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AR Categoría: Pruebas de laboratorio
Análisis de la textura de la piel de naranja de la pintura mediante perfilometría 3D
Análisis de la textura de la piel de naranja de la pintura mediante perfilometría 3D
Introducción
El tamaño y la frecuencia de las estructuras superficiales de los sustratos afectan a la calidad de los recubrimientos brillantes. La textura de piel de naranja de la pintura, llamada así por su aspecto, puede desarrollarse debido a la influencia del sustrato y a la técnica de aplicación de la pintura. Los problemas de textura se cuantifican normalmente por la ondulación, la longitud de onda y el efecto visual que tienen en los recubrimientos brillantes. Las texturas más pequeñas provocan una reducción del brillo, mientras que las más grandes provocan ondulaciones visibles en la superficie recubierta. Comprender el desarrollo de estas texturas y su relación con los sustratos y las técnicas es fundamental para el control de calidad.
Importancia de la perfilometría para la medición de la textura
A diferencia de los instrumentos 2D tradicionales utilizados para medir la textura del brillo, la medición 3D sin contacto proporciona rápidamente una imagen 3D que se utiliza para comprender las características de la superficie, con la capacidad añadida de investigar rápidamente las áreas de interés. Sin la velocidad y la revisión 3D, un entorno de control de calidad dependería únicamente de información 2D que ofrece poca previsibilidad de toda la superficie. Comprender las texturas en 3D permite seleccionar las mejores medidas de procesamiento y control. Garantizar el control de calidad de dichos parámetros depende en gran medida de una inspección cuantificable, reproducible y confiable. Nanovea 3D sin contacto Perfilómetros Utilizan tecnología confocal cromática para ofrecer la capacidad única de medir los ángulos pronunciados que se encuentran durante las mediciones rápidas. Los perfilómetros Nanovea tienen éxito donde otras técnicas no logran proporcionar datos confiables debido al contacto de la sonda, la variación de la superficie, el ángulo o la reflectividad.
Objetivo de medición
En esta aplicación, el Nanovea HS2000L mide la textura de piel de naranja de una pintura brillante. Hay un sinfín de parámetros superficiales que se calculan automáticamente a partir del escaneo 3D de la superficie. Aquí analizamos una superficie 3D escaneada cuantificando las características de la textura de piel de naranja de la pintura.
Resultados y debate
El Nanovea HS2000L cuantificó los parámetros de isotropía y altura de la pintura con textura de piel de naranja. La textura de piel de naranja cuantificó la dirección aleatoria del patrón con una isotropía de 94,41 TP3T. Los parámetros de altura cuantifican la textura con una diferencia de altura de 24,84 µm.
La curva de relación de rodamiento de la figura 4 es una representación gráfica de la distribución de profundidad. Se trata de una función interactiva del software que permite al usuario ver las distribuciones y los porcentajes a diferentes profundidades. El perfil extraído de la figura 5 proporciona valores útiles de rugosidad para la textura de piel de naranja. La extracción de picos por encima de un umbral de 144 micras muestra la textura de piel de naranja. Estos parámetros se pueden ajustar fácilmente a otras áreas o parámetros de interés.
Conclusión
En esta aplicación, el perfilómetro 3D sin contacto Nanovea HS2000L caracteriza con precisión tanto la topografía como los detalles nanométricos de la textura de piel de naranja de la pintura sobre un recubrimiento brillante. Las áreas de interés de las mediciones de superficie 3D se identifican y analizan rápidamente con muchas mediciones útiles (dimensión, rugosidad, textura de acabado, forma, topografía, planitud, deformación, planaridad, volumen, área, altura de escalón, etc.). Las secciones transversales 2D seleccionadas rápidamente proporcionan un conjunto completo de recursos de medición de la superficie sobre la textura brillante. Las áreas de interés especiales se pueden analizar más a fondo con un módulo AFM integrado. La velocidad del perfilómetro 3D Nanovea oscila entre <1 mm/s y 500 mm/s, lo que lo hace adecuado tanto para aplicaciones de investigación como para las necesidades de inspección de alta velocidad. Los perfilómetros 3D Nanovea tienen una amplia gama de configuraciones para adaptarse a su aplicación.
Efecto de la humedad en la tribología del revestimiento de DLC
Importancia de la evaluación del desgaste del DLC en condiciones de humedad
Los recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC) poseen propiedades tribológicas mejoradas, concretamente una excelente resistencia al desgaste y un coeficiente de fricción (COF) muy bajo. Los recubrimientos de DLC imprimen características de diamante cuando se depositan sobre distintos materiales. Las propiedades tribo-mecánicas favorables hacen que los recubrimientos de DLC sean preferibles en diversas aplicaciones industriales, como piezas aeroespaciales, hojas de afeitar, herramientas de corte de metal, cojinetes, motores de motocicletas e implantes médicos.
Los revestimientos de DLC presentan un COF muy bajo (inferior a 0,1) frente a bolas de acero en condiciones de alto vacío y en seco.12. Sin embargo, los recubrimientos de DLC son sensibles a los cambios de las condiciones ambientales, en particular a la humedad relativa (HR)3. Los entornos con alta humedad y concentración de oxígeno pueden provocar un aumento significativo del COF4. La evaluación fiable del desgaste en condiciones de humedad controlada simula las condiciones ambientales realistas de los revestimientos de DLC para aplicaciones tribológicas. Los usuarios seleccionan los mejores revestimientos de DLC para las aplicaciones deseadas mediante una comparación adecuada.
de los comportamientos de desgaste del DLC expuesto a diferentes humedades.
Objetivo de medición
Este estudio muestra la tecnología Nanovea Tribómetro equipado con un controlador de humedad es la herramienta ideal para investigar el comportamiento de desgaste de los recubrimientos de DLC a distintas humedades relativas.
Procedimiento de ensayo
La resistencia a la fricción y al desgaste de los recubrimientos de DLC se evaluó con el tribómetro Nanovea. Los parámetros de ensayo se resumen en la Tabla 1. Un controlador de humedad acoplado a la tribocámara controló con precisión la humedad relativa (HR) con una exactitud de ±1%. Las huellas de desgaste en los recubrimientos de DLC y las cicatrices de desgaste en las bolas de SiN se examinaron con un microscopio óptico después de las pruebas.
Nota: Se puede aplicar cualquier material de bola sólida para simular el rendimiento de acoplamiento de diferentes materiales en condiciones ambientales como en lubricante o alta temperatura.
Resultados y debate
Los recubrimientos de DLC son excelentes para aplicaciones tribológicas debido a su baja fricción y a su mayor resistencia al desgaste. La fricción del recubrimiento de DLC presenta un comportamiento dependiente de la humedad, como se muestra en la figura 2. El recubrimiento de DLC muestra un COF muy bajo de ~0,05 durante todo el ensayo de desgaste en condiciones relativamente secas (10% HR). El recubrimiento de DLC muestra un COF constante de ~0,1 durante la prueba a medida que la HR aumenta hasta 30%. La fase inicial de rodaje del COF se observa en las primeras 2000 revoluciones cuando la HR aumenta por encima de 50%. El revestimiento de DLC muestra un COF máximo de ~0,20, ~0,26 y ~0,33 en HR de 50, 70 y 90%, respectivamente. Tras el periodo de rodaje, el COF del revestimiento de DLC se mantiene constante en ~0,11, 0,13 y 0,20 con HR de 50, 70 y 90%, respectivamente.
La figura 3 compara las cicatrices de desgaste de las bolas de SiN y la figura 4 compara las huellas de desgaste del recubrimiento de DLC tras las pruebas de desgaste. El diámetro de la cicatriz de desgaste era menor cuando el recubrimiento de DLC se exponía a un entorno con baja humedad. La capa de DLC transferida se acumula en la superficie de la bola de SiN durante el proceso de deslizamiento repetitivo en la superficie de contacto. En esta fase, el recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. Se observa una película de transferencia en la cicatriz de desgaste de la bola de SiN en entornos de baja HR (por ejemplo, 10% y 30%), lo que da lugar a un proceso de desgaste desacelerado de la bola. Este proceso de desgaste se refleja en la morfología de la pista de desgaste del recubrimiento de DLC, como se muestra en la figura 4. El recubrimiento de DLC muestra una pista de desgaste más pequeña en ambientes secos, debido a la formación de una película de transferencia de DLC estable en la interfaz de contacto que reduce significativamente la fricción y la tasa de desgaste.
Conclusión
La humedad desempeña un papel fundamental en el rendimiento tribológico de los recubrimientos de DLC. El recubrimiento de DLC posee una resistencia al desgaste significativamente mejorada y una baja fricción superior en condiciones secas debido a la formación de una capa grafítica estable transferida a la contraparte deslizante (una bola de SiN en este estudio). El recubrimiento de DLC se desliza contra su propia capa de transferencia, que actúa como un lubricante eficaz para facilitar el movimiento relativo y frenar la pérdida de masa adicional causada por la deformación por cizallamiento. No se observa una película en la bola de SiN con el aumento de la humedad relativa, lo que conduce a un aumento de la tasa de desgaste en la bola de SiN y el recubrimiento de DLC.
El tribómetro Nanovea ofrece pruebas repetibles de desgaste y fricción mediante modos rotativos y lineales conformes a las normas ISO y ASTM, con módulos opcionales de humedad disponibles en un sistema preintegrado. Permite a los usuarios simular el entorno de trabajo a diferentes humedades, proporcionando a los usuarios una herramienta ideal para evaluar cuantitativamente los comportamientos tribológicos de los materiales en diferentes condiciones de trabajo.
Más información sobre el tribómetro Nanovea y el servicio de laboratorio
1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100-101 (1998) 180.
2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.- K. Miyoshi.
3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 437.
4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31
Análisis tridimensional de la superficie de un centavo con perfilometría sin contacto
Importancia de la perfilometría sin contacto para monedas
La moneda tiene un gran valor en la sociedad moderna, ya que se utiliza para intercambiar bienes y servicios. Las monedas y los billetes circulan por las manos de muchas personas. La transferencia constante de moneda física provoca deformaciones en la superficie. Nanovea 3D Perfilómetro escanea la topografía de monedas acuñadas en diferentes años para investigar las diferencias en la superficie.
Las características de las monedas son fácilmente reconocibles para el público en general, ya que son objetos comunes. Una moneda de un centavo es ideal para presentar la potencia del software de análisis avanzado de superficies de Nanovea: Mountains 3D. Los datos de superficie recopilados con nuestro perfilómetro 3D permiten realizar análisis de alto nivel sobre geometrías complejas con sustracción de superficies y extracción de contornos 2D. La sustracción de superficies con una máscara, un sello o un molde controlados compara la calidad de los procesos de fabricación, mientras que la extracción de contornos identifica las tolerancias con análisis dimensionales. El perfilómetro 3D y el software Mountains 3D de Nanovea investigan la topografía submicrométrica de objetos aparentemente simples, como las monedas de un centavo.
Objetivo de medición
Se escaneó toda la superficie superior de cinco monedas de un centavo utilizando el sensor lineal de alta velocidad de Nanovea. Se midieron los radios interior y exterior de cada moneda utilizando el software de análisis avanzado Mountains. Se cuantificó la deformación de la superficie mediante la extracción de cada superficie de moneda en un área de interés con sustracción directa de la superficie.
Resultados y debate
Superficie 3D
El perfilómetro Nanovea HS2000 tardó solo 24 segundos en escanear 4 millones de puntos en un área de 20 mm x 20 mm con un tamaño de paso de 10 um x 10 um para adquirir la superficie de un centavo. A continuación se muestra un mapa de altura y una visualización en 3D del escaneo. La vista en 3D muestra la capacidad del sensor de alta velocidad para captar pequeños detalles imperceptibles a simple vista. Se pueden ver muchos pequeños arañazos en la superficie de la moneda. Se investigan la textura y la rugosidad de la moneda que se observan en la vista en 3D.
Análisis dimensional
Se extrajeron los contornos de la moneda y, mediante un análisis dimensional, se obtuvieron los diámetros interior y exterior del borde. El radio exterior promedió 9,500 mm ± 0,024, mientras que el radio interior promedió 8,960 mm ± 0,032. Otros análisis dimensionales que Mountains 3D puede realizar con fuentes de datos 2D y 3D son mediciones de distancia, altura de escalón, planitud y cálculos de ángulos.
Resta de superficies
La figura 5 muestra el área de interés para el análisis de sustracción de superficie. Se utilizó la moneda de un centavo de 2007 como superficie de referencia para las cuatro monedas más antiguas. La sustracción de superficie de la moneda de un centavo de 2007 muestra diferencias entre las monedas con agujeros/picos. La diferencia total de volumen de superficie se obtiene sumando los volúmenes de los agujeros/picos. El error RMS se refiere a la precisión con la que coinciden las superficies de las monedas entre sí.
Conclusión
El escáner de alta velocidad HS2000L de Nanovea escaneó cinco monedas de cinco centavos acuñadas en diferentes años. El software Mountains 3D comparó las superficies de cada moneda utilizando la extracción de contornos, el análisis dimensional y la sustracción de superficies. El análisis define claramente el radio interior y exterior entre las monedas de un centavo, al tiempo que compara directamente las diferencias en las características de la superficie. Gracias a la capacidad del perfilómetro 3D de Nanovea para medir cualquier superficie con una resolución a nivel nanométrico, combinada con las capacidades de análisis de Mountains 3D, las posibles aplicaciones en investigación y control de calidad son infinitas.
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Acabado dimensional y superficial de los tubos poliméricos
Importance of Dimensional and Surface Analysis of Polymeric Tubes
Tubes made from polymeric material are commonly used in many industries ranging from automotive, medical, electrical, and many other categories. In this study, medical catheters made of different polymeric materials were studied using the Nanovea Perfilómetro 3D sin contacto para medir la rugosidad, la morfología y las dimensiones de la superficie. La rugosidad de la superficie es crucial para los catéteres, ya que muchos de los problemas que estos presentan, como infecciones, traumatismos físicos e inflamaciones, pueden estar relacionados con la superficie del catéter. Las propiedades mecánicas, como el coeficiente de fricción, también pueden estudiarse observando las propiedades de la superficie. Estos datos cuantificables pueden obtenerse para garantizar que el catéter pueda utilizarse en aplicaciones médicas.
Compared to optical microscopy and electron microscopy, 3D Non-Contact Profilometry using axial chromatism is highly preferable for characterizing catheter surfaces due to its ability to measure angles/curvature, ability to measure material surfaces despite transparency or reflectivity, minimal sample preparation, and non-invasive nature. Unlike conventional optical microscopy, the height of the surface can be obtained and used for computational analysis; e.g. finding dimensions and removing form to find surface roughness. Having little sample preparation, in contrast to electron microscopy, and non-contact nature also allows for quick data collection without fearing contamination and error from sample preparation.
Objetivo de medición
In this application, the Nanovea 3D Non-Contact Profilometer is used to scan the surface of two catheters: one made of TPE (Thermoplastic Elastomer) and the other made of PVC (Polyvinyl Chloride). The morphology, radial dimension, and height parameters of the two catheters will be obtained and compared.
Resultados y debate
Superficie 3D
Despite the curvature on polymeric tubes, the Nanovea 3D Non-contact profilometer can scan the surface of the catheters. From the scan done, a 3D image can be obtained for quick, direct visual inspection of the surface.
2D Dimensional Analysis
The outer radial dimension was obtained by extracting a profile from the original scan and fitting an arc to the profile. This shows the ability of the 3D Non-contact profilometer in conducting quick dimensional analysis for quality control applications. Multiple profiles can easily be obtained along the catheter’s length as well.
Surface Analysis Roughness
The outer radial dimension was obtained by extracting a profile from the original scan and fitting an arc to the profile. This shows the ability of the 3D Non-contact profilometer in conducting quick dimensional analysis for quality control applications. Multiple profiles can easily be obtained along the catheter’s length as well.
Conclusión
In this application, we have shown how the Nanovea 3D Non-contact profilometer can be used to characterize polymeric tubes. Specifically, surface metrology, radial dimensions, and surface roughness were obtained for medical catheters. The outer radius of the TPE catheter was found to be 2.40mm while the PVC catheter was 1.27mm. The surface of the TPE catheter was found to be rougher than the PVC catheter. The Sa of TPE was 0.9740µm compared to 0.1791µm of PVC. While medical catheters were used for this application, 3D Non-Contact Profilometry can be applied to a large variety of surfaces as well. Obtainable data and calculations are not limited to what is shown.
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Evaluación de la dureza dental mediante nanoindentación
Importancia de la nanoindentación para los biomateriales
Con muchas pruebas mecánicas tradicionales (dureza, adhesión, compresión, perforación, límite elástico, etc.), los entornos actuales de control de calidad con materiales sensibles avanzados, desde geles hasta materiales frágiles, requieren ahora un mayor control de la precisión y la fiabilidad. Los instrumentos mecánicos tradicionales no proporcionan el control de carga sensible y la resolución necesarios, ya que están diseñados para utilizarse con materiales a granel. A medida que el tamaño de los materiales sometidos a prueba cobró mayor interés, se desarrolló Nanoindentación proporcionó un método confiable para obtener información mecánica esencial en superficies más pequeñas, como la investigación que se realiza con biomateriales. Los retos específicos asociados a los biomateriales han requerido el desarrollo de ensayos mecánicos capaces de controlar con precisión la carga en materiales extremadamente blandos o frágiles. Además, se necesitan múltiples instrumentos para realizar diversos ensayos mecánicos que ahora pueden llevarse a cabo en un solo sistema. La nanoindentación proporciona una amplia gama de mediciones con una resolución precisa a cargas controladas a nanoescala para aplicaciones sensibles.
Objetivo de medición
En esta aplicación, Nanovea Comprobador mecánico, en modo nanoindentación, se utiliza para estudiar la dureza y el módulo elástico de la dentina, la caries y la pulpa de un diente. El aspecto más crítico de las pruebas de nanoindentación es asegurar la muestra. En este caso, tomamos un diente cortado y lo montamos con epoxi, dejando expuestas las tres áreas de interés para la prueba.
Resultados y debate
Esta sección incluye una tabla resumen que compara los principales resultados numéricos de las diferentes muestras, seguida de la lista completa de resultados, incluyendo cada indentación realizada, acompañada de micrografías de la indentación, cuando están disponibles. Estos resultados completos presentan los valores medidos de dureza y módulo de Young como la profundidad de penetración con sus promedios y desviaciones estándar. Debe tenerse en cuenta que pueden producirse grandes variaciones en los resultados en caso de que la rugosidad de la superficie se encuentre en el mismo rango de tamaño que la indentación.
Cuadro resumen de los principales resultados numéricos:
Conclusión
En conclusión, hemos demostrado cómo el Nanovea Mechanical Tester, en modo nanoindentación, proporciona una medición precisa de las propiedades mecánicas de un diente. Los datos pueden utilizarse en el desarrollo de empastes que se adapten mejor a las características mecánicas de un diente real. La capacidad de posicionamiento del Nanovea Mechanical Tester permite realizar un mapeo completo de la dureza de los dientes en las distintas zonas.
Utilizando el mismo sistema, es posible probar la resistencia a la fractura del material dental con cargas más elevadas, de hasta 200 N. Se puede realizar una prueba de carga multiciclo en materiales más porosos para evaluar el nivel de elasticidad restante. El uso de una punta de diamante cilíndrica plana puede proporcionar información sobre el límite elástico en cada zona. Además, con el “análisis mecánico dinámico” (DMA), se pueden evaluar las propiedades viscoelásticas, incluidos los módulos de pérdida y almacenamiento.
El nanomódulo Nanovea es ideal para estas pruebas porque utiliza una respuesta de retroalimentación única para controlar con precisión la carga aplicada. Gracias a ello, el nanomódulo también se puede utilizar para realizar pruebas precisas de nanoarañazos. El estudio de la resistencia al rayado y al desgaste de los materiales dentales y de obturación aumenta la utilidad general del probador mecánico. El uso de una punta afilada de 2 micras para comparar cuantitativamente el desgaste de los materiales de obturación permitirá predecir mejor el comportamiento en aplicaciones reales. Las pruebas de desgaste multipaso o de desgaste rotativo directo también son pruebas comunes que proporcionan información importante sobre la viabilidad a largo plazo.
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Evaluación de la fricción a velocidades extremadamente bajas
Importance of Friction Evaluation at Low Speeds
Friction is the force that resists the relative motion of solid surfaces sliding against each other. When the relative motion of these two contact surfaces takes place, the friction at the interface converts the kinetic energy into heat. Such a process can also lead to wear of the material and thus performance degradation of the parts in use.
With a large stretch ratio, high resilience, as well as great waterproof properties and wear resistance, rubber is extensively applied in a variety of applications and products in which friction plays an important role, such as automobile tires, windshield wiper blades. shoe soles and many others. Depending on the nature and requirement of these applications, either high or low friction against different material is desired. As a consequence, a controlled and reliable measurement of friction of rubber against various surfaces becomes critical.
Objetivo de medición
The coefficient of friction (COF) of rubber against different materials is measured in a controlled and monitored manner using the Nanovea Tribómetro. In this study, we would like to showcase the capacity of Nanovea Tribometer for measuring the COF of different materials at extremely low speeds.
Resultados y debate
The coefficient of friction (COF) of rubber balls (6 mm dia., RubberMill) on three materials (Stainless steel SS 316, Cu 110 and optional Acrylic) was evaluated by Nanovea Tribometer. The tested metal samples were mechanically polished to a mirror-like surface finish before the measurement. The slight deformation of the rubber ball under the applied normal load created an area contact, which also helps to reduce the impact of asperities or inhomogeneity of sample surface finish to the COF measurements. The test parameters are summarized in Table 1.
The COF of a rubber ball against different materials at four different speeds is shown in Figure. 2, and the average COFs calculated automatically by the software are summarized and compared in Figure 3. It is interesting that the metal samples (SS 316 and Cu 110) exhibit significantly increased COFs as the rotational speed increases from a very low value of 0.01 rpm to 5 rpm -the COF value of the rubber/SS 316 couple increases from 0.29 to 0.8, and from 0.65 to 1.1 for the rubber/Cu 110 couple. This finding is in agreement with the results reported from several laboratories. As proposed by Grosch4 the friction of rubber is mainly determined by two mechanisms: (1) the adhesion between rubber and the other material, and (2) the energy losses due to the deformation of the rubber caused by surface asperities. Schallamach5 observed waves of detachment of rubber from the counter material across the interface between soft rubber spheres and a hard surface. The force for rubber to peel from the substrate surface and rate of waves of detachment can explain the different friction at different speeds during the test.
In comparison, the rubber/acrylic material couple exhibits high COF at different rotational speeds. The COF value slightly increases from ~ 1.02 to ~ 1.09 as the rotational speed increases from 0.01 rpm to 5 rpm. Such high COF is possibly attributed to stronger local chemical bonding at the contact face formed during the tests.
Conclusión
In this study, we show that at extremely low speeds, the rubber exhibits a peculiar frictional behavior – its friction against a hard surface increases with the increased speed of the relative movement. Rubber shows different friction when it slides on different materials. Nanovea Tribometer can evaluate the frictional properties of materials in a controlled and monitored manner at different speeds, allowing users to improve fundamental understanding of the friction mechanism of the materials and select the best material couple for targeted tribological engineering applications.
Nanovea Tribometer offers precise and repeatable wear and friction testing using ISO and ASTM compliant rotative and linear modes, with optional high-temperature wear, lubrication and tribo-corrosion modules available in one pre-integrated system. It is capable of controlling the rotational stage at extremely low speeds down to 0.01 rpm and monitor the evolution of friction in situ. Nanovea’s unmatched range is an ideal solution for determining the full range of tribological properties of thin or thick, soft or hard coatings, films, and substrates.
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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 DISCUSIÓN
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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Acabado superficial de paneles alveolares con perfilometría 3D
INTRODUCCIÓN
La rugosidad, la porosidad y la textura de la superficie del panel alveolar son factores críticos que deben cuantificarse para el diseño final del panel. Estas cualidades superficiales pueden correlacionarse directamente con las características estéticas y funcionales de la superficie del panel. Una mejor comprensión de la textura y la porosidad de la superficie puede ayudar a optimizar el procesamiento y la fabricabilidad de la superficie del panel. Se necesita una medición cuantitativa, precisa y confiable de la superficie del panel alveolar para controlar los parámetros superficiales para los requisitos de aplicación y pintura. Los sensores sin contacto Nanovea 3D utilizan una tecnología confocal cromática única capaz de medir con precisión estas superficies de los paneles.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En este estudio, se utilizó la plataforma Nanovea HS2000 equipada con un sensor lineal de alta velocidad para medir y comparar dos paneles alveolares con diferentes acabados superficiales. Presentamos el Nanovea perfilómetro sin contacto’Capacidad para proporcionar mediciones de perfilado 3D rápidas y precisas, así como análisis exhaustivos y detallados del acabado superficial.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se midió la superficie de dos muestras de paneles alveolares con diferentes acabados superficiales, denominadas Muestra 1 y Muestra 2. La falsa color y la vista en 3D de las superficies de las Muestras 1 y 2 se muestran en la Figura 3 y la Figura 4, respectivamente. Los valores de rugosidad y planitud se calcularon mediante un software de análisis avanzado y se comparan en la Tabla 1. La muestra 2 presenta una superficie más porosa en comparación con la muestra 1. Como resultado, la muestra 2 posee una rugosidad Sa más alta, de 14,7 µm, en comparación con el valor Sa de 4,27 µm de la muestra 1.
En la figura 5 se comparan los perfiles 2D de las superficies de los paneles alveolares, lo que permite a los usuarios realizar una comparación visual del cambio de altura en diferentes puntos de la superficie de la muestra. Podemos observar que la muestra 1 presenta una variación de altura de ~25 µm entre el pico más alto y el valle más bajo. Por otro lado, la muestra 2 muestra varios poros profundos en todo el perfil 2D. El software de análisis avanzado tiene la capacidad de localizar y medir automáticamente la profundidad de seis poros relativamente profundos, como se muestra en la tabla de la figura 4.b Muestra 2. El poro más profundo de los seis tiene una profundidad máxima de casi 90 µm (paso 4).
Para investigar más a fondo el tamaño y la distribución de los poros de la muestra 2, se realizó una evaluación de la porosidad, cuyos resultados se analizan en la siguiente sección. La vista en corte se muestra en la figura 5 y los resultados se resumen en la tabla 2. Se puede observar que los poros, marcados en color azul en la figura 5, tienen una distribución relativamente homogénea en la superficie de la muestra. El área proyectada de los poros constituye el 18,91 % de la superficie total de la muestra. El volumen por mm² del total de poros es de ~0,06 mm³. Los poros tienen una profundidad media de 42,2 µm y la profundidad máxima es de 108,1 µm.
CONCLUSIÓN
En esta aplicación, hemos demostrado que la plataforma Nanovea HS2000 equipada con un sensor lineal de alta velocidad es una herramienta ideal para analizar y comparar el acabado superficial de muestras de paneles alveolares de forma rápida y precisa. Los escaneos de perfilometría de alta resolución, junto con un software de análisis avanzado, permiten una evaluación completa y cuantitativa del acabado superficial de las muestras de paneles alveolares.
Los datos que se muestran aquí representan solo una pequeña parte de los cálculos disponibles en el software de análisis. Los perfilómetros Nanovea miden prácticamente cualquier superficie para una amplia gama de aplicaciones en los sectores de semiconductores, microelectrónica, energía solar, fibra óptica, automoción, aeroespacial, metalurgia, mecanizado, recubrimientos, farmacéutico, biomédico, medioambiental y muchos otros.
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Medición de la relajación de tensiones mediante nanoindentación
INTRODUCCIÓN
Los materiales viscoelásticos se caracterizan por tener propiedades tanto viscosas como elásticas. Estos materiales están sujetos a una disminución de la tensión dependiente del tiempo (relajación de la tensión) bajo una deformación constante, lo que conduce a una pérdida significativa de la fuerza de contacto inicial. La relajación de la tensión depende del tipo de material, la textura, la temperatura, la tensión inicial y el tiempo. Comprender la relajación de la tensión es fundamental para seleccionar los materiales óptimos que tengan la resistencia y la flexibilidad (relajación) necesarias para aplicaciones específicas.
Importancia de la medición de la relajación de tensiones
Según la norma ASTM E328i, “Métodos de prueba estándar para la relajación de tensiones en materiales y estructuras”, inicialmente se aplica una fuerza externa sobre un material o estructura con un penetrador hasta que alcanza una fuerza máxima predeterminada. Una vez alcanzada la fuerza máxima, la posición del penetrador se mantiene constante a esta profundidad. A continuación, se mide el cambio en la fuerza externa necesaria para mantener la posición del penetrador en función del tiempo. La dificultad de los ensayos de relajación de tensiones radica en mantener constante la profundidad. El ensayador mecánico Nanovea nanoindentación El módulo mide con precisión la relajación de la tensión aplicando un control de bucle cerrado (retroalimentación) de la profundidad con un actuador piezoeléctrico. El actuador reacciona en tiempo real para mantener la profundidad constante, mientras que el cambio en la carga se mide y registra mediante un sensor de carga de alta sensibilidad. Esta prueba se puede realizar en prácticamente todo tipo de materiales sin necesidad de requisitos estrictos en cuanto a las dimensiones de la muestra. Además, se pueden realizar múltiples pruebas en una sola muestra plana para garantizar la repetibilidad de la prueba.
OBJETIVO DE MEDICIÓN
En esta aplicación, el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester mide el comportamiento de relajación de la tensión de una muestra de acrílico y cobre. Demostramos que el Nanovea Comprobador mecánico Es una herramienta ideal para evaluar el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos.
CONDICIONES DE ENSAYO
La relajación de la tensión de una muestra de acrílico y otra de cobre se midió con el módulo de nanoindentación del Nanovea Mechanical Tester. Se aplicaron diferentes velocidades de carga de indentación, que oscilaron entre 1 y 10 µm/min. La relajación se midió a una profundidad fija una vez que se alcanzó la carga máxima objetivo. Se implementó un periodo de mantenimiento de 100 segundos a una profundidad fija y se registró el cambio en la carga a medida que transcurría el tiempo de mantenimiento. Todas las pruebas se realizaron en condiciones ambientales (temperatura ambiente de 23 °C) y los parámetros de la prueba de indentación se resumen en la Tabla 1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Figura 2 muestra la evolución del desplazamiento y la carga en función del tiempo durante la medición de la relajación de la tensión de una muestra acrílica y una velocidad de carga de indentación de 3 µm/min como ejemplo. La totalidad de esta prueba se puede dividir en tres etapas: carga, relajación y descarga. Durante la etapa de carga, la profundidad aumentó linealmente a medida que la carga aumentaba progresivamente. La etapa de relajación se inició una vez que se alcanzó la carga máxima. Durante esta etapa, se mantuvo una profundidad constante durante 100 segundos utilizando la función de control de profundidad de bucle cerrado del instrumento y se observó que la carga disminuyó con el tiempo. La prueba completa concluyó con una etapa de descarga para retirar el indentador de la muestra acrílica.
Se realizaron pruebas de indentación adicionales utilizando las mismas velocidades de carga del indentador, pero excluyendo el periodo de relajación (fluencia). A partir de estas pruebas se obtuvieron gráficos de carga frente a desplazamiento, que se combinaron en los gráficos de la figura 3 para las muestras de acrílico y cobre. A medida que la velocidad de carga del penetrador disminuyó de 10 a 1 µm/min, la curva de carga-desplazamiento se desplazó progresivamente hacia profundidades de penetración más altas tanto para el acrílico como para el cobre. Este aumento de la deformación en función del tiempo se debe al efecto de fluencia viscoelástica de los materiales. Una velocidad de carga más baja permite que un material viscoelástico tenga más tiempo para reaccionar a la tensión externa a la que se ve sometido y deformarse en consecuencia.
La evolución de la carga a una deformación constante utilizando diferentes velocidades de carga de indentación se representa en la figura 4 para ambos materiales probados. La carga disminuyó a un ritmo mayor en las primeras etapas de la fase de relajación (período de mantenimiento de 100 segundos) de las pruebas y se ralentizó una vez que el tiempo de mantenimiento alcanzó los ~50 segundos. Los materiales viscoelásticos, como los polímeros y los metales, presentan una mayor tasa de pérdida de carga cuando se someten a velocidades de carga de indentación más altas. La tasa de pérdida de carga durante la relajación aumentó de 51,5 a 103,2 mN para el acrílico, y de 15,0 a 27,4 mN para el cobre, respectivamente, a medida que la velocidad de carga de indentación aumentaba de 1 a 10 µm/min, como se resume en Figura 5.
Como se menciona en la norma ASTM E328ii, el principal problema que se presenta en los ensayos de relajación de tensiones es la incapacidad del instrumento para mantener una deformación/profundidad constante. El ensayador mecánico Nanovea proporciona mediciones de relajación de tensión excelentes y precisas gracias a su capacidad para aplicar un control de bucle cerrado de retroalimentación de la profundidad entre el actuador piezoeléctrico de acción rápida y el sensor de profundidad del condensador independiente. Durante la fase de relajación, el actuador piezoeléctrico ajusta el indentador para mantener su restricción de profundidad constante en tiempo real, mientras que el cambio en la carga se mide y registra mediante un sensor de carga independiente de alta precisión.
CONCLUSIÓN
Se midió la relajación de la tensión de una muestra de acrílico y otra de cobre utilizando el módulo de nanoindentación del probador mecánico Nanovea a diferentes velocidades de carga. Se alcanza una mayor profundidad máxima cuando las indentaciones se realizan a velocidades de carga más bajas debido al efecto de fluencia del material durante la carga. Tanto la muestra de acrílico como la de cobre muestran un comportamiento de relajación de la tensión cuando se mantiene constante la posición del indentador a una carga máxima objetivo. Se observaron cambios mayores en la pérdida de carga durante la etapa de relajación en las pruebas con velocidades de carga de indentación más altas.
La prueba de relajación de tensiones realizada por el Nanovea Mechanical Tester demuestra la capacidad del instrumento para cuantificar y medir de forma fiable el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de los materiales poliméricos y metálicos. Cuenta con unos módulos Nano y Micro multifunción sin igual en una única plataforma. Los módulos de control de humedad y temperatura se pueden combinar con estos instrumentos para realizar pruebas ambientales aplicables a una amplia gama de industrias. Tanto el módulo Nano como el Micro incluyen modos de prueba de rayado, dureza y desgaste, lo que proporciona la gama más amplia y fácil de usar de capacidades de prueba mecánica disponible en un solo sistema.
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Introducción:
La ingeniería de superficies de los materiales desempeña un papel importante en diversas aplicaciones funcionales, que van desde la apariencia decorativa hasta la protección de los sustratos contra el desgaste, la corrosión y otras formas de agresión. Un factor importante y determinante que influye en la calidad y la vida útil de los recubrimientos es su fuerza cohesiva y adhesiva.
