Die aktiven und inaktiven Substanzen werden dann komprimiert oder zu einem Feststoff geformt. Anschließend werden die Tabletten je nach Herstellerangaben entweder überzogen oder nicht überzogen.

Um wirksam zu sein, müssen Tablettenüberzüge den feinen Konturen der eingeprägten Logos oder Schriftzeichen auf den Tabletten folgen, sie müssen stabil und robust genug sein, um die Handhabung der Tablette zu überstehen, und sie dürfen nicht dazu führen, dass die Tabletten während des Beschichtungsprozesses aneinander kleben. Derzeitige Tabletten haben in der Regel einen Überzug auf Polysaccharid- und Polymerbasis, der Stoffe wie Pigmente und Weichmacher enthält. Die beiden gängigsten Arten von Tablettenüberzügen sind Filmüberzüge und Zuckerüberzüge. Im Vergleich zu Zuckerüberzügen sind Filmüberzüge weniger sperrig, haltbarer und weniger zeitaufwändig in der Herstellung und Anwendung. Allerdings ist es für Filmüberzüge schwieriger, das Aussehen der Tabletten zu verbergen.

Tablettenüberzüge sind wichtig für den Schutz vor Feuchtigkeit, die Maskierung des Geschmacks der Inhaltsstoffe und die Erleichterung des Schluckens der Tabletten. Noch wichtiger ist, dass der Tablettenüberzug den Ort und die Geschwindigkeit der Freisetzung des Arzneimittels steuert.

MESSZIEL

In dieser Anwendung verwenden wir die NANOVEA Optischer Profiler und fortschrittlicher Mountains-Software zur Messung und Quantifizierung der Topografie verschiedener gepresster Markenpillen (1 beschichtete und 2 unbeschichtete), um deren Oberflächenrauheit zu vergleichen.

Es wird davon ausgegangen, dass Advil (beschichtet) aufgrund der Schutzschicht die geringste Oberflächenrauhigkeit aufweist.

NANOVEA

HS2000

Testbedingungen

Drei Chargen gepresster pharmazeutischer Markentabletten wurden mit dem Nanovea HS2000 gescannt.
mit Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor zur Messung verschiedener Oberflächenrauheitsparameter nach ISO 25178.

Scanbereich

2 x 2 mm

Auflösung des seitlichen Scans

5 x 5 μm

Scan-Zeit

4 Sekunden

Proben

Ergebnisse und Diskussion

Nach dem Scannen der Tabletten wurde eine Untersuchung der Oberflächenrauheit mit der fortschrittlichen Mountains-Analysesoftware durchgeführt, um den Oberflächendurchschnitt, den quadratischen Mittelwert und die maximale Höhe jeder Tablette zu berechnen.

Die berechneten Werte stützen die Annahme, dass Advil aufgrund des Schutzüberzugs, der die Inhaltsstoffe umschließt, eine geringere Oberflächenrauheit aufweist. Tylenol weist von allen drei gemessenen Tabletten die höchste Oberflächenrauhigkeit auf.

Es wurde eine 2D- und 3D-Höhenkarte der Oberflächentopografie jeder Tablette erstellt, die die gemessenen Höhenverteilungen zeigt. Von den fünf Tabletten wurde eine ausgewählt, um die Höhenkarten für jede Marke darzustellen. Diese Höhenkarten sind ein hervorragendes Werkzeug für die visuelle Erkennung von abstehenden Oberflächenmerkmalen wie Vertiefungen oder Erhebungen.

Schlussfolgerung

In dieser Studie haben wir die Oberflächenrauheit von drei gepressten pharmazeutischen Markentabletten analysiert und verglichen: Advil, Tylenol und Excedrin. Advil wies die geringste durchschnittliche Oberflächenrauheit auf. Dies ist auf die orangefarbene Beschichtung zurückzuführen, die das Medikament umgibt. Bei Excedrin und Tylenol hingegen fehlt die Beschichtung, dennoch unterscheiden sich die Oberflächenrauhigkeiten voneinander. Tylenol wies von allen untersuchten Tabletten die höchste durchschnittliche Oberflächenrauigkeit auf.

Die Verwendung des NANOVEA HS2000 mit Hochgeschwindigkeits-Zeilensensor konnten wir 5 Tabletten in weniger als 1 Minute messen. Dies kann sich bei der Qualitätskontrolle von Hunderten von Tabletten in der heutigen Produktion als nützlich erweisen.

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