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AR Category: Profilometry | Volume and Area
Inspección de piezas mecanizadas
PIEZAS MECANIZADAS
inspección a partir de un modelo CAD mediante perfilometría 3D
Autor:
Doctor Duanjie Li
Revisado por
Jocelyn Esparza
INTRODUCCIÓN
La demanda de mecanizado de precisión capaz de crear geometrías complejas ha ido en aumento en todo un espectro de industrias. Desde la industria aeroespacial, médica y automovilística hasta los engranajes tecnológicos, la maquinaria y los instrumentos musicales, la innovación y la evolución continuas llevan las expectativas y los niveles de precisión a nuevas cotas. En consecuencia, asistimos al aumento de la demanda de técnicas e instrumentos de inspección rigurosos para garantizar la máxima calidad de los productos.
Importancia de la perfilometría 3D sin contacto para la inspección de piezas
La comparación de las propiedades de las piezas mecanizadas con sus modelos CAD es esencial para verificar las tolerancias y el cumplimiento de las normas de producción. La inspección durante el tiempo de servicio también es crucial, ya que el desgaste de las piezas puede exigir su sustitución. Identificar a tiempo cualquier desviación de las especificaciones requeridas ayudará a evitar costosas reparaciones, paradas de producción y una reputación empañada.
A diferencia de la técnica de palpación, el NANOVEA Perfiladores ópticos realizan escaneados de superficies 3D con contacto cero, lo que permite realizar mediciones rápidas, precisas y no destructivas de formas complejas con la máxima precisión.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, mostramos NANOVEA HS2000, un perfilador 3D sin contacto con un sensor de alta velocidad, que realiza una inspección completa de la superficie en cuanto a dimensión, radio y rugosidad.
Todo en menos de 40 segundos.
NANOVEA
HS2000
MODELO CAD
Una medición precisa de la dimensión y la rugosidad superficial de la pieza mecanizada es fundamental para asegurarse de que cumple las especificaciones, tolerancias y acabados superficiales deseados. A continuación se presentan el modelo 3D y el plano de ingeniería de la pieza que se va a inspeccionar.
VISTA EN FALSO COLOR
La vista en falso color del modelo CAD y la superficie de la pieza mecanizada escaneada se comparan en la FIGURA 3. La variación de altura en la superficie de la muestra puede observarse por el cambio de color.
Se extraen tres perfiles 2D del escaneado 3D de la superficie, como se indica en la FIGURA 2, para verificar aún más la tolerancia dimensional de la pieza mecanizada.
COMPARACIÓN DE PERFILES Y RESULTADOS
Los perfiles 1 a 3 se muestran en las FIGURAS 3 a 5. La inspección de tolerancia cuantitativa se lleva a cabo comparando el perfil medido con el modelo CAD para mantener unos estándares de fabricación rigurosos. El Perfil 1 y el Perfil 2 miden el radio de diferentes zonas de la pieza mecanizada curva. La variación de altura del Perfil 2 es de 30 µm en una longitud de 156 mm, lo que cumple el requisito de tolerancia deseado de ±125 µm.
Estableciendo un valor límite de tolerancia, el software de análisis puede determinar automáticamente el aprobado o el suspenso de la pieza mecanizada.
La rugosidad y la uniformidad de la superficie de la pieza mecanizada desempeñan un papel importante para garantizar su calidad y funcionalidad. La FIGURA 6 es una superficie extraída del escaneado padre de la pieza mecanizada que se utilizó para cuantificar el acabado superficial. La rugosidad superficial media (Sa) se calculó en 2,31 µm.
CONCLUSIÓN
En este estudio, hemos mostrado cómo el perfilador sin contacto NANOVEA HS2000, equipado con un sensor de alta velocidad, realiza una inspección superficial exhaustiva de las dimensiones y la rugosidad.
Los escaneados de alta resolución permiten a los usuarios medir con detalle la morfología y las características superficiales de las piezas mecanizadas y compararlas cuantitativamente con sus modelos CAD. El instrumento también es capaz de detectar cualquier defecto, incluidos arañazos y grietas.
El análisis avanzado de contornos sirve como herramienta inigualable no sólo para determinar si las piezas mecanizadas cumplen las especificaciones establecidas, sino también para evaluar los mecanismos de fallo de los componentes desgastados.
Los datos mostrados aquí representan sólo una parte de los cálculos posibles con el software de análisis avanzado que viene equipado con cada Perfilador Óptico NANOVEA.
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Prueba de desgaste bloque-anillo
IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN DEL DESGASTE BLOQUE-ANILLO
El desgaste por deslizamiento es la pérdida progresiva de material que resulta del deslizamiento de dos materiales entre sí en la zona de contacto bajo carga. Se produce inevitablemente en una amplia variedad de industrias en las que funcionan máquinas y motores, como la automoción, la industria aeroespacial, la petrolera y del gas y muchas otras. Este movimiento de deslizamiento provoca un grave desgaste mecánico y transferencia de material en la superficie, lo que puede reducir la eficacia de la producción, el rendimiento de la máquina o incluso dañarla.
El desgaste por deslizamiento suele implicar complejos mecanismos de desgaste que tienen lugar en la superficie de contacto, como el desgaste por adherencia, la abrasión de dos cuerpos, la abrasión de tres cuerpos y el desgaste por fatiga. El comportamiento de desgaste de los materiales se ve influido significativamente por el entorno de trabajo, como la carga normal, la velocidad, la corrosión y la lubricación. Una herramienta versátil tribómetro que puedan simular las diferentes condiciones de trabajo realistas serán ideales para la evaluación del desgaste.
El ensayo Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa los comportamientos de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, permite una clasificación fiable de las parejas de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
El ensayo Block-on-Ring (ASTM G77) es una técnica ampliamente utilizada que evalúa los comportamientos de desgaste por deslizamiento de los materiales en diferentes condiciones simuladas, permite una clasificación fiable de las parejas de materiales para aplicaciones tribológicas específicas.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, el Probador Mecánico Nanovea mide el YS y el UTS de muestras de aleación metálica de acero inoxidable SS304 y aluminio Al6061. Las muestras se eligieron por sus valores de YS y UTS comúnmente reconocidos que demuestran la fiabilidad de los métodos de indentación de Nanovea.
El comportamiento de desgaste por deslizamiento de un bloque H-30 sobre un anillo S-10 se evaluó mediante el tribómetro de Nanovea utilizando el módulo Block-on-Ring. El bloque H-30 está fabricado con acero para herramientas 01 de dureza 30HRC, mientras que el anillo S-10 es de acero tipo 4620 de dureza superficial 58 a 63 HRC y diámetro de anillo de ~34,98 mm. Se realizaron pruebas de bloque sobre anillo en entornos secos y lubricados para investigar el efecto sobre el comportamiento de desgaste. Las pruebas de lubricación se realizaron en aceite mineral pesado USP. La huella de desgaste se examinó con el software Nanovea's Perfilómetro 3D sin contacto. Los parámetros de ensayo se resumen en la Tabla 1. La tasa de desgaste (K), se evaluó utilizando la fórmula K=V/(F×s), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento.
RESULTADOS Y DEBATE
La figura 2 compara el coeficiente de fricción (COF) de las pruebas de bloque sobre anillo en entornos secos y lubricados. El bloque presenta una fricción significativamente mayor en un entorno seco que en un entorno lubricado. COF
fluctúa durante el periodo de rodaje en las primeras 50 revoluciones y alcanza un COF constante de ~0,8 durante el resto de la prueba de desgaste de 200 revoluciones. En comparación, la prueba Block-on-Ring realizada en la lubricación con aceite mineral pesado USP muestra un COF bajo y constante de 0,09 durante toda la prueba de desgaste de 500.000 revoluciones. El lubricante reduce significativamente el COF entre las superficies en ~90 veces.
Las figuras 3 y 4 muestran las imágenes ópticas y los perfiles 2D transversales de las cicatrices de desgaste en los bloques después de las pruebas de desgaste en seco y lubricado. Los volúmenes de las huellas de desgaste y los índices de desgaste se indican en la Tabla 2. El bloque de acero después de la prueba de desgaste en seco a una velocidad de rotación inferior de 72 rpm durante 200 revoluciones presenta un gran volumen de cicatriz de desgaste de 9,45 mm˙. En comparación, la prueba de desgaste realizada a una velocidad superior de 197 rpm durante 500.000 revoluciones en el lubricante de aceite mineral crea un volumen de huella de desgaste sustancialmente menor de 0,03 mm˙.
Las imágenes de la ÿgura 3 muestran que durante las pruebas en seco se produce un desgaste severo en comparación con el desgaste leve de la prueba de desgaste lubricada. El elevado calor y las intensas vibraciones generadas durante la prueba de desgaste en seco promueven la oxidación de los restos metálicos, lo que provoca una abrasión severa de tres cuerpos. En la prueba lubricada, el aceite mineral reduce la fricción y enfría la superficie de contacto, además de transportar los residuos abrasivos generados durante el desgaste. Esto conduce a una reducción significativa de la tasa de desgaste en un factor de ~8×10ˆ. Una diferencia tan sustancial en la resistencia al desgaste en entornos diferentes muestra la importancia de una simulación adecuada del desgaste por deslizamiento en condiciones de servicio realistas.
El comportamiento del desgaste puede cambiar drásticamente cuando se introducen pequeños cambios en las condiciones de ensayo. La versatilidad del tribómetro de Nanovea permite medir el desgaste en condiciones de alta temperatura, lubricación y tribocorrosión. El control preciso de la velocidad y la posición mediante el motor avanzado permite realizar pruebas de desgaste a velocidades que oscilan entre 0,001 y 5000 rpm, lo que lo convierte en una herramienta ideal para que los laboratorios de investigación/pruebas investiguen el desgaste en di˛rentes condiciones tribológicas.
El estado de la superficie de las muestras se examinó con el proÿlómetro óptico sin contacto de Nanovea. La figura 5 muestra la morfología superficial de los anillos tras los ensayos de desgaste. Se ha eliminado la forma cilíndrica para presentar mejor la morfología superficial y la rugosidad creada por el proceso de desgaste por deslizamiento. Se produjo una rugosidad superficial significativa debido al proceso de abrasión de tres cuerpos durante el ensayo de desgaste en seco de 200 revoluciones. El bloque y el anillo después del ensayo de desgaste en seco presentan una rugosidad Ra de 14,1 y 18,1 µm, respectivamente, en comparación con 5,7 y 9,1 µm para el ensayo de desgaste lubricado a largo plazo de 500.000 - revoluciones a una velocidad superior. Esta prueba demuestra la importancia de una lubricación adecuada del contacto entre el anillo del pistón y el cilindro. Un desgaste intenso daña rápidamente la superficie de contacto sin lubricación y provoca un deterioro irreversible de la calidad de servicio e incluso la rotura del motor.
CONCLUSIÓN
En este estudio mostramos cómo se utiliza el tribómetro de Nanovea para evaluar el comportamiento de desgaste por deslizamiento de un par metálico de acero utilizando el módulo Block-on-Ring siguiendo la norma ASTM G77. El lubricante desempeña un papel fundamental en las propiedades de desgaste de la pareja de materiales. El aceite mineral reduce la tasa de desgaste del bloque H-30 en un factor de ~8×10ˆ y el COF en ~90 veces. La versatilidad del tribómetro de Nanovea lo convierte en una herramienta ideal para medir el comportamiento del desgaste en diversas condiciones de lubricación, alta temperatura y tribocorrosión.
El tribómetro de Nanovea ofrece pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La gama inigualable de Nanovea es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, ÿlms y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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Tribología de carga dinámica
Tribología de carga dinámica
Introducción
El desgaste se produce en prácticamente todos los sectores industriales e impone unos costes de ~0,75% del PIB1. La investigación tribológica es vital para mejorar la eficiencia de la producción y el rendimiento de las aplicaciones, así como para conservar el material, la energía y el medio ambiente. La vibración y la oscilación son inevitables en una amplia gama de aplicaciones tribológicas. Una vibración externa excesiva acelera el proceso de desgaste y reduce el rendimiento de servicio, lo que provoca fallos catastróficos en las piezas mecánicas.
Los tribómetros convencionales de carga muerta aplican cargas normales mediante pesos másicos. Dicha técnica de carga no sólo limita las opciones de carga a una carga constante, sino que también crea intensas vibraciones incontroladas a altas cargas y velocidades, lo que conduce a evaluaciones limitadas e inconsistentes del comportamiento de desgaste. Una evaluación fiable del efecto de la oscilación controlada en el comportamiento de desgaste de los materiales es deseable para I+D y control de calidad en diferentes aplicaciones industriales.
La innovadora alta carga de Nanovea tribómetro tiene una capacidad de carga máxima de 2000 N con un sistema de control dinámico de la carga. El avanzado sistema de carga neumática por aire comprimido permite a los usuarios evaluar el comportamiento tribológico de un material sometido a cargas normales elevadas con la ventaja de amortiguar las vibraciones no deseadas creadas durante el proceso de desgaste. Por lo tanto, la carga se mide directamente sin necesidad de los muelles amortiguadores utilizados en diseños más antiguos. Un módulo de carga oscilante de electroimán paralelo aplica una oscilación bien controlada de amplitud deseada de hasta 20 N y frecuencia de hasta 150 Hz.
La fricción se mide con gran precisión directamente a partir de la fuerza lateral aplicada al soporte superior. El desplazamiento se controla in situ, lo que permite conocer la evolución del comportamiento de desgaste de las muestras de ensayo. El ensayo de desgaste bajo carga de oscilación controlada también puede realizarse en entornos de corrosión, alta temperatura, humedad y lubricación para simular las condiciones reales de trabajo de las aplicaciones tribológicas. Una unidad integrada de alta velocidad perfilómetro sin contacto mide automáticamente la morfología de la huella de desgaste y el volumen de desgaste en unos segundos.
Objetivo de medición
En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 para estudiar el comportamiento tribológico de diferentes muestras de revestimiento y metal en condiciones de carga de oscilación controlada.
Procedimiento de ensayo
El comportamiento tribológico, por ejemplo, el coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de un revestimiento resistente al desgaste de 300 µm de espesor se evaluó y comparó mediante el tribómetro Nanovea T2000 con un tribómetro convencional de carga muerta utilizando una configuración de perno sobre disco siguiendo la norma ASTM G992.
Se evaluaron muestras separadas de Cu y TiN recubiertas contra una bola de Al₂0₃ de 6 mm bajo oscilación controlada mediante el modo de tribología de carga dinámica del tribómetro Nanovea T2000.
Los parámetros de la prueba se resumen en el cuadro 1.
El perfilómetro 3D integrado, equipado con un sensor de líneas, escanea automáticamente la pista de desgaste después de las pruebas, proporcionando la medición más precisa del volumen de desgaste en cuestión de segundos.
Resultados y debate
Sistema de carga neumática frente a sistema de carga muerta
El comportamiento tribológico de un recubrimiento resistente al desgaste utilizando el tribómetro Nanovea T2000 se compara con un tribómetro convencional de carga muerta (DL). La evolución del COF del recubrimiento se muestra en la Fig. 2. Observamos que el recubrimiento presenta un valor de COF comparable de ~0,6 durante la prueba de desgaste. Sin embargo, los 20 perfiles transversales en diferentes puntos de la pista de desgaste en la Fig. 3 indican que el revestimiento experimentó un desgaste mucho más severo bajo el sistema de carga muerta.
El proceso de desgaste del sistema de carga muerta a alta carga y velocidad generó intensas vibraciones. La enorme presión concentrada en la cara de contacto, combinada con una elevada velocidad de deslizamiento, crea una vibración sustancial del peso y la estructura que provoca un desgaste acelerado. El tribómetro de carga muerta convencional aplica la carga utilizando pesos másicos. Este método es fiable con cargas de contacto bajas y en condiciones de desgaste leve; sin embargo, en condiciones de desgaste agresivo con cargas y velocidades más altas, la importante vibración hace que los pesos reboten repetidamente, lo que da lugar a una pista de desgaste irregular que provoca una evaluación tribológica poco fiable. La tasa de desgaste calculada es de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, lo que muestra una alta tasa de desgaste y una gran desviación estándar.
El tribómetro Nanovea T2000 está diseñado con un sistema de carga de control dinámico para amortiguar las oscilaciones. Aplica la carga normal con aire comprimido, lo que minimiza las vibraciones no deseadas creadas durante el proceso de desgaste. Además, el control de carga activo de bucle cerrado garantiza la aplicación de una carga constante durante toda la prueba de desgaste y el palpador sigue el cambio de profundidad de la huella de desgaste. Se mide un perfil de la pista de desgaste significativamente más consistente, como se muestra en la Fig. 3a, lo que da como resultado una baja tasa de desgaste de 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m.
El análisis de la pista de desgaste mostrado en la Fig. 4 confirma que la prueba de desgaste realizada por el sistema de carga neumática de aire comprimido del tribómetro Nanovea T2000 crea una pista de desgaste más suave y consistente en comparación con el tribómetro convencional de carga muerta. Además, el tribómetro Nanovea T2000 mide el desplazamiento del palpador durante el proceso de desgaste, proporcionando más información sobre el progreso del comportamiento de desgaste in situ.
Oscilación controlada en el desgaste de la muestra de Cu
El módulo de electroimán de carga oscilante paralelo del tribómetro Nanovea T2000 permite a los usuarios investigar el efecto de las oscilaciones de amplitud y frecuencia controladas en el comportamiento de desgaste de los materiales. El COF de las muestras de Cu se registra in situ como se muestra en la Fig. 6. La muestra de Cu muestra un COF constante de ~0,3 durante la primera medición de 330 revoluciones, lo que significa la formación de un contacto estable en la interfaz y una pista de desgaste relativamente suave. A medida que continúa el ensayo de desgaste, la variación del COF indica un cambio en el mecanismo de desgaste. En comparación, las pruebas de desgaste bajo una oscilación de amplitud controlada de 5 N a 50 N muestran un comportamiento de desgaste diferente: el COF aumenta rápidamente al principio del proceso de desgaste, y muestra una variación significativa a lo largo de la prueba de desgaste. Este comportamiento del COF indica que la oscilación impuesta en la carga normal desempeña un papel en el estado de deslizamiento inestable en el contacto.
La Fig. 7 compara la morfología de la huella de desgaste medida por el perfilómetro óptico integrado sin contacto. Puede observarse que la muestra de Cu sometida a una amplitud de oscilación controlada de 5 N presenta una huella de desgaste mucho mayor, con un volumen de 1,35 x 109 µm3, en comparación con 5,03 x 108 µm3 sin oscilación impuesta. La oscilación controlada acelera significativamente la velocidad de desgaste en un factor de ~2,7, lo que demuestra el efecto crítico de la oscilación en el comportamiento de desgaste.
Oscilación controlada en el desgaste del revestimiento de TiN
En la Fig. 8 se muestran el COF y las huellas de desgaste de la muestra de revestimiento de TiN. El revestimiento de TiN muestra comportamientos de desgaste significativamente diferentes bajo oscilación, como indica la evolución del COF durante las pruebas. El recubrimiento de TiN muestra un COF constante de ~0,3 tras el periodo de rodaje al principio de la prueba de desgaste, debido al contacto de deslizamiento estable en la interfaz entre el recubrimiento de TiN y la bola de Al₂O₃. Sin embargo, cuando el revestimiento de TiN empieza a fallar, la bola de Al₂O₃ penetra a través del revestimiento y se desliza contra el sustrato de acero fresco que hay debajo. Al mismo tiempo, se genera una cantidad significativa de restos de revestimiento duro de TiN en la pista de desgaste, lo que convierte un desgaste por deslizamiento estable de dos cuerpos en un desgaste por abrasión de tres cuerpos. Este cambio de las características de la pareja de materiales provoca un aumento de las variaciones en la evolución del COF. La oscilación impuesta de 5 N y 10 N acelera el fallo del revestimiento de TiN de ~400 revoluciones a menos de 100 revoluciones. Las mayores huellas de desgaste en las muestras de revestimiento de TiN tras las pruebas de desgaste bajo la oscilación controlada concuerdan con dicho cambio en el COF.
Conclusión
El avanzado sistema de carga neumática del tribómetro Nanovea T2000 posee una ventaja intrínseca como amortiguador de vibraciones naturalmente rápido en comparación con los sistemas tradicionales de carga muerta. Esta ventaja tecnológica de los sistemas neumáticos es cierta en comparación con los sistemas de carga controlada que utilizan una combinación de servomotores y muelles para aplicar la carga. Esta tecnología garantiza una evaluación fiable y mejor controlada del desgaste con cargas elevadas, como se demuestra en este estudio. Además, el sistema de carga activa en bucle cerrado puede cambiar la carga normal a un valor deseado durante las pruebas de desgaste para simular las aplicaciones reales que se ven en los sistemas de frenado.
En lugar de tener influencia de condiciones de vibración no controladas durante las pruebas, hemos demostrado que el tribómetro de carga dinámica Nanovea T2000 permite a los usuarios evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales en diferentes condiciones de oscilación controlada. Las vibraciones desempeñan un papel importante en el comportamiento de desgaste de las muestras de recubrimientos metálicos y cerámicos.
El módulo de carga oscilante de electroimanes paralelos proporciona oscilaciones controladas con precisión a amplitudes y frecuencias establecidas, lo que permite a los usuarios simular el proceso de desgaste en condiciones reales, cuando las vibraciones ambientales suelen ser un factor importante. En presencia de oscilaciones impuestas durante el desgaste, tanto las muestras de revestimiento de Cu como las de TiN muestran un aumento sustancial de la tasa de desgaste. La evolución del coeficiente de fricción y el desplazamiento del palpador medidos in situ son indicadores importantes del rendimiento del material durante las aplicaciones tribológicas. El perfilómetro 3D sin contacto integrado ofrece una herramienta para medir con precisión el volumen de desgaste y analizar la morfología detallada de las huellas de desgaste en cuestión de segundos, proporcionando más información sobre la comprensión fundamental del mecanismo de desgaste.
El T2000 está equipado con un motor autoajustable, de alta calidad y alto par, con una velocidad interna de 20 bits y un codificador de posición externo de 16 bits. Esto permite al tribómetro proporcionar una gama incomparable de velocidades de rotación de 0,01 a 5000 rpm que pueden cambiar en saltos escalonados o a velocidades continuas. A diferencia de los sistemas que utilizan un sensor de par situado en la parte inferior, el tribómetro Nanovea utiliza una célula de carga de alta precisión situada en la parte superior para medir de forma precisa y separada las fuerzas de fricción.
Los tribómetros Nanovea ofrecen pruebas de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM (incluidas pruebas de 4 bolas, arandela de empuje y bloque sobre anillo), con módulos opcionales de desgaste a alta temperatura, lubricación y tribo-corrosión disponibles en un sistema preintegrado. La incomparable gama de Nanovea T2000 es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de revestimientos, películas y sustratos finos o gruesos, blandos o duros.
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Tribología de polímeros
Introducción
Polymers have been used extensively in a wide variety of applications and have become an indispensable part of everyday life. Natural polymers such as amber, silk, and natural rubber have played an essential role in human history. The fabrication process of synthetic polymers can be optimized to achieve unique physical properties such as toughness, viscoelasticity, self-lubrication, and many others.
Importance of Wear and Friction of Polymers
Polymers are commonly used for tribological applications, such as tires, bearings, and conveyor belts.
Different wear mechanisms occur depending on the mechanical properties of the polymer, the contact conditions, and the properties of the debris or transfer film formed during the wear process. To ensure that the polymers possess sufficient wear resistance under the service conditions, reliable and quantifiable tribological evaluation is necessary. Tribological evaluation allows us to quantitatively compare the wear behaviors of different polymers in a controlled and monitored manner to select the material candidate for the target application.
The Nanovea Tribometer offers repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear and lubrication modules available in one pre-integrated system. This unmatched range allows users to simulate the different work environments of the polymers including concentrated stress, wear, and high temperature, etc.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
In this study, we showcased that the Nanovea Tribómetro is an ideal tool for comparing the friction and wear resistance of different polymers in a well-controlled and quantitative manner.
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
The coefficient of friction (COF) and the wear resistance of different common polymers were evaluated by the Nanovea Tribometer. An Al2O3 ball was used as the counter material (pin, static sample). The wear tracks on the polymers (dynamic rotating samples) were measured using a non-contact 3D profilometer and optical microscope after the tests concluded. It should be noted that a non-contact endoscopic sensor can be used to measure the depth the pin penetrates the dynamic sample during a wear test as an option. The test parameters are summarized in Table 1. The wear rate, K, was evaluated using the formula K=Vl(Fxs), where V is the worn volume, F is the normal load, and s is the sliding distance.
Please note that Al2O3 balls were used as the counter material in this study. Any solid material can be substituted to more closely simulate the performance of two specimens under actual application conditions.
RESULTADOS Y DEBATE
Wear rate is a vital factor for determining the service lifetime of the materials, while the friction plays a critical role during the tribological applications. Figure 2 compares the evolution of the COF for different polymers against the Al2O3 ball during the wear tests. COF works as an indicator of when failures occur and the wear process enters a new stage. Among the tested polymers, HDPE maintains the lowest constant COF of ~0.15 throughout the wear test. The smooth COF implies that a stable tribo-contact is formed.
Figure 3 and Figure 4 compare the wear tracks of the polymer samples after the test is measured by the optical microscope. The In-situ non-contact 3D profilometer precisely determines the wear volume of the polymer samples, making it possible to accurately calculate wear rates of 0.0029, 0.0020, and 0.0032m3/N m, respectively. In comparison, the CPVC sample shows the highest wear rate of 0.1121m3/N m. Deep parallel wear scars are present in the wear track of CPVC.
CONCLUSIÓN
The wear resistance of the polymers plays a vital role in their service performance. In this study, we showcased that the Nanovea Tribometer evaluates the coefficient of friction and wear rate of different polymers in a
well-controlled and quantitative manner. HDPE shows the lowest COF of ~0.15 among the tested polymers. HDPE, Nylon 66, and Polypropylene samples possess low wear rates of 0.0029, 0.0020 and 0.0032 m3/N m, respectively. The combination of low friction and great wear resistance makes HDPE a good candidate for polymer tribological applications.
The In-situ non-contact 3D profilometer enables precise wear volume measurement and offers a tool to analyze the detailed morphology of the wear tracks, providing more insight into the fundamental understanding of wear mechanisms
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Honeycomb Panel Surface Finish with 3D Profilometry
INTRODUCCIÓN
Roughness, porosity, and texture of the honeycomb panel surface are critical to quantify for the final panel design. These surface qualities can directly correlate to the aesthetics and functional characteristics of the panel surface. A better understanding of the surface texture and porosity can help optimize the panel surface processing and manufacturability. A quantitative, precise, and reliable surface measurement of the honeycomb panel is needed to control surface parameters for application and painting requirements. The Nanovea 3D Non-Contact sensors utilize unique chromatic confocal technology capable of precisely measuring these panel surfaces.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
In this study, the Nanovea HS2000 platform equipped with a high-speed Line Sensor was used to measure and compare two honeycomb panels with different surface finishes. We showcase the Nanovea perfilómetro sin contacto’s ability to provide fast and precise 3D profiling measurements and comprehensive in-depth analysis of the surface finish.
RESULTADOS Y DEBATE
The surface of two honeycomb panel samples with varied surface finishes, namely Sample 1 and Sample 2, were measured. The false color and 3D view of the Samples 1 and 2 surfaces are shown in Figure 3 and Figure 4, respectively. The roughness and flatness values were calculated by advanced analysis software and are compared in Table 1. Sample 2 exhibits a more porous surface compared to Sample 1. As a result, Sample 2 possesses a higher roughness Sa of 14.7 µm, compared to an Sa value of 4.27 µm for Sample 1.
The 2D profiles of the honeycomb panel surfaces were compared in Figure 5, allowing users to have a visual comparison of the height change at different locations of the sample surface. We can observe that Sample 1 has a height variation of ~25 µm between the highest peak and lowest valley location. On the other hand, Sample 2 shows several deep pores across the 2D profile. The advanced analysis software has the ability to automatically locate and measure the depth of six relatively deep pores as shown in the table of Figure 4.b Sample 2. The deepest pore amongst the six possesses a maximum depth of nearly 90 µm (Step 4).
To further investigate the pore size and distribution of Sample 2, porosity evaluation was performed and discussed in the following section. The sliced view is displayed in Figure 5 and the results are summarized in Table 2. We can observe that the pores, marked in blue color in Figure 5, have a relatively homogeneous distribution on the sample surface. The projected area of the pores constitutes 18.9% of the whole sample surface. The volume per mm² of the total pores is ~0.06 mm³. The pores have an average depth of 42.2 µm, and the maximum depth is 108.1 µm.
CONCLUSIÓN
In this application, we have showcased that the Nanovea HS2000 platform equipped with a high-speed Line Sensor is an ideal tool for analyzing and comparing the surface finish of honeycomb panel samples in a fast and accurate manner. The high-resolution profilometry scans paired with an advanced analysis software allow for a comprehensive and quantitative evaluation of the surface finish of honeycomb panel samples.
The data shown here represents only a small portion of the calculations available in the analysis software. Nanovea Profilometers measure virtually any surface for a wide range of applications in the Semiconductor, Microelectronic, Solar, Fiber Optics, Automotive, Aerospace, Metallurgy, Machining, Coatings, Pharmaceutical, Biomedical, Environmental and many other industries.
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Comprensión de los fallos del revestimiento mediante ensayos de rayado
Introducción:
La ingeniería de superficies de los materiales desempeña un papel importante en diversas aplicaciones funcionales, que van desde el aspecto decorativo hasta la protección de los sustratos contra el desgaste, la corrosión y otras formas de ataque. Un factor importante y primordial que determina la calidad y la vida útil de los revestimientos es su fuerza cohesiva y adhesiva.
¿Desgaste Rotativo o Lineal y COF? (Un estudio exhaustivo con el tribómetro Nanovea)
Wear is the process of removal and deformation of material on a surface as a result of the mechanical action of the opposite surface. It is influenced by a variety of factors, including unidirectional sliding, rolling, speed, temperature, and many others. The study of wear, tribology, spans many disciplines, from physics and chemistry to mechanical engineering and material science. The complex nature of wear requires isolated studies toward specific wear mechanisms or processes, such as adhesive wear, abrasive wear, surface fatigue, fretting wear, and erosive wear. However, “Industrial Wear” commonly involves multiple wear mechanisms occurring in synergy.
Linear reciprocating and Rotative (Pin on Disk) wear tests are two widely used ASTM-compliant setups for measuring sliding wear behaviors of materials. Since the wear rate value of any wear test method is often used to predict the relative ranking of material combinations, it is extremely important to confirm the repeatability of the wear rate measured using different test setups. This enables users to carefully consider the wear rate value reported in the literature, which is critical in understanding the tribological characteristics of materials.
Caracterización a alta velocidad de una concha de ostra
Las muestras grandes con geometrías complejas pueden resultar difíciles de trabajar debido a la preparación de la muestra, el tamaño, los ángulos agudos y la curvatura. En este estudio se escaneará una concha de ostra para demostrar la capacidad del sensor lineal Nanovea HS2000 para escanear una muestra biológica de gran tamaño y geometría compleja. Aunque en este estudio se utilizó una muestra biológica, los mismos conceptos pueden aplicarse a otras muestras.
Inspección del acabado superficial de los suelos de madera
Importancia de perfilar los acabados de la madera
En diversas industrias, la finalidad de un acabado para madera es proteger la superficie de madera de diversos tipos de daños, como químicos, mecánicos o biológicos, y/o proporcionar una estética visual específica. Tanto para los fabricantes como para los compradores, la cuantificación de las características superficiales de los acabados de la madera puede ser vital para el control de calidad o la optimización de los procesos de acabado de la madera. En esta aplicación, exploraremos las diversas características superficiales que pueden cuantificarse utilizando un perfilómetro 3D sin contacto Nanovea.
Cuantificar la cantidad de rugosidad y textura que existe en una superficie de madera puede ser esencial conocerla para asegurarse de que puede cumplir los requisitos de su aplicación. Perfeccionar el proceso de acabado o comprobar la calidad de las superficies de madera basándose en un método de inspección de superficies cuantificable, repetible y fiable permitiría a los fabricantes crear tratamientos de superficie controlados y a los compradores la posibilidad de inspeccionar y seleccionar materiales de madera que satisfagan sus necesidades.
Objetivo de medición
En este estudio, el sistema de alta velocidad Nanovea HS2000 perfilómetro equipado con un sensor de línea de perfilado sin contacto se utilizó para medir y comparar el acabado superficial de tres muestras de suelos: Antique Birch Hardwood, Courtship Grey Oak y Santos Mahogany. Mostramos la capacidad del perfilómetro sin contacto Nanovea para ofrecer velocidad y precisión en la medición de tres tipos de superficies y un análisis exhaustivo en profundidad de los escaneados.
Procedimiento de ensayo y procedimientos
Resultados y debate
Descripción de la muestra: Los suelos Courtship Grey Oak y Santos Mahogany son suelos laminados. Courtship Grey Oak es una muestra gris pizarra texturada de bajo brillo con un acabado EIR. Santos Mahogany es una muestra de color burdeos oscuro de alto brillo con preacabado. Antique Birch Hardwood tiene un acabado de óxido de aluminio de 7 capas, que proporciona protección contra el desgaste diario.
Madera dura de abedul antigua
Cortejo Roble gris
Santos Caoba
Debate
Existe una clara distinción entre el valor Sa de todas las muestras. La más suave fue la madera dura de abedul antiguo con un Sa de 1,716 µm, seguida de la caoba de Santos con un Sa de 2,388 µm, y aumentando significativamente para el roble gris de cortejo con un Sa de 11,17 µm. Los valores P y los valores R también son valores de rugosidad comunes que pueden utilizarse para evaluar la rugosidad de perfiles específicos a lo largo de la superficie. El roble gris cortejo posee una textura gruesa llena de rasgos similares a grietas a lo largo de la dirección celular y de fibra de la madera. Se realizaron análisis adicionales en la muestra de roble gris cortejo debido a la textura de su superficie. En la muestra de Courtship Grey Oak, se utilizaron rodajas para separar y calcular la profundidad y el volumen de las grietas de la superficie uniforme más plana.
Conclusión
En esta aplicación, hemos mostrado cómo puede utilizarse el perfilómetro de alta velocidad Nanovea HS2000 para inspeccionar el acabado superficial de muestras de madera de forma eficaz y eficiente. Las mediciones del acabado superficial pueden resultar importantes tanto para los fabricantes como para los consumidores de suelos de madera noble a la hora de comprender cómo pueden mejorar un proceso de fabricación o elegir el producto adecuado que mejor se adapte a una aplicación específica.
AHORA, HABLEMOS DE SU SOLICITUD
Prueba de desgaste de la madera con el tribómetro Nanovea
Importancia de comparar el desgaste del acabado de la madera y el COF
La madera se ha utilizado durante miles de años como material de construcción para casas, muebles y suelos. Tiene una combinación de belleza natural y durabilidad, lo que la convierte en un candidato ideal para suelos. A diferencia de las moquetas, los suelos de madera conservan su color durante mucho tiempo y pueden limpiarse y mantenerse fácilmente. Sin embargo, al ser un material natural, la mayoría de los suelos de madera requieren la aplicación de un acabado superficial para proteger la madera de diversos tipos de daños, como rozaduras y desconchones, con el paso del tiempo. En este estudio, se aplicó una capa de Nanovea Tribómetro se utilizó para medir la tasa de desgaste y el coeficiente de fricción (COF) para comprender mejor el rendimiento comparativo de tres acabados de madera.
El comportamiento en servicio de una especie de madera utilizada para suelos suele estar relacionado con su resistencia al desgaste. El cambio en la estructura celular y de fibra individual de las diferentes especies de madera contribuye a sus diferentes comportamientos mecánicos y tribológicos. Las pruebas de servicio reales de la madera como material para suelos son caras, difíciles de duplicar y requieren largos periodos de tiempo de prueba. En consecuencia, resulta valioso desarrollar una prueba de desgaste sencilla que pueda producir resultados fiables, reproducibles y directos.
Objetivo de medición
En este estudio, simulamos y comparamos los comportamientos de desgaste de tres tipos de madera para mostrar la capacidad del tribómetro Nanovea para evaluar las propiedades tribológicas de la madera de forma controlada y monitorizada.
Debate
Descripción de la muestra: Antique Birch Hardwood tiene un acabado de óxido de aluminio de 7 capas, que proporciona protección contra el desgaste diario. Courtship Grey Oak y Santos Mahogany son suelos laminados que varían en acabado superficial y brillo. El Courtship Grey Oak es de color gris pizarra, acabado EIR y poco brillo. Por otro lado, Santos Mahogany es de color burdeos oscuro, preacabado y de alto brillo, lo que permite ocultar más fácilmente los arañazos y defectos de la superficie.
En la Fig. 1 se representa la evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las tres muestras de suelos de madera. Las muestras Antique Birch Hardwood, Courtship Grey Oak y Santos Mahogany mostraron un comportamiento diferente del COF.
En el gráfico anterior puede observarse que la madera dura de abedul antiguo fue la única muestra que mostró un COF constante durante toda la prueba. El brusco aumento del COF del Roble Gris Cortejo y su posterior disminución gradual podrían ser indicativos de que la rugosidad de la superficie de la muestra contribuyó en gran medida a su comportamiento COF. A medida que la muestra se desgastaba, la rugosidad de la superficie disminuía y se volvía más homogénea, lo que explica la disminución del COF a medida que la superficie de la muestra se volvía más lisa debido al desgaste mecánico. El COF de la Caoba Santos muestra un aumento gradual y suave del COF al principio de la prueba y luego pasa bruscamente a una tendencia de COF entrecortado. Esto podría indicar que una vez que el revestimiento laminado empezó a desgastarse, la bola de acero (contramaterial) entró en contacto con el sustrato de madera, que se desgastó de forma más rápida y turbulenta, creando el comportamiento más ruidoso del COF hacia el final de la prueba.
Madera dura de abedul antiguo:
Cortejo Roble Gris:
Santos Caoba
En la Tabla 2 se resumen los resultados de las exploraciones y análisis de las huellas de desgaste en todas las muestras de suelos de madera tras la realización de las pruebas de desgaste. La información detallada y las imágenes de cada muestra pueden verse en las Figuras 2-7. Basándonos en la comparación del índice de desgaste entre las tres muestras, podemos deducir que la Caoba Santos demostró ser menos resistente al desgaste mecánico que las otras dos muestras. La Madera Dura de Abedul Antiguo y el Roble Gris Cortejo tuvieron índices de desgaste muy similares aunque su comportamiento durante las pruebas difirió significativamente. La madera dura de abedul antiguo presentaba una tendencia al desgaste gradual y más uniforme, mientras que el roble gris Court-ship mostraba una huella de desgaste poco profunda y picada debido a la textura y el acabado preexistentes de la superficie.
Conclusión
En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro de Nanovea para evaluar el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste de tres tipos de madera: madera dura de abedul antiguo, roble gris cortejo y caoba de Santos de forma controlada y monitorizada. Las propiedades mecánicas superiores de la madera dura de abedul antiguo se traducen en una mayor resistencia al desgaste. La textura y la homogeneidad de la superficie de la madera desempeñan un papel importante en el comportamiento frente al desgaste. La textura de la superficie del Roble Gris Cortejo, como los huecos o grietas entre las fibras celulares de la madera, pueden convertirse en los puntos débiles donde se inicia y propaga el desgaste.
