Categoría: Notas de aplicación

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Application Note | Stent Coating Adhesion Testing

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Quantifying Coating Failure and Adhesion Performance on Drug-Eluting Stents

Research & Experimental Testing

Doctor Duanjie Li

Visual Design & Editorial

Andrew Shore

Introducción

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

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

Why coating adhesion matters in drug-eluting stents

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

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

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

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

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

ℹ️ Más información nanoindentation and scratch testing lab services for coating adhesion and failure analysis.

Measurement Method

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

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

NANOVEA PB1000 Advanced

Comprobador mecánico

Condiciones de prueba

1. Regular Stent Samples

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

Parameter	Value
Load type	Progresiva
Initial load	0.05 mN
Final load	300 and 100 mN
Sliding speed	0.5 mm/min
Sliding distance	0.5 mm
Indenter geometry	Cónica
Indenter material (tip)	Diamante
Indenter tip radius	20 µm
Temperatura	24°C (room)

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

2. Grooved Stent Samples

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

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

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

Parameter	Value
Load type	Progresiva
Initial load	0.1 mN
Final load	300 mN
Loading rate	300 mN/min
Scratch length	0.25 mm
Scratch speed	0.25 mm/min
Indenter geometry	40° cone
Indenter material (tip)	Diamante
Indenter tip radius	5 µm

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

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

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

Resultados y debate

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

1. Regular Stent Samples

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

Two critical loads are identified:

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

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

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

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

(a) Full Scratch Track

(b) Lc1 ≈ 14.5 mN

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

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

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

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

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

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

(a) Sample 1 – Early Coating Failure

(b) Sample 2 – Improved Coating Integrity

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

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

2. Grooved Stent Samples

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Conclusión

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

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

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

Referencias

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

Frequently Asked Questions About Stent Coating Adhesion Testing

What is stent coating adhesion testing?

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

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

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

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

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

Why is coating adhesion important in drug-eluting stents?

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

How do you measure coating adhesion inside stent grooves?

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

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

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

How can nano scratch testing compare different coating formulations?

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

Need Reliable Stent Coating Adhesion Testing?

Dental Surface Roughness Measurement & 3D Tooth Topography

Application Note | Dental Surface Characterization

Dental Surface Roughness Measurement and Full 3D Tooth Topography

Surface Roughness Analysis Using Non-Contact Optical Profilometry

Preparado por

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

Introducción

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

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

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

Non-Contact Optical Profilometry for Dental Surface Analysis

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

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

ℹ️ Más información non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

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

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

NANOVEA JR25 Portable
Perfilómetro óptico

Surface Measurement Using NANOVEA Optical Profilometer

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

PS2 – MG140

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

PS5 – MG35

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

Parámetros de medición

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

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

Optical Profilometry Results

Surface Roughness Analysis (Area)

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

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

ISO 25178 – Roughness (S-L)
S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm
F: [Workflow] Form removed (LS-poly 8)
L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm
Height Parameters
Sq	2.433	µm	Altura media cuadrática
Ssk	-0.102		Skewness
Código	3.715		Kurtosis
Sp	18.861	µm	Altura máxima del pico
Sv	16.553	µm	Maximum pit depth
Sz	35.414	µm	Altura máxima
Sa	1.888	µm	Altura media aritmética

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

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

Roughness Analysis (Profiles)

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

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

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

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

F: Ninguno

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

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

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

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

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

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

F: Ninguno

S-filter (λs): Gaussian, 2.5 µm

L-filter (λc): Gaussian, 0.8 mm

Evaluation length: All λc (3)

Full 3D Tooth Surface Topography Reconstruction

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

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

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

Conclusión

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

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

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

Referencias

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

Frequently Asked Questions About Dental Surface Roughness Measurement

What is dental surface roughness measurement?

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

Why use optical profilometry to measure tooth roughness?

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

What roughness parameters are used for dental surface analysis?

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

Why is surface roughness important in dentistry?

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

Need Reliable Surface Roughness Measurement for Dental Materials?

Pruebas de resistencia al rayado de los protectores de pantalla de los teléfonos

Preparado por

Stacey Pereira, Jocelyn Esparza y Pierre Leroux

Comprender la resistencia a los arañazos de los protectores de pantalla de los teléfonos

Los revestimientos protectores de las pantallas de los teléfonos desempeñan un papel fundamental en la resistencia a los arañazos, la fuerza de adherencia y la durabilidad a largo plazo. Con el tiempo, los arañazos, las microgrietas y la deslaminación del revestimiento pueden reducir la claridad óptica y la fiabilidad, especialmente en entornos de uso intensivo. Para evaluar la resistencia de los distintos protectores de pantalla a los daños mecánicos, los ensayos instrumentados de rayado proporcionan información cuantificable sobre los mecanismos de fallo del revestimiento, como la adherencia, la cohesión y el comportamiento de fractura.

En este estudio, Comprobador mecánico NANOVEA PB1000 se utiliza para comparar protectores de pantalla de TPU frente a los de vidrio templado sometidos a una carga progresiva controlada. Mediante la detección precisa de emisiones acústicas, identificamos las cargas críticas de fallo y caracterizamos cómo responde cada material al aumento de la tensión mecánica.

Por qué son importantes las pruebas de resistencia a los arañazos para los protectores de pantalla

Muchos usuarios dan por sentado que los protectores más gruesos o duros tienen automáticamente un mejor rendimiento, pero la durabilidad real depende de cómo se comporte el material bajo carga progresiva, deformación de la superficie y tensión localizada. Los ensayos de rayado instrumentados permiten a los ingenieros medir la adherencia del revestimiento, la fuerza cohesiva, la resistencia al desgaste de la superficie y las cargas exactas a las que se inician o propagan los fallos.

Mediante el análisis de los puntos de inicio de las grietas, el comportamiento de la delaminación y los modos de fallo, los fabricantes pueden validar el rendimiento de los protectores de pantalla para I+D, control de calidad o evaluación comparativa. Las pruebas de nanorrayaduras y microrrayaduras ofrecen información repetible y basada en datos sobre la durabilidad en el mundo real, mucho más allá de los índices de dureza tradicionales.

ℹ️ Más información servicios de pruebas de rayado y adherencia para revestimientos y protectores de pantalla.

Objetivo de la prueba de raspado:
Medición de las cargas de fallo en los protectores de pantalla

El objetivo de este estudio es demostrar cómo el Probador Mecánico NANOVEA PB1000 realiza pruebas repetibles y estandarizadas de resistencia al rayado tanto en protectores de pantalla poliméricos como de vidrio. Al aumentar progresivamente la carga aplicada, el sistema detecta cargas críticas para el fallo cohesivo y adhesivo, captura señales de emisión acústica y correlaciona estos eventos con la profundidad del arañazo, la fuerza de fricción y la deformación de la superficie.

Esta metodología proporciona un perfil mecánico completo de cada revestimiento protector, lo que permite a los fabricantes y a los equipos de I+D evaluar las fórmulas de los materiales, la fuerza de adhesión del revestimiento, la durabilidad de la superficie y el grosor óptimo del revestimiento para mejorar el rendimiento del producto. Estas evaluaciones de rayado forman parte de la gama más amplia de productos de NANOVEA. soluciones de ensayos mecánicos utilizado para caracterizar revestimientos, películas y sustratos en entornos de I+D, control de calidad y producción.

NANOVEA Gran plataforma PB1000
Comprobador mecánico

Parámetros del ensayo de rayado y configuración del instrumento

La evaluación de la resistencia al rayado de los protectores de pantalla de TPU y vidrio templado se realizó en condiciones controladas para garantizar la repetibilidad y la detección precisa de la carga de fallo. Los siguientes parámetros definen la configuración de ensayo de rayado de carga progresiva utilizada en el NANOVEA PB1000 Mechanical Tester.

TIPO DE CARGA	PROGRESIVO
CARGA INICIAL	0.1 N
CARGA FINAL	12 N
VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO	3,025 mm/min
DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO	3 mm
GEOMETRÍA DEL PENETRADOR	ROCKWELL (CONO DE 120°)
MATERIAL DEL PENETRADOR (PUNTA)	DIAMANTE
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR	50 µm
ATMÓSFERA	AIRE
TEMPERATURA	24 °C (TEMPERATURA AMBIENTE)

TABLA 1: Parámetros de ensayo utilizados para la prueba de rayado

Muestra de protector de pantalla montada en el Comprobador Mecánico NANOVEA PB1000 durante la medición de arañazos con carga progresiva.

Muestras de protectores de pantalla utilizadas para las pruebas de resistencia al rayado

Se seleccionaron dos materiales protectores de pantalla disponibles en el mercado para comparar las diferencias en la resistencia a los arañazos, el comportamiento ante fallos y la durabilidad mecánica. Ambas muestras se montaron firmemente en el comprobador mecánico NANOVEA PB1000 y se evaluaron en condiciones idénticas de carga progresiva para garantizar una comparación coherente e imparcial.

El protector de pantalla de TPU representa una película polimérica flexible de gran elasticidad pero menor resistencia a la abrasión, mientras que el protector de vidrio templado representa un material rígido y quebradizo diseñado para una gran dureza y una mayor protección contra impactos. Probar ambos materiales bajo el mismo perfil de carga permite evaluar claramente cómo influyen la composición, elasticidad y dureza del material en los modos de fallo por arañazos.

Protector de pantalla TPU

Cristal templado

FIGURA 1: Protectores de pantalla de TPU y vidrio templado preparados para las pruebas de resistencia a arañazos.

Resultados de las pruebas de arañazos: Modos de fallo en protectores de pantalla de TPU frente a los de vidrio templado

TIPO DE PROTECTOR DE PANTALLA	CARGA CRÍTICA #1 (N)	CARGA CRÍTICA #2 (N)
TPU	n/a	2.004 ± 0.063
VIDRIO TEMPLADO	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

TABLA 2: Resumen de las cargas críticas para cada muestra de protector de pantalla.

Dado que los protectores de pantalla de TPU y vidrio templado tienen propiedades mecánicas fundamentalmente diferentes, cada muestra mostró modos de fallo y umbrales de carga crítica distintos durante las pruebas de rayado con carga progresiva. La tabla 2 resume las cargas críticas medidas para cada material.

La carga crítica #1 representa el primer punto observable de fallo cohesivo bajo microscopía óptica, como el inicio de la grieta o la fractura radial.

La carga crítica #2 corresponde al primer evento importante detectado a través de la monitorización de emisiones acústicas (EA), que suele representar un fallo estructural mayor o un evento de penetración.

Protector de pantalla TPU - Comportamiento de polímero flexible

El protector de pantalla de TPU sólo presentó un evento crítico significativo (Carga crítica #2). Esta carga corresponde al punto a lo largo de la pista de arañazos donde la película comenzó a levantarse, pelarse o desprenderse de la superficie de la pantalla del teléfono.

Una vez superada la carga crítica #2 (≈2,00 N), el penetrador penetró lo suficiente como para causar un arañazo visible directamente en la pantalla del teléfono durante el resto de la prueba. No se detectó ningún evento de Carga Crítica #1 por separado, en consonancia con la alta elasticidad del material y su menor resistencia cohesiva.

Protector de pantalla de vidrio templado - Comportamiento ante fallos por fragilidad

El protector de pantalla de vidrio templado mostró dos cargas críticas distintas, características de los materiales frágiles:

Carga crítica #1 (≈3,61 N): Se observaron fracturas radiales e inicio de grietas al microscopio, lo que indica un fallo cohesivo temprano de la capa de vidrio.
Carga crítica #2 (≈7,44 N): Un gran pico de EA y un fuerte aumento de la profundidad del rayado indicaron la penetración del protector con cargas más altas.

Aunque la magnitud del EA fue superior a la del TPU, no se produjeron daños en la pantalla del teléfono, lo que demuestra la capacidad del protector de vidrio templado para absorber y distribuir la carga antes de que se produzca un fallo catastrófico.

En ambos materiales, la Carga Crítica #2 correspondió al momento en que el indentador atravesó el protector de pantalla, confirmando el límite de protección de cada muestra.

Protector de pantalla TPU: Datos de la prueba de arañazos y análisis de fallos

ROZADURA	CARGA CRÍTICA #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
MEDIA	2.003
DESVIACIÓN TÍPICA	0.052

TABLA 3: Cargas críticas medidas durante las pruebas de rayado del protector de pantalla de TPU.

FIGURA 2: Fuerza de fricción, carga normal, emisión acústica (EA) y profundidad del arañazo frente a la longitud del arañazo para el protector de pantalla de TPU. (B) Carga crítica #2

FIGURA 3: Imagen de microscopía óptica del protector de pantalla TPU en Critical Load #2 (aumento 5×; ancho de imagen 0,8934 mm).

FIGURA 4: Imagen completa del protector de pantalla de TPU después del rayado que muestra la huella completa del rayado tras la prueba de carga progresiva.

Protector de pantalla de vidrio templado: Datos de carga crítica y comportamiento de fractura

ROZADURA	CARGA CRÍTICA #1 (N)	CARGA CRÍTICA #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
MEDIA	3.653	6.925
DESVIACIÓN TÍPICA	0.383	0.624

CUADRO 4: Cargas críticas medidas durante las pruebas de rayado del protector de pantalla de vidrio templado.

ℹ️ Para la comparación con revestimientos de polímeros no silicatados, véase nuestro estudio sobre Pruebas de desgaste del revestimiento de PTFEque pone de relieve el comportamiento de fallo en películas poliméricas de baja fricción en condiciones similares de carga progresiva.

FIGURA 5: Fuerza de fricción, carga normal, emisión acústica (EA) y profundidad del arañazo frente a la longitud del arañazo para el protector de pantalla de vidrio templado. (A) Carga crítica #1 (B) Carga crítica #2

FIGURA 6: Imágenes de microscopía óptica que muestran los puntos de fallo de la carga crítica #1 (izquierda) y de la carga crítica #2 (derecha) con un aumento de 5× (ancho de imagen: 0,8934 mm).

FIGURA 7: Imagen de microscopía óptica posterior a la prueba de la pista de rayado de vidrio templado, destacando el inicio de la fractura (CL#1) y la zona de penetración final (CL#2) tras la prueba de carga progresiva.

Conclusión: Comparación del rendimiento frente a arañazos de los protectores de pantalla de TPU frente a los de vidrio templado

Este estudio demuestra cómo el comprobador mecánico NANOVEA PB1000 proporciona mediciones de resistencia al rayado controladas, repetibles y altamente sensibles mediante carga progresiva y detección de emisiones acústicas (AE). Al capturar con precisión los eventos de fallo cohesivo y adhesivo, el sistema permite una comparación clara de cómo se comportan los protectores de pantalla de TPU y vidrio templado bajo una creciente tensión mecánica.

Los resultados experimentales confirman que el vidrio templado presenta cargas críticas significativamente superiores a las del TPU, proporcionando una mayor resistencia al rayado, un retraso en el inicio de la fractura y una protección fiable contra la penetración del penetrador. La menor resistencia cohesiva del TPU y su deslaminación más temprana ponen de manifiesto sus limitaciones en entornos de alta tensión.

Después de identificar las cargas de fallo, las huellas de arañazos resultantes también pueden analizarse utilizando un perfilómetro óptico 3D sin contacto para medir la profundidad del surco, la deformación residual y la topografía posterior al rayado. Esto ayuda a completar el perfil mecánico de cada material.

El comprobador mecánico NANOVEA está diseñado para realizar ensayos precisos y repetibles de indentación, rayado y desgaste, y admite nano y micromódulos conformes con las normas ISO y ASTM. Su versatilidad lo convierte en la solución ideal para evaluar el perfil mecánico completo de películas finas, revestimientos, polímeros, vidrios y sustratos en I+D, producción y control de calidad.

Preguntas frecuentes
Acerca de los ensayos de resistencia al rayado

¿Qué es la prueba de resistencia al rayado?

El ensayo de resistencia al rayado evalúa cómo responde un material o revestimiento cuando un estilete de diamante aplica una carga progresivamente creciente. El ensayo identifica las cargas críticas en las que se producen fallos cohesivos o adhesivos, proporcionando una medida cuantificable de la durabilidad, la fuerza de adhesión y la resistencia a los daños superficiales.

¿Cuál es la diferencia entre fallo cohesivo y fallo adhesivo?

Se produce un fallo de cohesión en el revestimiento o el material, como agrietamiento, desgarro o fractura interna.
El fallo del adhesivo se produce cuando el revestimiento se desprende del sustrato, lo que indica una fuerza de adhesión insuficiente.

El NANOVEA PB1000 detecta ambos utilizando la monitorización sincronizada de las emisiones acústicas, el seguimiento de la profundidad del arañazo y el análisis de la fricción.

¿Por qué utilizar un comprobador mecánico en lugar de métodos manuales?

Un comprobador mecánico como el NANOVEA PB1000 proporciona mediciones precisas, repetibles y estandarizadas, garantizando datos fiables para I+D, validación de la producción y control de calidad. También ofrece funciones avanzadas, como la detección de emisiones acústicas y la supervisión de la profundidad en tiempo real, que los métodos manuales no pueden ofrecer.

¿Necesita pruebas fiables de arañazos para sus materiales?

Pruebas de abrasividad de rocas con el tribómetro NANOVEA

TRIBOLOGÍA DE ROCAS:PRUEBAS DE ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS CON EL TRIBÓMETRO NANOVEA

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

Las rocas están compuestas por granos de minerales. El tipo y la abundancia de estos minerales, así como la fuerza de enlace químico entre los granos minerales, determinan las propiedades mecánicas y tribológicas de las rocas. En función de los ciclos geológicos de las rocas, éstas pueden sufrir transformaciones y suelen clasificarse en tres grandes tipos: ígneas, sedimentarias y metamórficas. Estas rocas presentan diferentes composiciones minerales y químicas, permeabilidades y tamaños de partículas, y tales características contribuyen a su variada resistencia al desgaste. La tribología de rocas explora los comportamientos de desgaste y fricción de las rocas en diversas condiciones geológicas y ambientales.

IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE ABRASIVIDAD DE LAS ROCAS

Durante el proceso de perforación de pozos se producen diversos tipos de desgaste contra las rocas, como la abrasión y la fricción, que provocan importantes pérdidas directas y consecuentes atribuidas a la reparación y sustitución de brocas y herramientas de corte. Por lo tanto, el estudio de la perforabilidad, la perforabilidad, la cortabilidad y la abrasividad de las rocas es fundamental en las industrias del petróleo, el gas y la minería. La investigación de la tribología de las rocas desempeña un papel fundamental en la selección de las estrategias de perforación más eficaces y rentables, mejorando así la eficiencia global y contribuyendo a la conservación de los materiales, la energía y el medio ambiente. Además, minimizar la fricción superficial es muy ventajoso para reducir la interacción entre la broca de perforación y la roca, lo que se traduce en un menor desgaste de la herramienta y una mayor eficacia de perforación/corte.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, simulamos y comparamos las propiedades tribológicas de dos tipos de rocas para mostrar la capacidad de la Tribómetro NANOVEA T50 en la medición del coeficiente de fricción y la tasa de desgaste de las rocas de forma controlada y monitorizada.

NANOVEA T50 Compacto
Tribómetro de peso libre

LAS MUESTRAS

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

El coeficiente de fricción, COF, y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca se evaluaron con el tribómetro NANOVEA T50 utilizando el módulo de desgaste Pin-on-Disc. Se utilizó una bola de Al2O3 (6 mm de diámetro) como contramaterial. La huella de desgaste se examinó utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA después de las pruebas. Los parámetros de la prueba se resumen a continuación.

La tasa de desgaste, K, se evaluó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V es el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la pista de desgaste y n es el número de revoluciones. La rugosidad de la superficie y los perfiles de la pista de desgaste se evaluaron con el perfilómetro óptico NANOVEA, y la morfología de la pista de desgaste se examinó con un microscopio óptico.

Tenga en cuenta que en este estudio se ha utilizado como ejemplo la bola de Al2O3 como contramaterial. Se puede aplicar cualquier material sólido con diferentes formas utilizando un accesorio personalizado para simular la situación de aplicación real.

PARÁMETROS DE PRUEBA

MUESTRAS	Piedra caliza, mármol
RADIO DEL ANILLO DE DESGASTE	5 mm
FUERZA NORMAL	10 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA	10 minutos
VELOCIDAD	100 rpm

RESULTADOS Y DEBATE

La dureza (H) y el módulo elástico (E) de las muestras de caliza y mármol se comparan en la FIGURA 1, utilizando el módulo de microindentación del NANOVEA Mechanical Tester. La muestra de caliza presentó valores más bajos de H y E, midiendo 0,53 y 25,9 GPa, respectivamente, en contraste con el mármol, que registró valores de 1,07 para H y 49,6 GPa para E. La variabilidad relativamente mayor en los valores de H y E observados en la muestra de caliza puede atribuirse a su mayor inhomogeneidad superficial, derivada de sus características granuladas y porosas.

La FIGURA 2 muestra la evolución del COF durante las pruebas de desgaste de las dos muestras de roca. La caliza experimenta inicialmente un rápido aumento del COF hasta aproximadamente 0,8 al comienzo del ensayo de desgaste, manteniéndose este valor durante toda la duración del ensayo. Este cambio abrupto en el COF puede atribuirse a la penetración de la bola de Al2O3 en la muestra de roca, resultante de un rápido proceso de desgaste y rugosidad que se produce en la cara de contacto dentro de la pista de desgaste. Por el contrario, la muestra de mármol muestra un notable aumento del COF hasta valores más altos después de aproximadamente 5 metros de distancia de deslizamiento, lo que significa que su resistencia al desgaste es superior a la de la caliza.

FIGURA 1: Comparación de la dureza y el módulo de Young entre muestras de piedra caliza y mármol.

FIGURA 2: Evolución del coeficiente de fricción (COF) en muestras de caliza y mármol durante las pruebas de desgaste.

En la FIGURA 3 se comparan los perfiles transversales de las muestras de caliza y mármol tras las pruebas de desgaste, y en la Tabla 1 se resumen los resultados del análisis de las huellas de desgaste. La FIGURA 4 muestra las huellas de desgaste de las muestras al microscopio óptico. La evaluación de las huellas de desgaste coincide con la observación de la evolución del COF: La muestra de mármol, que mantiene un COF bajo durante un período más largo, presenta una tasa de desgaste inferior de 0,0046 mm³/N m, en comparación con 0,0353 mm³/N m para la caliza. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su mejor resistencia al desgaste que la caliza.

FIGURA 3: Perfiles transversales de las pistas de desgaste.

TABLA 1: Resumen de resultados del análisis de la pista de desgaste.

FIGURA 4: Huellas de desgaste al microscopio óptico.

CONCLUSIÓN

En este estudio, mostramos la capacidad del tribómetro NANOVEA para evaluar el coeficiente de fricción y la resistencia al desgaste de dos muestras de roca, a saber, mármol y piedra caliza, de forma controlada y monitorizada. Las propiedades mecánicas superiores del mármol contribuyen a su excepcional resistencia al desgaste. Esta propiedad dificulta su perforación o corte en la industria del petróleo y el gas. Por el contrario, prolonga considerablemente su vida útil cuando se utiliza como material de construcción de alta calidad, como las baldosas.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles, de conformidad con las normas ISO y ASTM, tanto en modo rotativo como lineal. Además, proporciona módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todos perfectamente integrados en un sistema. La incomparable gama de NANOVEA es una solución ideal para determinar toda la gama de propiedades tribológicas de recubrimientos finos o gruesos, blandos o duros, películas, sustratos y tribología de rocas.

¿Tiene una aplicación similar?

Análisis de superficies granalladas

ANÁLISIS DE SUPERFICIES GRANALLADAS

UTILIZANDO UN PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO

Preparado por

CRAIG LEISING

INTRODUCCIÓN

El shot peening es un proceso en el que un sustrato se bombardea con perlas esféricas de metal, vidrio o cerámica -comúnmente denominadas "granalla"- a una fuerza destinada a inducir plasticidad en la superficie. El análisis de las características antes y después del granallado proporciona información crucial para mejorar la comprensión y el control del proceso. La rugosidad de la superficie y el área de cobertura de los hoyuelos dejados por la granalla son aspectos de especial interés.

Importancia del perfilómetro 3D sin contacto para el análisis de superficies de granallado

A diferencia de los perfilómetros de contacto tradicionales, que se han utilizado tradicionalmente para el análisis de superficies granalladas, la medición 3D sin contacto proporciona una imagen 3D completa para ofrecer una comprensión más exhaustiva del área de cobertura y la topografía de la superficie. Sin capacidades 3D, una inspección se basará únicamente en información 2D, que es insuficiente para caracterizar una superficie. Comprender la topografía, el área de cobertura y la rugosidad en 3D es el mejor enfoque para controlar o mejorar el proceso de peening. NANOVEA Perfilómetros 3D sin contacto utilizan la tecnología de luz cromática con una capacidad única para medir ángulos pronunciados que se encuentran en superficies mecanizadas y granalladas. Además, cuando otras técnicas no proporcionan datos fiables debido al contacto de la sonda, la variación de la superficie, el ángulo o la reflectividad, los perfilómetros NANOVEA lo consiguen.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el perfilómetro sin contacto NANOVEA ST400 se utiliza para medir el material en bruto y dos superficies granalladas de forma diferente para una revisión comparativa. Hay una lista interminable de parámetros de superficie que se pueden calcular automáticamente después de la exploración de la superficie 3D. Aquí, revisaremos la superficie 3D y seleccionaremos las áreas de interés para su posterior análisis, incluyendo la cuantificación e investigación de la rugosidad, los hoyuelos y el área superficial.

NANOVEA ST400 Estándar
Perfilómetro óptico 3D

LA MUESTRA

RESULTADOS

SUPERFICIE DE ACERO

ISO 25178 PARÁMETROS DE ROUGNESS 3D

SA	0,399 μm	Rugosidad media
Sq	0,516 μm	Rugosidad RMS
Sz	5,686 μm	Máximo de pico a valle
Sp	2,976 μm	Altura máxima del pico
Sv	2,711 μm	Profundidad máxima de la fosa
Código	3.9344	Kurtosis
Ssk	-0.0113	Skewness
Sal	0,0028 mm	Longitud de autocorrelación
Str	0.0613	Relación de aspecto de la textura
Sdar	26,539 mm²	Superficie
Svk	0,589 μm	Reducción de la profundidad del valle

RESULTADOS

SUPERFICIE GRANALLADA 1

COBERTURA SUPERFICIAL 98.105%

ISO 25178 PARÁMETROS DE ROUGNESS 3D

Sa	4,102 μm	Rugosidad media
Sq	5,153 μm	Rugosidad RMS
Sz	44,975 μm	Máximo de pico a valle
Sp	24,332 μm	Altura máxima del pico
Sv	20,644 μm	Profundidad máxima de la fosa
Código	3.0187	Kurtosis
Ssk	0.0625	Skewness
Sal	0,0976 mm	Longitud de autocorrelación
Str	0.9278	Relación de aspecto de la textura
Sdar	29,451 mm²	Superficie
Svk	5,008 μm	Reducción de la profundidad del valle

RESULTADOS

SUPERFICIE GRANALLADA 2

COBERTURA SUPERFICIAL 97.366%

ISO 25178 PARÁMETROS DE ROUGNESS 3D

Sa	4,330 μm	Rugosidad media
Sq	5,455 μm	Rugosidad RMS
Sz	54,013 μm	Máximo de pico a valle
Sp	25,908 μm	Altura máxima del pico
Sv	28,105 μm	Profundidad máxima de la fosa
Código	3.0642	Kurtosis
Ssk	0.1108	Skewness
Sal	0,1034 mm	Longitud de autocorrelación
Str	0.9733	Relación de aspecto de la textura
Sdar	29,623 mm²	Superficie
Svk	5,167 μm	Reducción de la profundidad del valle

CONCLUSIÓN

En esta aplicación de análisis de superficies granalladas, hemos demostrado cómo el perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA ST400 caracteriza con precisión tanto la topografía como los detalles nanométricos de una superficie granallada. Es evidente que tanto la superficie 1 como la superficie 2 tienen un impacto significativo en todos los parámetros reportados aquí en comparación con el material en bruto. Un simple examen visual de las imágenes revela las diferencias entre las superficies. Esto se confirma observando el área de cobertura y los parámetros enumerados. En comparación con la superficie 2, la superficie 1 presenta una rugosidad media inferior (Sa), abolladuras menos profundas (Sv) y un área de superficie reducida (Sdar), pero un área de cobertura ligeramente superior.

A partir de estas mediciones de superficie en 3D, las áreas de interés pueden identificarse fácilmente y someterse a una amplia gama de mediciones, como Rugosidad, Acabado, Textura, Forma, Topografía, Planitud, Alabeo, Planaridad, Volumen, Paso-Altura y otras. Se puede elegir rápidamente una sección transversal 2D para realizar un análisis detallado. Esta información permite una investigación exhaustiva de las superficies granalladas, utilizando una gama completa de recursos de medición de superficies. Las áreas específicas de interés pueden examinarse más a fondo con un módulo AFM integrado. Los perfilómetros NANOVEA 3D ofrecen velocidades de hasta 200 mm/s. Se pueden personalizar en términos de tamaño, velocidades, capacidades de escaneado e incluso pueden cumplir las normas de Sala Limpia de Clase 1. También están disponibles opciones como el transportador de indexación y la integración para uso en línea o en línea.

Un agradecimiento especial al Sr. Hayden de IMF por suministrar la muestra que aparece en esta nota. Industrial Metal Finishing Inc. | indmetfin.com

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Morfología de la superficie de la pintura

MORFOLOGÍA DE LA SUPERFICIE DE LA PINTURA

SEGUIMIENTO AUTOMATIZADO DE LA EVOLUCIÓN EN TIEMPO REAL
USO DEL PERFILÓMETRO NANOVEA 3D

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

Las propiedades protectoras y decorativas de la pintura desempeñan un papel importante en diversos sectores, como el de la automoción, el naval, el militar y el de la construcción. Para conseguir las propiedades deseadas, como resistencia a la corrosión, protección UV y resistencia a la abrasión, las fórmulas y arquitecturas de la pintura se analizan, modifican y optimizan cuidadosamente.

IMPORTANCIA DEL PERFILÓMETRO 3D SIN CONTACTO PARA EL ANÁLISIS DE LA MORFOLOGÍA SUPERFICIAL DE LA PINTURA DE SECADO

La pintura suele aplicarse en forma líquida y se somete a un proceso de secado, que implica la evaporación de disolventes y la transformación de la pintura líquida en una película sólida. Durante el proceso de secado, la superficie de la pintura cambia progresivamente de forma y textura. Se pueden conseguir diferentes acabados y texturas superficiales utilizando aditivos para modificar la tensión superficial y las propiedades de fluidez de la pintura. Sin embargo, en los casos de una receta de pintura mal formulada o un tratamiento superficial inadecuado, pueden producirse fallos no deseados en la superficie de la pintura.

La monitorización precisa in situ de la morfología de la superficie de la pintura durante el periodo de secado puede proporcionar información directa sobre el mecanismo de secado. Además, la evolución en tiempo real de las morfologías superficiales es una información muy útil en diversas aplicaciones, como la impresión 3D. El sistema NANOVEA Perfilómetros 3D sin contacto medir la morfología de la superficie pictórica de los materiales sin tocar la muestra, evitando cualquier alteración de la forma que puedan provocar las tecnologías de contacto, como un palpador deslizante.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, el perfilómetro sin contacto NANOVEA ST500, equipado con un sensor óptico de línea de alta velocidad, se utiliza para monitorizar la morfología de la superficie de la pintura durante su periodo de secado de 1 hora. Mostramos la capacidad del perfilómetro sin contacto NANOVEA para proporcionar mediciones automatizadas de perfiles 3D en tiempo real de materiales con cambio continuo de forma.

NANOVEA ST500 Gran superficie
Perfilómetro óptico 3D

RESULTADOS Y DEBATE

La pintura se aplicó sobre la superficie de una chapa metálica, seguida inmediatamente de mediciones automatizadas de la evolución de la morfología de la pintura en secado in situ utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA ST500 equipado con un sensor de línea de alta velocidad. Se había programado una macro para medir y registrar automáticamente la morfología 3D de la superficie a intervalos de tiempo específicos: 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 min. Este procedimiento de escaneado automatizado permite a los usuarios realizar tareas de escaneado automáticamente ejecutando procedimientos establecidos en secuencia, lo que reduce significativamente el esfuerzo, el tiempo y los posibles errores del usuario en comparación con las pruebas manuales o los escaneados repetidos. Esta automatización resulta extremadamente útil para mediciones a largo plazo que implican múltiples exploraciones a diferentes intervalos de tiempo.

El sensor óptico de línea genera una línea brillante formada por 192 puntos, como se muestra en la FIGURA 1. Estos 192 puntos luminosos escanean simultáneamente la superficie de la muestra, lo que aumenta significativamente la velocidad de escaneado. Esto garantiza que cada escaneado 3D se complete rápidamente para evitar cambios sustanciales en la superficie durante cada escaneado individual.

FIGURA 1: Sensor óptico de líneas que escanea la superficie de la pintura en secado.

La vista en falso color, la vista en 3D y el perfil en 2D de la topografía de la pintura secándose en momentos representativos se muestran en la FIGURA 2, FIGURA 3 y FIGURA 4, respectivamente. El falso color en las imágenes facilita la detección de características que no son fácilmente discernibles. Los diferentes colores representan variaciones de altura en diferentes áreas de la superficie de la muestra. La vista 3D proporciona una herramienta ideal para que los usuarios observen la superficie de la pintura desde diferentes ángulos. Durante los primeros 30 minutos de la prueba, los falsos colores de la superficie de la pintura cambian gradualmente de tonos más cálidos a tonos más fríos, lo que indica una disminución progresiva de la altura con el paso del tiempo en este periodo. Este proceso se ralentiza, como demuestra el leve cambio de color al comparar la pintura a los 30 y 60 minutos.

Los valores de la altura media de la muestra y de la rugosidad Sa en función del tiempo de secado de la pintura se representan en la FIGURA 5. El análisis completo de la rugosidad de la pintura después de 0, 30 y 60 min de tiempo de secado se enumeran en la TABLA 1. Puede observarse que la altura media de la superficie de la pintura disminuye rápidamente de 471 a 329 µm en los primeros 30 min de tiempo de secado. La textura de la superficie se desarrolla al mismo tiempo que se vaporiza el disolvente, lo que provoca un aumento del valor Sa de la rugosidad de 7,19 a 22,6 µm. El proceso de secado de la pintura se ralentiza a partir de entonces, lo que provoca una disminución gradual de la altura de la muestra y del valor Sa hasta 317 µm y 19,6 µm, respectivamente, a los 60 min.

Este estudio pone de relieve las capacidades del perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA para monitorizar en tiempo real los cambios de la superficie 3D de la pintura en proceso de secado, proporcionando información valiosa sobre el proceso de secado de la pintura. Al medir la morfología de la superficie sin tocar la muestra, el perfilómetro evita introducir alteraciones de forma en la pintura sin secar, lo que puede ocurrir con tecnologías de contacto como el palpador deslizante. Este enfoque sin contacto garantiza un análisis preciso y fiable de la morfología de la superficie de la pintura en proceso de secado.

FIGURA 2: Evolución de la morfología de la superficie de la pintura en secado a diferentes tiempos.

FIGURA 3: Vista en 3D de la evolución de la superficie de la pintura a diferentes tiempos de secado.

FIGURA 4: Perfil 2D de la muestra de pintura tras diferentes tiempos de secado.

FIGURA 5: Evolución de la altura media de la muestra y del valor de rugosidad Sa en función del tiempo de secado de la pintura.

ISO 25178 - Parámetros de textura superficial

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

TABLA 1: Rugosidad de la pintura a diferentes tiempos de secado.

CONCLUSIÓN

En esta aplicación, hemos mostrado las capacidades del perfilómetro 3D sin contacto NANOVEA ST500 para supervisar la evolución de la morfología de la superficie de la pintura durante el proceso de secado. El sensor óptico de línea de alta velocidad, que genera una línea con 192 puntos de luz que escanean la superficie de la muestra simultáneamente, ha hecho que el estudio sea eficiente en cuanto al tiempo, al tiempo que garantiza una precisión inigualable.

La función macro del software de adquisición permite programar mediciones automatizadas de la morfología de la superficie 3D in situ, por lo que resulta especialmente útil para mediciones a largo plazo que impliquen múltiples exploraciones a intervalos de tiempo específicos. Reduce significativamente el tiempo, el esfuerzo y los posibles errores del usuario. Los cambios progresivos en la morfología de la superficie se supervisan continuamente y se registran en tiempo real a medida que se seca la pintura, lo que proporciona información valiosa sobre el mecanismo de secado de la pintura.

Los datos mostrados aquí representan sólo una fracción de los cálculos disponibles en el software de análisis. Los perfilómetros NANOVEA son capaces de medir prácticamente cualquier superficie, ya sea transparente, oscura, reflectante u opaca.

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Prueba de desgaste del revestimiento de PTFE

ENSAYO DE DESGASTE DEL REVESTIMIENTO DE PTFE

UTILIZANDO TRIBÓMETROS Y COMPROBADORES MECÁNICOS

Preparado por

DUANJIE LI, Doctor

INTRODUCCIÓN

El politetrafluoroetileno (PTFE), conocido comúnmente como teflón, es un polímero con un coeficiente de fricción (COF) excepcionalmente bajo y una excelente resistencia al desgaste, en función de las cargas aplicadas. El PTFE presenta una inercia química superior, un alto punto de fusión de 327°C (620°F) y mantiene una alta resistencia, tenacidad y autolubricación a bajas temperaturas. La excepcional resistencia al desgaste de los revestimientos de PTFE hace que sean muy solicitados en una amplia gama de aplicaciones industriales, como la automoción, la industria aeroespacial, la medicina y, sobre todo, los utensilios de cocina.

IMPORTANCIA DE LA EVALUACIÓN CUANTITATIVA DE LOS REVESTIMIENTOS DE PTFE

La combinación de un coeficiente de fricción (COF) superbajo, una excelente resistencia al desgaste y una excepcional inercia química a altas temperaturas hace del PTFE una opción ideal para los revestimientos antiadherentes de sartenes. Para mejorar aún más sus procesos mecánicos durante la I+D, así como para garantizar un control óptimo sobre la prevención de fallos y las medidas de seguridad en el proceso de control de calidad, es crucial disponer de una técnica fiable para evaluar cuantitativamente los procesos tribomecánicos de los revestimientos de PTFE. El control preciso de la fricción superficial, el desgaste y la adherencia de los revestimientos es esencial para garantizar su rendimiento previsto.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En esta aplicación, se simula el proceso de desgaste de un revestimiento de PTFE para una sartén antiadherente utilizando el Tribómetro NANOVEA en modo lineal alternativo.

NANOVEA T50 Compacto
Tribómetro de peso libre

Además, se utilizó el comprobador mecánico NANOVEA para realizar un ensayo de adhesión por microarañazos con el fin de determinar la carga crítica del fallo de adhesión del revestimiento de PTFE.

NANOVEA PB1000 Plataforma grande Comprobador mecánico

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE DESGASTE

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El comportamiento tribológico de la muestra de revestimiento de PTFE, incluyendo el coeﬃcient de fricción (COF) y la resistencia al desgaste, se evaluó utilizando el NANOVEA Tribómetro en modo alternativo lineal. Se utilizó una punta esférica de acero inoxidable 440 con un diámetro de 3 mm (Grado 100) contra el revestimiento. Durante la prueba de desgaste del revestimiento de PTFE se controló continuamente el COF.

La tasa de desgaste, K, se calculó mediante la fórmula K=V/(F×s)=A/(F×n), donde V representa el volumen desgastado, F es la carga normal, s es la distancia de deslizamiento, A es el área transversal de la pista de desgaste y n es el número de carreras. Los perfiles de desgaste se evaluaron con el programa NANOVEA Proﬁlómetro ópticoy se examinó la morfología de la huella de desgaste con un microscopio óptico.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE DESGASTE

CARGAR	30 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA	5 minutos
TASA DE DESLIZAMIENTO	80 rpm
AMPLITUD DE VÍA	8 mm
REVOLUCIONES	300
DIÁMETRO DE LA BOLA	3 mm
MATERIAL DE LA BOLA	Acero inoxidable 440
LUBRICANTE	Ninguno
ATMÓSFERA	Aire
TEMPERATURA	230C (RT)
HUMEDAD	43%

PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

PRUEBA DE RAYADO

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

La medición de la adherencia al rayado del PTFE se realizó utilizando el NANOVEA Comprobador mecánico con un palpador de diamante de 1200 Rockwell C (200 μm de radio) en el modo Micro Scratch Tester.

Para garantizar la reproducibilidad de los resultados, se realizaron tres pruebas en condiciones idénticas.

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE RAYADO

TIPO DE CARGA	Progresiva
CARGA INICIAL	0,01 mN
CARGA FINAL	20 mN
VELOCIDAD DE CARGA	40 mN/min
LONGITUD DEL RASPADO	3 mm
velocidad de rayado, dx/dt	6,0 mm/min
GEOMETRÍA DEL PENETRADOR	120o Rockwell C
MATERIAL INDENTADOR (punta)	Diamante
RADIO DE LA PUNTA DEL PENETRADOR	200 μm

RESULTADOS Y DEBATE

DESGASTE LINEAL ALTERNATIVO MEDIANTE TRIBÓMETRO

El COF registrado in situ se muestra en la FIGURA 1. La muestra de ensayo mostró un COF de ~0,18 durante las 130 primeras revoluciones, debido a la baja pegajosidad del PTFE. Sin embargo, se produjo un aumento repentino del COF a ~1 una vez que el revestimiento se rompió, dejando al descubierto el sustrato subyacente. Tras las pruebas de movimiento alternativo lineal, se midió el perfil de desgaste con el NANOVEA Proﬁlómetro óptico sin contactocomo se muestra en la FIGURA 2. A partir de los datos obtenidos, la tasa de desgaste correspondiente se calculó en ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mientras que la profundidad de la huella de desgaste se determinó en 44,94 µm.

Configuración de la prueba de desgaste del revestimiento de PTFE en el tribómetro NANOVEA T50.

FIGURA 1: Evolución del COF durante el ensayo de desgaste del revestimiento de PTFE.

FIGURA 2: Proﬁle de extracción de la pista de desgaste PTFE.

PTFE Antes del avance

COF máximo	0.217
Mín COF	0.125
COF medio	0.177

PTFE Después de la ruptura

COF máximo	0.217
Mín COF	0.125
COF medio	0.177

TABLA 1: COF antes y después de la rotura durante la prueba de desgaste.

RESULTADOS Y DEBATE

PRUEBA DE ADHERENCIA AL MICROARAÑAZO CON UN COMPROBADOR MECÁNICO

La adherencia del revestimiento de PTFE al sustrato se mide mediante ensayos de rayado con un estilete de diamante de 200 µm. La micrografía se muestra en la FIGURA 3 y FIGURA 4, la evolución del COF, y la profundidad de penetración en la FIGURA 5. Los resultados de la prueba de rayado del recubrimiento de PTFE se resumen en la TABLA 4. A medida que aumentaba la carga sobre el estilete de diamante, éste penetraba progresivamente en el revestimiento, lo que provocaba un aumento del COF. Cuando se alcanzó una carga de ~8,5 N, se produjo la ruptura del revestimiento y la exposición del sustrato bajo alta presión, lo que condujo a un COF elevado de ~0,3. El bajo St Dev mostrado en la TABLA 2 demuestra la repetibilidad del ensayo de rayado del revestimiento de PTFE realizado con el Probador Mecánico NANOVEA.

FIGURA 3: Micrografía del rayado completo sobre PTFE (10X).

FIGURA 4: Micrografía del rayado completo sobre PTFE (10X).

FIGURA 5: Gráfico de fricción que muestra la línea del punto crítico de fallo para el PTFE.

*Rasca*	*Punto de fallo [N]*	*Fuerza de rozamiento [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
Media	8.52	2.47	0.297
St dev	0.17	0.16	0.012

TABLA 2: Resumen de la carga crítica, la fuerza de fricción y el COF durante la prueba de rayado.

CONCLUSIÓN

En este estudio, realizamos una simulación del proceso de desgaste de un revestimiento de PTFE para sartenes antiadherentes utilizando el tribómetro NANOVEA T50 en modo lineal alternativo. El recubrimiento de PTFE exhibió un bajo COF de ~0,18 el recubrimiento experimentó una ruptura alrededor de las 130 revoluciones. La evaluación cuantitativa de la adhesión del revestimiento de PTFE al sustrato metálico se realizó utilizando el comprobador mecánico NANOVEA, que determinó que la carga crítica del fallo de adhesión del revestimiento era de ~8,5 N en esta prueba.

Los tribómetros NANOVEA ofrecen capacidades de ensayo de desgaste y fricción precisas y repetibles mediante modos rotativos y lineales conformes con las normas ISO y ASTM. Ofrecen módulos opcionales para desgaste a alta temperatura, lubricación y tribocorrosión, todo integrado en un único sistema. Esta versatilidad permite a los usuarios simular entornos de aplicación reales con mayor precisión y comprender mejor los mecanismos de desgaste y las propiedades tribológicas de distintos materiales.

Los comprobadores mecánicos NANOVEA cuentan con módulos Nano, Micro y Macro, cada uno de los cuales incluye modos de ensayo de indentación, rayado y desgaste conformes a las normas ISO y ASTM, proporcionando la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de ensayo disponibles en un solo sistema.

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Cartografía de desgaste progresivo de pavimentos mediante tribómetro

Pruebas de desgaste de suelos

Cartografía de desgaste progresivo de suelos mediante tribómetro con perfilómetro integrado

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

Los materiales de los suelos están diseñados para ser duraderos, pero a menudo sufren el desgaste de actividades cotidianas como el movimiento y el uso de muebles. Para garantizar su longevidad, la mayoría de los tipos de suelos tienen una capa protectora que resiste los daños. Sin embargo, el grosor y la durabilidad de la capa de desgaste varían en función del tipo de ﬂooring y del nivel de traﬃc de los pies. Además, las distintas capas de la estructura del revestimiento, como los revestimientos UV, las capas decorativas y el esmalte, tienen diferentes índices de desgaste. Ahí es donde entra en juego el mapeo progresivo del desgaste. Utilizando el tribómetro NANOVEA T2000 con un Proﬁlómetro 3D sin contactoGracias a la investigación, es posible realizar un seguimiento preciso y un análisis del rendimiento y la longevidad de los materiales de los sistemas de agarre. Al proporcionar información detallada sobre el comportamiento ante el desgaste de los distintos materiales de los sistemas de agarre, los científicos y los profesionales técnicos pueden tomar decisiones más fundamentadas a la hora de seleccionar y diseñar nuevos sistemas de agarre.

IMPORTANCIA DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE PROGRESIVO DE LOS PANELES DE SUELO

Los ensayos de suelos se han centrado tradicionalmente en la tasa de desgaste de una muestra para determinar su durabilidad frente al desgaste. Sin embargo, el mapeo progresivo del desgaste permite analizar la tasa de desgaste de la muestra a lo largo de la prueba, lo que proporciona información valiosa sobre su comportamiento frente al desgaste. Este análisis en profundidad permite establecer correlaciones entre los datos de fricción y la tasa de desgaste, lo que puede identificar las causas fundamentales del desgaste. Cabe señalar que las tasas de desgaste no son constantes a lo largo de las pruebas de desgaste. Por lo tanto, la observación de la progresión del desgaste proporciona una evaluación más precisa del desgaste de la muestra. Más allá de los métodos de ensayo tradicionales, la adopción de la cartografía de desgaste progresivo ha contribuido a importantes avances en el campo de los ensayos de suelos.

El tribómetro NANOVEA T2000 con perfilómetro 3D sin contacto integrado es una solución innovadora para pruebas de desgaste y mediciones de pérdida de volumen. Su capacidad para moverse con precisión entre el perno y el perfilómetro garantiza la fiabilidad de los resultados al eliminar cualquier desviación en el radio o la ubicación de la pista de desgaste. Pero eso no es todo: las funciones avanzadas del perfilómetro 3D sin contacto permiten realizar mediciones de superficies a alta velocidad, reduciendo el tiempo de exploración a unos segundos. Con capacidad para aplicar cargas de hasta 2.000 N y alcanzar velocidades de giro de hasta 5.000 rpm, el NANOVEA T2000 Tribómetro ofrece versatilidad y precisión en el proceso de evaluación. Está claro que este equipo desempeña un papel vital en la cartografía del desgaste progresivo.

FIGURA 1: Montaje de la muestra antes de la prueba de desgaste (izquierda) y perfilometría de la huella de desgaste tras la prueba de desgaste (derecha).

OBJETIVO DE MEDICIÓN

Se realizaron pruebas de mapeo de desgaste progresivo en dos tipos de materiales para suelos: piedra y madera. Cada muestra se sometió a un total de 7 ciclos de prueba, con duraciones de prueba crecientes de 2, 4, 8, 20, 40, 60 y 120 s, lo que permitió comparar el desgaste a lo largo del tiempo. Después de cada ciclo de prueba, se perfiló la pista de desgaste utilizando el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D. A partir de los datos recogidos por el perfilómetro, se puede analizar el volumen del agujero y la tasa de desgaste utilizando las funciones integradas en el software NANOVEA Tribometer o nuestro software de análisis de superficies, Mountains.

NANOVEA T2000 Alta carga
Tribómetro neumático

LAS MUESTRAS

PARÁMETROS DE LA PRUEBA DE CARTOGRAFÍA DE DESGASTE

CARGAR	40 N
DURACIÓN DE LA PRUEBA	varía
VELOCIDAD	200 rpm
RADIUS	10 mm
DISTANCIA	varía
MATERIAL DE LA BOLA	Carburo de tungsteno
DIÁMETRO DE LA BOLA	10 mm

La duración de la prueba utilizada en los 7 ciclos fue 2, 4, 8, 20, 40, 60 y 120 segundosrespectivamente. Las distancias recorridas fueron 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 y 25,11 metros.

RESULTADOS DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE

Suelos de madera

*Ciclo de pruebas*	*COF máximo*	*Mín COF*	*Avg. COF*
1	0.335	0.124	0.275
2	0.337	0.207	0.295
3	0.380	0.229	0.329
4	0.393	0.265	0.354
5	0.352	0.205	0.314
6	0.345	0.199	0.312
7	0.315	0.211	0.293

ORIENTACIÓN RADIAL

*Ciclo de pruebas*	*Pérdida de volumen total (µm3*	Distancia total Recorrido (m)	Índice de desgaste (mm/Nm) x10^-5	Índice de desgaste instantáneo (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

FIGURA 2: Índice de desgaste frente a la distancia total recorrida (izquierda)
e índice de desgaste instantáneo frente al ciclo de ensayo (derecha) para suelos de madera.

FIGURA 3: Gráfico COF y vista 3D de la huella de desgaste de la prueba #7 en suelo de madera.

FIGURA 4: Análisis transversal de la pista de desgaste de madera del ensayo #7

FIGURA 5: Análisis de volumen y área de la huella de desgaste en la muestra de madera Ensayo #7.

Para conocer todos los resultados, haga clic aquí.

RESULTADOS DE LA CARTOGRAFÍA DEL DESGASTE

Suelos de piedra

*Ciclo de pruebas*	*COF máximo*	*Mín COF*	*Avg. COF*
1	0.249	0.035	0.186
2	0.349	0.197	0.275
3	0.294	0.154	0.221
4	0.503	0.124	0.273
5	0.548	0.106	0.390
6	0.510	0.129	0.434
7	0.527	0.181	0.472

ORIENTACIÓN RADIAL

*Ciclo de pruebas*	*Pérdida de volumen total (µm3*	Distancia total Recorrido (m)	Índice de desgaste (mm/Nm) x10^-5	Índice de desgaste instantáneo (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

FIGURA 6: Índice de desgaste frente a la distancia total recorrida (izquierda)
e índice de desgaste instantáneo frente al ciclo de ensayo (derecha) para suelos de piedra.

FIGURA 7: Gráfico COF y vista 3D de la huella de desgaste de la prueba #7 sobre pavimento de piedra.

FIGURA 8: Análisis transversal de la huella de desgaste de piedra de la prueba #7.

FIGURA 9: Análisis de volumen y área de la huella de desgaste en la muestra de piedra de ensayo #7.

Para conocer todos los resultados, haga clic aquí.

DEBATE

El índice de desgaste instantáneo se calcula con la siguiente ecuación:

Donde V es el volumen de un agujero, N es la carga y X es la distancia total, esta ecuación describe la tasa de desgaste entre ciclos de prueba. La tasa de desgaste instantánea puede utilizarse para identificar mejor los cambios en la tasa de desgaste a lo largo de la prueba.

Ambas muestras tienen comportamientos de desgaste muy diferentes. Con el tiempo, el suelo de madera comienza con un índice de desgaste elevado, pero desciende rápidamente a un valor más pequeño y constante. En el caso del suelo de piedra, el índice de desgaste parece comenzar con un valor bajo y tiende a aumentar con el paso de los ciclos. El índice de desgaste instantáneo también muestra poca consistencia. La razón específica de esta diferencia no es segura, pero puede deberse a la estructura de las muestras. El suelo de piedra parece estar formado por partículas sueltas similares al grano, que se desgastarían de forma diferente en comparación con la estructura compacta de la madera. Sería necesario realizar más pruebas e investigaciones para determinar la causa de este comportamiento de desgaste.

Los datos del coeficiente de fricción (COF) parecen concordar con el comportamiento de desgaste observado. El gráfico del COF para el suelo de madera parece coherente a lo largo de los ciclos, complementando su tasa de desgaste constante. En el caso de los suelos de piedra, el COF medio aumenta a lo largo de los ciclos, de forma similar a como lo hace la tasa de desgaste. También hay cambios aparentes en la forma de los gráficos de fricción, lo que sugiere cambios en la forma en que la bola interactúa con la muestra de piedra. Esto es más evidente en los ciclos 2 y 4.

CONCLUSIÓN

El Tribómetro NANOVEA T2000 muestra su capacidad para realizar un mapeo de desgaste progresivo analizando la tasa de desgaste entre dos muestras de pavimento diferentes. Detener la prueba de desgaste continuo y escanear la superficie con el perfilómetro sin contacto NANOVEA 3D proporciona información valiosa sobre el comportamiento de desgaste del material con el tiempo.

El tribómetro NANOVEA T2000 con el perfilómetro 3D sin contacto integrado proporciona una amplia variedad de datos, incluyendo datos COF (Coeficiente de Fricción), mediciones de superficie, lecturas de profundidad, visualización de superficie, pérdida de volumen, tasa de desgaste y más. Este amplio conjunto de información permite a los usuarios obtener una comprensión más profunda de las interacciones entre el sistema y la muestra. Con su carga controlada, alta precisión, facilidad de uso, alta carga, amplio rango de velocidad y módulos ambientales adicionales, el tribómetro NANOVEA T2000 lleva la tribología al siguiente nivel.

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Análisis mecánico dinámico del corcho mediante nanoindentación

ANÁLISIS MECÁNICO DINÁMICO

DEL CORCHO MEDIANTE NANOINDENTACIÓN

Preparado por

FRANK LIU

INTRODUCCIÓN

El Análisis Mecánico Dinámico (AMD) es una potente técnica utilizada para investigar las propiedades mecánicas de los materiales. En esta aplicación, nos centramos en el análisis del corcho, un material muy utilizado en los procesos de sellado y envejecimiento del vino. El corcho, obtenido de la corteza del roble Quercus suber, presenta distintas estructuras celulares que le confieren propiedades mecánicas similares a las de los polímeros sintéticos. En un eje, el corcho tiene estructura de panal. Los otros dos ejes están estructurados en múltiples prismas de forma rectangular. Esto confiere al corcho propiedades mecánicas diferentes según la orientación con la que se pruebe.

IMPORTANCIA DE LOS ENSAYOS DE ANÁLISIS MECÁNICO DINÁMICO (DMA) EN LA EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CORCHO

La calidad de los tapones de corcho depende en gran medida de sus propiedades mecánicas y físicas, que son cruciales para su eficacia en el sellado del vino. Los factores clave que determinan la calidad del corcho son la flexibilidad, el aislamiento, la resistencia y la impermeabilidad a gases y líquidos. El análisis mecánico dinámico (AMD) nos permite evaluar cuantitativamente las propiedades de ﬂexibilidad y resiliencia de los tapones, proporcionando un método fiable de evaluación.

El Comprobador Mecánico NANOVEA PB1000 en el Nanoindentación permite caracterizar estas propiedades, en concreto el módulo de Young, el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdida y tan delta (tan (δ)). Las pruebas DMA también permiten recopilar datos valiosos sobre el desplazamiento de fase, la dureza, la tensión y la deformación del material de corcho. Gracias a estos exhaustivos análisis, podemos comprender mejor el comportamiento mecánico de los corchos y su idoneidad para las aplicaciones de sellado del vino.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

En este estudio, se realiza el análisis mecánico dinámico (AMD) de cuatro tapones de corcho utilizando el Probador Mecánico NANOVEA PB1000 en el modo de Nanoindentación. La calidad de los tapones de corcho se etiqueta como: 1 - Flor, 2 - Primera, 3 - Colmatado, 4 - Caucho sintético. Los ensayos de indentación DMA se realizaron tanto en dirección axial como radial para cada tapón de corcho. Mediante el análisis de la respuesta mecánica de los tapones de corcho, pretendíamos comprender mejor su comportamiento dinámico y evaluar su rendimiento en distintas orientaciones.

NANOVEA

PB1000

PARÁMETROS DE PRUEBA

FUERZA MÁXIMA	75 mN
VELOCIDAD DE CARGA	150 mN/min
VELOCIDAD DE DESCARGA	150 mN/min
AMPLITUD	5 mN
FRECUENCIA	1 Hz
CREEP	60 s

tipo de penetrador

Bola

51200 Acero

3 mm Diámetro

RESULTADOS

En las tablas y gráficos siguientes, se comparan el módulo de Young, el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdida y tan delta entre cada muestra y orientación.

Módulo de Young: Stiﬀness; valores altos indican stiﬀ, valores bajos indican ﬂexible.

Módulo de almacenamiento: Respuesta elástica; energía almacenada en el material.

Módulo de pérdida: Respuesta viscosa; pérdida de energía debida al calor.

Tan (δ): Amortiguación; los valores altos indican más amortiguación.

ORIENTACIÓN AXIAL

*Tapón*	*MÓDULO DE YOUNG*	*MÓDULO DE ALMACENAMIENTO*	*MÓDULO DE PÉRDIDA*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

ORIENTACIÓN RADIAL

*Tapón*	*MÓDULO DE YOUNG*	*MÓDULO DE ALMACENAMIENTO*	*MÓDULO DE PÉRDIDA*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

MÓDULO DE YOUNG

MÓDULO DE ALMACENAMIENTO

MÓDULO DE PÉRDIDA

TAN DELTA

Entre los tapones de corcho, el módulo de Young no es muy diferente cuando se ensaya en la orientación axial. Sólo los tapones #2 y #3 mostraron una diferencia aparente en el módulo de Young entre la dirección radial y axial. En consecuencia, el módulo de almacenamiento y el módulo de pérdida también serán mayores en la dirección radial que en la axial. El tapón #4 muestra características similares a las de los tapones de corcho natural, excepto en el módulo de pérdida. Esto es bastante interesante, ya que significa que los tapones de corcho natural tienen una propiedad más viscosa que el material de caucho sintético.

CONCLUSIÓN

La NANOVEA Comprobador mecánico en el modo Nano Scratch Tester permite simular muchos fallos reales de revestimientos de pintura y capas duras. Aplicando cargas crecientes de forma controlada y estrechamente supervisada, el instrumento permite identificar a qué carga se producen los fallos. Esto puede utilizarse para determinar valores cuantitativos de resistencia al rayado. Se sabe que el revestimiento ensayado, sin intemperie, presenta una primera fisura a unos 22 mN. Con valores más próximos a 5 mN, es evidente que el lapso de 7 años ha degradado la pintura.

La compensación del perfil original permite obtener la profundidad corregida durante el rayado y también medir la profundidad residual después del rayado. Esto proporciona información adicional sobre el comportamiento plástico frente al elástico del revestimiento bajo una carga creciente. Tanto el agrietamiento como la información sobre la deformación pueden ser de gran utilidad para mejorar el revestimiento duro. Las muy pequeñas desviaciones estándar también muestran la reproducibilidad de la técnica del instrumento, que puede ayudar a los fabricantes a mejorar la calidad de su revestimiento duro/pintura y estudiar los efectos de la intemperie.

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Ensayo Nano Scratch & Mar de pintura sobre sustrato metálico

Pruebas Nano Scratch & Mar

de pintura sobre sustrato metálico

Preparado por

SUSANA CABELLO

INTRODUCCIÓN

La pintura con o sin revestimiento duro es uno de los revestimientos más utilizados. La vemos en coches, paredes, electrodomésticos y prácticamente cualquier cosa que necesite un revestimiento protector o simplemente con fines estéticos. Las pinturas destinadas a la protección del sustrato subyacente suelen tener sustancias químicas que evitan que la pintura se incendie o simplemente que pierda su color o se agriete. A menudo, la pintura utilizada con fines estéticos viene en varios colores, pero puede no estar necesariamente destinada a la protección de su sustrato o para una larga vida útil.

No obstante, todas las pinturas sufren cierto desgaste con el paso del tiempo. A menudo, el desgaste de la pintura puede alterar sus propiedades. Puede desconcharse más rápido, descascararse con el calor, perder color o agrietarse. Los diferentes cambios en las propiedades de la pintura con el paso del tiempo son la razón por la que los fabricantes ofrecen una selección tan amplia. Las pinturas se adaptan a las necesidades de cada cliente.

IMPORTANCIA DE LAS PRUEBAS DE NANORRAYADO PARA EL CONTROL DE CALIDAD

Una de las principales preocupaciones de los fabricantes de pintura es la capacidad de su producto para resistir el agrietamiento. Cuando la pintura empieza a agrietarse, deja de proteger el sustrato sobre el que se aplicó y, por tanto, no satisface al cliente. Por ejemplo, si una rama golpea el lateral de un coche e inmediatamente después la pintura empieza a desconcharse, los fabricantes de la pintura perderían negocio debido a la mala calidad de su pintura. La calidad de la pintura es muy importante porque si el metal bajo la pintura queda expuesto puede empezar a oxidarse o corroerse debido a su nueva exposición.

Razones como ésta se aplican a varios otros espectros, como suministros domésticos y de oficina y productos electrónicos, juguetes, herramientas de investigación y más. Aunque la pintura puede ser resistente al agrietamiento cuando se aplica por primera vez a los revestimientos metálicos, las propiedades pueden cambiar con el tiempo cuando se ha producido cierta meteorización en la muestra. Por eso es muy importante que las muestras de pintura se prueben en su fase de envejecimiento. Aunque el agrietamiento bajo una gran carga de tensión puede ser inevitable, el fabricante debe predecir hasta qué punto pueden debilitarse los cambios con el tiempo y la profundidad del arañazo aﬀectante para poder ofrecer a sus consumidores los mejores productos posibles.

OBJETIVO DE MEDICIÓN

Debemos simular el proceso de rayado de forma controlada y monitorizada para observar los eﬀectos del comportamiento de la muestra. En esta aplicación, el NANOVEA PB1000 Mechanical Tester en modo Nano Scratch Testing se utiliza para medir la carga necesaria para provocar el fallo de una muestra de pintura de aproximadamente 7 años de 30-50 μm de espesor sobre un sustrato metálico.

Se utiliza un palpador con punta de diamante de 2 μm con una carga progresiva que oscila entre 0,015 mN y 20,00 mN para rayar el revestimiento. Realizamos una exploración previa y posterior de la pintura con una carga de 0,2 mN para determinar el valor de la profundidad verdadera del rayado. La profundidad real analiza la deformación plástica y elástica de la muestra durante la prueba; mientras que el escaneado posterior sólo analiza la deformación plástica del arañazo. El punto en el que el revestimiento falla por agrietamiento se toma como punto de fallo. Utilizamos la ASTMD7187 como guía para determinar nuestros parámetros de ensayo.

Podemos concluir que al haber utilizado una muestra envejecida; por lo tanto, el ensayo de una muestra de pintura en su fase más débil, nos presentaba menores puntos de fallo.

Se realizaron cinco pruebas con esta muestra para

determinar con exactitud las cargas críticas de fallo.

NANOVEA

PB1000

PARÁMETROS DE PRUEBA

siguiente ASTM D7027

La superficie de un patrón de rugosidad se escaneó utilizando un NANOVEA ST400 equipado con un sensor de alta velocidad que genera una línea brillante de 192 puntos, como se muestra en la FIGURA 1. Estos 192 puntos escanean la superficie de la muestra al mismo tiempo, lo que conlleva un aumento significativo de la velocidad de escaneado.

TIPO DE CARGA	Progresiva
CARGA INICIAL	0,015 mN
CARGA FINAL	20 mN
VELOCIDAD DE CARGA	20 mN/min
LONGITUD DEL RASPADO	1,6 mm
VELOCIDAD SCRATCH, dx/dt	1.601 mm/min
CARGA PREVIA AL ESCANEO	0,2 mN
CARGA POST-SCAN	0,2 mN

tipo de penetrador

Cónica

Cono diamante 90

Radio de punta de 2 µm

RESULTADOS

Esta sección presenta los datos recogidos sobre los fallos durante la prueba scratch. La primera sección describe los fallos observados en el scratch y define las cargas críticas que se registraron. La siguiente parte contiene una tabla resumen de las cargas críticas para todas las muestras y una representación gráfica. La última parte presenta los resultados detallados de cada muestra: las cargas críticas de cada rayado, las micrografías de cada fallo y el gráfico de la prueba.

FALLOS OBSERVADOS Y DEFINICIÓN DE CARGAS CRÍTICAS

FALLO CRÍTICO:

DAÑOS INICIALES

Este es el primer punto en el que se observa el daño a lo largo de la pista de rayado.

FALLO CRÍTICO:

DAÑO TOTAL

En este punto, el daño es más significativo donde la pintura se está astillando y agrietando a lo largo de la pista de arañazos.

RESULTADOS DETALLADOS

* Valores de fallo tomados en el punto de agrietamiento del sustrato.

CARGAS CRÍTICAS
ROZADURA	DAÑO INICIAL [mN]	DAÑO COMPLETO [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

MEDIA	3.988	4.900
DEV STD	0.143	0.054

FIGURA 2: Micrografía de rasguño completo (magniﬁcación 1000x).

FIGURA 3: Micrografía del daño inicial (magniﬁcación 1000x).

FIGURA 4: Micrografía de daño completo (magniﬁcación 1000x).

FIGURA 5: Fuerza de fricción y Coeﬃciente de fricción.

FIGURA 6: Perfil de la superficie.

FIGURA 7: Profundidad real y profundidad residual.

CONCLUSIÓN

La NANOVEA Comprobador mecánico en el Nano comprobador de arañazos permite simular muchos fallos reales de revestimientos de pintura y capas duras. Aplicando cargas crecientes de forma controlada y estrechamente vigilada, el instrumento permite identificar a qué carga se producen los fallos. Esto puede utilizarse para determinar valores cuantitativos de resistencia al rayado. Se sabe que el revestimiento ensayado, sin intemperie, presenta una primera fisura a unos 22 mN. Con valores más próximos a 5 mN, es evidente que el lapso de 7 años ha degradado la pintura.

La compensación del perfil original permite obtener la profundidad corregida durante el rayado y medir la profundidad residual después del rayado. Esto proporciona información adicional sobre el comportamiento plástico frente al elástico del revestimiento bajo una carga creciente. Tanto el rayado como la información sobre la deformación pueden ser de gran utilidad para mejorar el revestimiento duro. Las muy pequeñas desviaciones estándar también muestran la reproducibilidad de la técnica del instrumento, que puede ayudar a los fabricantes a mejorar la calidad de su revestimiento duro/pintura y estudiar los eﬀectos de la intemperie.

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