Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Application Note | Stent Coating Adhesion Testing

Stent Coating Adhesion and Delamination Analysis Using Nano Scratch Testing

Quantifying Coating Failure and Adhesion Performance on Drug-Eluting Stents

Research & Experimental Testing

Duanjie Li, PhD

Visual Design & Editorial

Andrew Shore

Introduction

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 En savoir plus sur nanoindentation and scratch testing lab services for coating adhesion and failure analysis.

Measurement Method

Nano scratch testing is performed using the NANOVEA PB1000 Essai mécanique, 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

Testeur Méchanique

Conditions d'essai

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	Progressif
Initial load	0.05 mN
Final load	300 and 100 mN
Sliding speed	0.5 mm/min
Sliding distance	0.5 mm
Indenter geometry	Conique
Indenter material (tip)	Diamant
Rayon de la pointe du pénétrateur	20 µm
Température	24°C (room)

Tableau 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	Progressif
Initial load	0.1 mN
Final load	300 mN
Taux de chargement	300 mN/min
Scratch length	0.25 mm
Scratch speed	0.25 mm/min
Indenter geometry	40° cone
Indenter material (tip)	Diamant
Rayon de la pointe du pénétrateur	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.

Résultats et discussion

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.

Conclusion

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.

Références

[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

Préparé par

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

Introduction

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 En savoir plus sur non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

Dans cette application, le 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
Profilomètre optique

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.

Paramètres de mesure

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	Hauteur racine carrée moyenne
Ssk	-0.102		Skewness
UGS	3.715		Kurtosis
Sp	18.861	µm	Hauteur maximale du pic
Sv	16.553	µm	Maximum pit depth
Sz	35.414	µm	Hauteur maximale
Sa	1.888	µm	Hauteur moyenne arithmétique

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: Aucun
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: Aucun

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: Aucun
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: Aucun

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

Conclusion

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.

Références

[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?

Test de résistance aux rayures des protections d'écran de téléphone

Préparé par

Stacey Pereira, Jocelyn Esparza et Pierre Leroux

Comprendre la résistance aux rayures des protecteurs d'écran de téléphone

Les revêtements protecteurs des écrans de téléphone jouent un rôle essentiel dans la résistance aux rayures, la force d'adhérence et la durabilité à long terme. Au fil du temps, les rayures, les microfissures et la délamination du revêtement peuvent réduire la clarté optique et la fiabilité, en particulier dans les environnements à usage intensif. Pour évaluer la résistance aux dommages mécaniques des différentes protections d'écran, des tests de rayures instrumentés fournissent des informations quantifiables sur les mécanismes de défaillance du revêtement, y compris l'adhérence, la cohésion et le comportement de rupture.

Dans cette étude, NANOVEA PB1000 Essai mécanique est utilisé pour comparer les protections d'écran en TPU et en verre trempé sous une charge progressive contrôlée. Grâce à une détection précise des émissions acoustiques, nous identifions les charges de rupture critiques et caractérisons la façon dont chaque matériau réagit à l'augmentation de la contrainte mécanique.

Pourquoi les tests de résistance aux rayures sont-ils importants pour les protecteurs d'écran ?

De nombreux utilisateurs supposent que les protecteurs plus épais ou plus durs sont automatiquement plus performants, mais la durabilité réelle dépend de la manière dont le matériau se comporte sous l'effet d'une charge progressive, d'une déformation de la surface et d'une contrainte localisée. Les essais de rayures instrumentés permettent aux ingénieurs de mesurer l'adhérence du revêtement, la force de cohésion, la résistance à l'usure de la surface et les charges exactes auxquelles les défaillances se déclenchent ou se propagent.

En analysant les points d'initiation des fissures, le comportement de délamination et les modes de défaillance, les fabricants peuvent valider les performances des protecteurs d'écran à des fins de R&D, de contrôle de la qualité ou d'analyse comparative. Les tests de nano-rayures et de micro-rayures offrent un aperçu reproductible et fondé sur des données de la durabilité dans le monde réel, bien au-delà des indices de dureté traditionnels.

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Scratch Testing Objectif :
Mesure des charges de rupture dans les protecteurs d'écran

L'objectif de cette étude est de démontrer comment le testeur mécanique NANOVEA PB1000 réalise des essais répétables et normalisés de résistance aux rayures sur des protections d'écran en polymère et en verre. En augmentant progressivement la charge appliquée, le système détecte les charges critiques pour la rupture de la cohésion et de l'adhésivité, capture les signaux d'émission acoustique et établit une corrélation entre ces événements et la profondeur de la rayure, la force de frottement et la déformation de la surface.

Cette méthodologie fournit un profil mécanique complet de chaque revêtement protecteur, permettant aux fabricants et aux équipes de R&D d'évaluer les formulations des matériaux, la force d'adhérence du revêtement, la durabilité de la surface et l'épaisseur optimale du revêtement pour améliorer les performances du produit. Ces évaluations de la rayure font partie de la suite plus large d'études de NANOVEA sur les propriétés mécaniques des revêtements de protection. solutions d'essais mécaniques utilisé pour caractériser les revêtements, les films et les substrats dans les environnements de R&D, de contrôle de la qualité et de production.

NANOVEA PB1000 Grande plate-forme
Testeur Méchanique

Paramètres du test de grattage et configuration de l'instrument

L'évaluation de la résistance aux rayures des protecteurs d'écran en TPU et en verre trempé a été réalisée dans des conditions contrôlées afin de garantir la répétabilité et la précision de la détection de la charge de rupture. Les paramètres suivants définissent la configuration de l'essai de résistance aux rayures à charge progressive utilisé sur le testeur mécanique NANOVEA PB1000.

TYPE DE CHARGE	PROGRESSIF
CHARGE INITIALE	0.1 N
CHARGE FINALE	12 N
VITESSE DE GLISSEMENT	3,025 mm/min
DISTANCE DE GLISSEMENT	3 mm
GÉOMÉTRIE DU PÉNÉTRATEUR	ROCKWELL (CÔNE DE 120°)
MATÉRIAU DU PÉNÉTRATEUR (POINTE)	DIAMANT
RAYON DE LA POINTE DU PÉNÉTRATEUR	50 µm
ATMOSPHÈRE	AIR
TEMPÉRATURE	24 °C (TEMPÉRATURE AMBIANTE)

TABLEAU 1 : Paramètres d'essai utilisés pour les essais de rayures

Échantillon de protection d'écran monté sur le testeur mécanique NANOVEA PB1000 pendant la mesure de la rayure à charge progressive.

Échantillons de protecteurs d'écran utilisés pour les tests de résistance aux rayures

Deux matériaux de protection d'écran disponibles dans le commerce ont été sélectionnés pour comparer les différences de résistance aux rayures, de comportement en cas de défaillance et de durabilité mécanique. Les deux échantillons ont été montés solidement sur le testeur mécanique NANOVEA PB1000 et évalués dans des conditions identiques de charge progressive afin de garantir une comparaison cohérente et impartiale.

Le protecteur d'écran en TPU est un film polymère souple doté d'une grande élasticité mais d'une faible résistance à l'abrasion, tandis que le protecteur en verre trempé est un matériau rigide et cassant conçu pour une grande dureté et une meilleure protection contre les chocs. Le test des deux matériaux sous le même profil de charge permet d'évaluer clairement l'influence de la composition, de l'élasticité et de la dureté du matériau sur les modes de défaillance des rayures.

Protecteur d'écran TPU

Verre trempé

FIGURE 1: Les protections d'écran en TPU et en verre trempé sont préparées pour les tests de résistance aux rayures.

Résultats des tests de rayures : Modes de défaillance des protecteurs d'écran en TPU et en verre trempé

TYPE DE PROTECTEUR D'ÉCRAN	CHARGE CRITIQUE #1 (N)	CHARGE CRITIQUE #2 (N)
TPU	s/o	2.004 ± 0.063
VERRE TEMPÉRÉ	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

TABLEAU 2 : Résumé des charges critiques pour chaque échantillon de protection d'écran.

Les protecteurs d'écran en TPU et en verre trempé ayant des propriétés mécaniques fondamentalement différentes, chaque échantillon a présenté des modes de défaillance et des seuils de charge critique distincts lors des essais de rayure à charge progressive. Le tableau 2 résume les charges critiques mesurées pour chaque matériau.

La charge critique #1 représente le premier point observable de rupture cohésive au microscope optique, tel que l'apparition d'une fissure ou d'une rupture radiale.

La charge critique #2 correspond au premier événement majeur détecté par la surveillance des émissions acoustiques (AE), représentant généralement une défaillance structurelle plus importante ou un événement de pénétration.

Protection d'écran TPU - Comportement polymère flexible

Le protecteur d'écran TPU n'a présenté qu'un seul événement critique significatif (charge critique #2). Cette charge correspond au point de la piste de rayure où le film commence à se soulever, à se décoller ou à se délaminer de la surface de l'écran du téléphone.

Une fois la charge critique #2 (≈2,00 N) dépassée, le pénétrateur a pénétré suffisamment pour provoquer une rayure visible directement sur l'écran du téléphone pendant le reste du test. Aucun événement distinct de charge critique #1 n'a été détecté, ce qui est cohérent avec la grande élasticité du matériau et sa faible résistance à la cohésion.

Protecteur d'écran en verre trempé - Comportement de rupture fragile

Le protecteur d'écran en verre trempé présentait deux charges critiques distinctes, caractéristiques des matériaux fragiles :

Charge critique #1 (≈3,61 N) : Des fractures radiales et des amorces de fissures ont été observées au microscope, indiquant une rupture cohésive précoce de la couche de verre.
Charge critique #2 (≈7,44 N) : Un pic AE important et une forte augmentation de la profondeur de rayure indiquent une pénétration du protecteur à des charges plus élevées.

Bien que l'amplitude de l'EI soit supérieure à celle du TPU, aucun dommage n'a été transféré à l'écran du téléphone, ce qui démontre la capacité du protecteur en verre trempé à absorber et à répartir la charge avant une défaillance catastrophique.

Dans les deux matériaux, la charge critique #2 correspondait au moment où le pénétrateur a traversé le protecteur d'écran, confirmant la limite de protection de chaque échantillon.

Protecteur d'écran TPU : Données des essais de rayures et analyse des défaillances

RAYURE	CHARGE CRITIQUE #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
MOYENNE	2.003
ÉCART-TYPE	0.052

TABLEAU 3 : Charges critiques mesurées lors des essais de rayures du protecteur d'écran TPU.

FIGURE 2 : Force de friction, charge normale, émission acoustique (AE) et profondeur de la rayure en fonction de la longueur de la rayure pour le protecteur d'écran TPU. (B) Charge critique #2

FIGURE 3 : Image au microscope optique du protecteur d'écran TPU à la charge critique #2 (grossissement 5× ; largeur de l'image 0,8934 mm).

FIGURE 4 : Image pleine longueur de la protection d'écran TPU montrant la trace complète de la rayure après un test de charge progressive.

Protecteur d'écran en verre trempé : Données de charge critique et comportement à la rupture

RAYURE	CHARGE CRITIQUE #1 (N)	CHARGE CRITIQUE #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
MOYENNE	3.653	6.925
ÉCART-TYPE	0.383	0.624

TABLEAU 4 : Charges critiques mesurées lors d'essais de rayures de protecteurs d'écran en verre trempé.

ℹ️ Pour une comparaison avec les revêtements polymères non silicatés, voir notre étude sur les Essai d'usure du revêtement PTFE, qui met en évidence le comportement de rupture des films polymères à faible friction dans des conditions de charge progressive similaires.

FIGURE 5 : Force de friction, charge normale, émission acoustique (AE) et profondeur de la rayure en fonction de la longueur de la rayure pour le protecteur d'écran en verre trempé. (A) Charge critique #1 (B) Charge critique #2

FIGURE 6 : Images de microscopie optique montrant les points de rupture pour la charge critique #1 (à gauche) et la charge critique #2 (à droite) à un grossissement de 5× (largeur de l'image : 0,8934 mm).

FIGURE 7 : Image de microscopie optique de la piste de rayure en verre trempé après l'essai, mettant en évidence l'initiation de la fracture (CL#1) et la zone de pénétration finale (CL#2) à la suite d'un essai de charge progressive.

Conclusion : Comparaison des performances des protecteurs d'écran en TPU et en verre trempé en matière de rayures

Cette étude démontre comment le testeur mécanique NANOVEA PB1000 fournit des mesures contrôlées, répétables et très sensibles de la résistance aux rayures en utilisant un chargement progressif et la détection des émissions acoustiques (AE). En capturant avec précision les événements de rupture cohésive et adhésive, le système permet une comparaison claire du comportement des protecteurs d'écran en TPU et en verre trempé sous l'effet d'une contrainte mécanique croissante.

Les résultats expérimentaux confirment que le verre trempé présente des charges critiques nettement plus élevées que le TPU, offrant une résistance supérieure aux rayures, une initiation retardée de la fracture et une protection fiable contre la pénétration d'un pénétrateur. La force de cohésion plus faible du TPU et sa délamination plus précoce mettent en évidence ses limites dans les environnements soumis à de fortes contraintes.

Après avoir identifié les charges de rupture, les traces de rayures qui en résultent peuvent également être analysées à l'aide d'un logiciel d'analyse. profilomètre optique 3D sans contact pour mesurer la profondeur des rainures, la déformation résiduelle et la topographie après rayage. Cela permet de compléter le profil mécanique de chaque matériau.

Le testeur mécanique NANOVEA est conçu pour des essais d'indentation, de rayure et d'usure précis et répétables, et prend en charge les nano et micro-modules conformes aux normes ISO et ASTM. Sa polyvalence en fait une solution idéale pour évaluer le profil mécanique complet des films minces, des revêtements, des polymères, des verres et des substrats dans les domaines de la R&D, de la production et du contrôle qualité.

Questions fréquemment posées
À propos des essais de résistance aux rayures

Qu'est-ce qu'un test de résistance aux rayures ?

L'essai de résistance à la rayure évalue la façon dont un matériau ou un revêtement réagit lorsqu'un stylet en diamant applique une charge progressivement croissante. Le test identifie les charges critiques où se produisent les défaillances de cohésion ou d'adhésion, fournissant une mesure quantifiable de la durabilité, de la force d'adhésion et de la résistance aux dommages de surface.

Quelle est la différence entre une défaillance cohésive et une défaillance adhésive ?

Défaillance de la cohésion à l'intérieur le revêtement ou le matériau, comme la fissuration, la déchirure ou la fracture interne.
La défaillance de l'adhésif se produit lorsque le revêtement se détache du substrat, ce qui indique que la force d'adhérence est insuffisante.

Le NANOVEA PB1000 détecte les deux en utilisant la surveillance synchronisée des émissions acoustiques, le suivi de la profondeur des rayures et l'analyse du frottement.

Pourquoi utiliser un testeur mécanique plutôt que des méthodes manuelles ?

Un testeur mécanique comme le NANOVEA PB1000 fournit des mesures précises, répétables et normalisées, garantissant des données fiables pour la R&D, la validation de la production et le contrôle de la qualité. Il offre également des fonctions avancées, telles que la détection des émissions acoustiques et la surveillance de la profondeur en temps réel, que les méthodes manuelles ne peuvent pas offrir.

Besoin d'un test de rayures fiable pour vos matériaux ?

Mesure de l'usure in situ à haute température

MESURE DE L'USURE IN SITU À HAUTE TEMPÉRATURE

EN UTILISANT UN TRIBOMÈTRE

Préparé par

Duanjie Li, PhD

INTRODUCTION

Le transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) est un type de transformateur électrique robuste utilisé pour mesurer un déplacement linéaire. Il a été largement utilisé dans une variété d'applications industrielles, y compris les turbines de puissance, l'hydraulique, l'automatisation, les avions, les satellites, les réacteurs nucléaires, et bien d'autres.

Dans cette étude, nous présentons les modules complémentaires LVDT et haute température du NANOVEA. Tribomètre qui permettent de mesurer le changement de profondeur de la trace d'usure de l'échantillon testé pendant le processus d'usure à des températures élevées. Cela permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux destinés aux applications à haute température.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous souhaitons mettre en évidence la capacité du tribomètre NANOVEA T50 à surveiller in situ l'évolution du processus d'usure des matériaux à des températures élevées.

Le processus d'usure de la céramique de silicate d'alumine à différentes températures est simulé de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

PROCÉDURE DE TEST

Le comportement tribologique, par exemple le coefficient de friction (COF) et la résistance à l'usure des plaques en céramique de silicate d'alumine, a été évalué par le tribomètre NANOVEA. La plaque en céramique de silicate d'alumine a été chauffée par un four de la température ambiante, RT, à des températures élevées (400°C et 800°C), suivies par des tests d'usure à ces températures.

À titre de comparaison, les essais d'usure ont été réalisés lorsque l'échantillon a refroidi de 800°C à 400°C, puis à la température ambiante. Une bille en AI2O3 (6 mm de diamètre, grade 100) a été appliquée contre les échantillons testés. Le COF, la profondeur d'usure et la température ont été contrôlés in situ.

PARAMÈTRES D'ESSAI

de la mesure de l'épingle sur le disque

Le taux d'usure, K, a été évalué à l'aide de la formule K=V/(Fxs)=A/(Fxn), où V est le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de section transversale de la piste d'usure et n est le nombre de tours. La rugosité de surface et les profils des traces d'usure ont été évalués par le profileur optique NANOVEA, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le COF et la profondeur de la trace d'usure enregistrés in situ sont représentés respectivement sur la FIGURE 1 et la FIGURE 2. Sur la FIGURE 1, "-I" indique le test effectué lorsque la température a été augmentée de la température ambiante à une température élevée. "-D" représente la température diminuée à partir d'une température plus élevée de 800°C.

Comme le montre la FIGURE 1, les échantillons testés à différentes températures présentent un COF comparable de ~0,6 tout au long des mesures. Un COF aussi élevé conduit à un processus d'usure accéléré qui crée une quantité importante de débris. La profondeur de la trace d'usure a été contrôlée pendant les essais d'usure par LVDT, comme le montre la FIGURE 2. Les essais réalisés à température ambiante avant le chauffage de l'échantillon et après le refroidissement de l'échantillon montrent que la plaque céramique en silicate d'alumine présente un processus d'usure progressif à RT, la profondeur de la trace d'usure augmente progressivement tout au long de l'essai d'usure pour atteindre ~170 et ~150 μm, respectivement.

En comparaison, les essais d'usure à des températures élevées (400°C et 800°C) présentent un comportement d'usure différent - la profondeur de la trace d'usure augmente rapidement au début du processus d'usure, et elle ralentit au fur et à mesure que l'essai se poursuit. Les profondeurs des traces d'usure pour les essais réalisés aux températures 400°C-I, 800°C et 400°C-D sont respectivement de ~140, ~350 et ~210 μm.

FIGURE 1. Coefficient de frottement pendant les essais "pin-on-disk" à différentes températures

FIGURE 2. Évolution de la profondeur des traces d'usure de la plaque céramique en silicate d'alumine à différentes températures

Le taux d'usure moyen et la profondeur des traces d'usure des plaques céramiques en silicate d'alumine à différentes températures ont été mesurés à l'aide de la méthode suivante NANOVEA Optical Profiler comme résumé dans FIGURE 3. La profondeur de la trace d'usure est en accord avec celle enregistrée par LVDT. La plaque en céramique de silicate d'alumine présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, par rapport aux taux d'usure inférieurs à 0,2 mm3/Nm à des températures inférieures à 400°C. La plaque en céramique de silicate d'alumine ne présente pas de propriétés mécaniques/tribologiques significativement améliorées après le court processus de chauffage, possédant un taux d'usure comparable avant et après le traitement thermique.

La céramique de silicate d'alumine, également connue sous le nom de lave et de pierre des merveilles, est molle et usinable avant le traitement thermique. Un long processus de cuisson à des températures élevées (jusqu'à 1093°C) peut considérablement améliorer sa dureté et sa résistance, après quoi un usinage au diamant est nécessaire. Cette caractéristique unique fait de la céramique de silicate d'alumine un matériau idéal pour la sculpture.

Dans cette étude, nous montrons que le traitement thermique à une température inférieure à celle requise pour la cuisson (800°C vs 1093°C) dans un temps court n'améliore pas les caractéristiques mécaniques et tribologiques de la céramique de silicate d'alumine, faisant de la cuisson appropriée un processus essentiel pour ce matériau avant son utilisation dans les applications réelles.

FIGURE 3. Taux d'usure et profondeur des traces d'usure de l'échantillon à différentes températures

CONCLUSION

Sur la base de l'analyse tribologique complète de cette étude, nous montrons que la plaque en céramique de silicate d'alumine présente un coefficient de frottement comparable à différentes températures, de la température ambiante à 800°C. Cependant, elle présente un taux d'usure sensiblement accru de ~0,5 mm3/Nm à 800°C, ce qui démontre l'importance d'un traitement thermique approprié de cette céramique.

Les tribomètres NANOVEA sont capables d'évaluer les propriétés tribologiques des matériaux pour des applications à des températures élevées allant jusqu'à 1000°C. La fonction de mesure in situ du COF et de la profondeur des traces d'usure permet aux utilisateurs de corréler les différentes étapes du processus d'usure avec l'évolution du COF, ce qui est essentiel pour améliorer la compréhension fondamentale du mécanisme d'usure et des caractéristiques tribologiques des matériaux utilisés à des températures élevées.

Les tribomètres NANOVEA offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

Des profileurs 3D sans contact sont disponibles en option pour l'imagerie 3D haute résolution des traces d'usure en plus d'autres mesures de surface telles que la rugosité.

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Analyse de la surface des écailles de poisson à l'aide d'un profileur optique 3D

ANALYSE DE LA SURFACE DES ÉCAILLES DE POISSON

en utilisant le PROFILER OPTIQUE 3D

Préparé par

Andrea Novitsky

INTRODUCTION

La morphologie, les motifs et d'autres caractéristiques d'une écaille de poisson sont étudiés à l'aide du NANOVEA Profileur optique 3D sans contact. La nature délicate de cet échantillon biologique ainsi que ses rainures très petites et fortement inclinées soulignent également l'importance de la technique sans contact du profileur. Les rainures de l'échelle sont appelées cercles et peuvent être étudiées pour estimer l'âge du poisson, et même distinguer des périodes de taux de croissance différents, semblables aux cernes d'un arbre. Il s’agit d’informations très importantes pour la gestion des populations de poissons sauvages afin de prévenir la surpêche.

Importance de la profilométrie 3D sans contact pour les études biologiques

Contrairement à d'autres techniques telles que les palpeurs tactiles ou l'interférométrie, le profileur optique 3D sans contact, qui utilise le chromatisme axial, peut mesurer presque toutes les surfaces. La taille des échantillons peut varier considérablement grâce à la mise en scène ouverte et aucune préparation d'échantillon n'est nécessaire. Les caractéristiques allant du nanomètre au macromètre sont obtenues pendant la mesure du profil de la surface, sans aucune influence de la réflectivité ou de l'absorption de l'échantillon. L'instrument offre une capacité avancée de mesurer des angles de surface élevés sans manipulation logicielle des résultats. Tout matériau peut être facilement mesuré, qu'il soit transparent, opaque, spéculaire, diffus, poli ou rugueux. La technique offre une capacité idéale, large et conviviale pour maximiser les études de surface ainsi que les avantages des capacités combinées 2D et 3D.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, nous présentons NANOVEA ST400, un profileur 3D sans contact doté d'un capteur à grande vitesse, qui permet une analyse complète de la surface d'une échelle.

L'instrument a été utilisé pour scanner l'ensemble de l'échantillon, ainsi qu'un scan à plus haute résolution de la zone centrale. La rugosité de la surface extérieure et intérieure de l'écaille a également été mesurée à des fins de comparaison.

NANOVEA

ST400

Caractérisation de surface 3D et 2D de l'écaille extérieure

La vue 3D et la vue en fausses couleurs de l'écaille extérieure montrent une structure complexe semblable à une empreinte digitale ou aux anneaux d'un arbre. Les utilisateurs disposent ainsi d'un outil simple pour observer directement la caractérisation de la surface de l'écaille sous différents angles. Diverses autres mesures de l'écaille extérieure sont présentées, ainsi que la comparaison des côtés extérieur et intérieur de l'écaille.

COMPARAISON DE LA RUGOSITÉ DE LA SURFACE

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré comment le profileur optique sans contact NANOVEA 3D peut caractériser une écaille de poisson de diverses manières.

Les surfaces externe et interne de l'écaille peuvent être facilement distinguées par la seule rugosité de surface, avec des valeurs de rugosité de 15,92μm et 1,56μm respectivement. En outre, des informations précises et exactes peuvent être obtenues sur une écaille de poisson en analysant les rainures, ou circuli, sur la surface externe de l'écaille. La distance des bandes de circuli par rapport au foyer central a été mesurée, et la hauteur des circuli s'est également avérée être d'environ 58μm de haut en moyenne.

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse.

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Balayage de fréquence d'une analyse mécanique dynamique (DMA) sur un polymère

BALAYAGE DE FRÉQUENCE DMA

SUR LE POLYMÈRE EN UTILISANT LA NANOINDENTATION

Préparé par

Duanjie Li, PhD

INTRODUCTION

IMPORTANCE DE L'ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE ESSAI DE BALAYAGE DE FRÉQUENCE

La fréquence variable des contraintes entraîne souvent des variations du module complexe, qui constitue une propriété mécanique critique des polymères. Par exemple, les pneumatiques sont soumis à de fortes déformations cycliques lorsque les véhicules circulent sur la route. La fréquence de la pression et de la déformation change à mesure que la voiture accélère vers des vitesses plus élevées. Un tel changement peut entraîner une variation des propriétés viscoélastiques du pneu, qui sont des facteurs importants dans les performances de la voiture. Un test fiable et reproductible du comportement viscoélastique des polymères à différentes fréquences est nécessaire. Le module Nano du NANOVEA Testeur Méchanique génère une charge sinusoïdale par un actionneur piézo-électrique de haute précision et mesure directement l'évolution de la force et du déplacement à l'aide d'une cellule de charge et d'un condensateur ultrasensibles. La combinaison d'une configuration facile et d'une grande précision en fait un outil idéal pour le balayage de fréquence d'analyse mécanique dynamique.

Les matériaux viscoélastiques présentent à la fois des caractéristiques visqueuses et élastiques lorsqu'ils subissent une déformation. Les longues chaînes moléculaires des matériaux polymères contribuent à leurs propriétés viscoélastiques uniques, c'est-à-dire une combinaison des caractéristiques des solides élastiques et des fluides newtoniens. La contrainte, la température, la fréquence et d'autres facteurs jouent tous un rôle dans les propriétés viscoélastiques. L'analyse mécanique dynamique, également appelée DMA, étudie le comportement viscoélastique et le module complexe du matériau en appliquant une contrainte sinusoïdale et en mesurant la variation de la déformation.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, nous étudions les propriétés viscoélastiques d'un échantillon de pneu poli à différentes fréquences DMA à l'aide du testeur mécanique le plus puissant, NANOVEA PB1000, dans Nanoindentation mode.

NANOVEA

PB1000

CONDITIONS DE TEST

FREQUENCES (Hz) :

0.1, 1.5, 10, 20

TEMPS DE REPTATION À CHAQUE FRÉQUENCE.

50 secondes

TENSION D'OSCILLATION

0.1 V

TENSION DE CHARGE

1 V

type de pénétrateur

Sphérique

Diamant | 100 μm

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le balayage de fréquence de l'analyse mécanique dynamique à la charge maximale permet une mesure rapide et simple des caractéristiques viscoélastiques de l'échantillon à différentes fréquences de chargement en un seul essai. Le déphasage et les amplitudes des ondes de charge et de déplacement à différentes fréquences peuvent être utilisés pour calculer une variété de propriétés viscoélastiques fondamentales du matériau, notamment Module de stockage, Module de perte et Tan (δ) comme le montrent les graphiques suivants.

Les fréquences de 1, 5, 10 et 20 Hz dans cette étude, correspondent à des vitesses d'environ 7, 33, 67 et 134 km par heure. Lorsque la fréquence d'essai augmente de 0,1 à 20 Hz, on peut observer que le module de stockage et le module de perte augmentent progressivement. Le Tan (δ) diminue de ~0,27 à 0,18 lorsque la fréquence augmente de 0,1 à 1 Hz, puis il augmente progressivement jusqu'à ~0,55 lorsque la fréquence de 20 Hz est atteinte. Le balayage de fréquence de la DMA permet de mesurer les tendances du module de stockage, du module de perte et du Tan (δ), qui fournissent des informations sur le mouvement des monomères et la réticulation ainsi que sur la transition vitreuse des polymères. En augmentant la température à l'aide d'une plaque chauffante pendant le balayage de fréquence, on peut obtenir une image plus complète de la nature du mouvement moléculaire dans différentes conditions d'essai.

ÉVOLUTION DE LA CHARGE ET DE LA PROFONDEUR

DU BALAYAGE COMPLET DE LA FRÉQUENCE DU DMA

Charge et profondeur en fonction du temps à différentes fréquences

MODULE DE STOCKAGE

À DIFFÉRENTES FRÉQUENCES

MODULE DE PERTE

À DIFFÉRENTES FRÉQUENCES

TAN (δ)

À DIFFÉRENTES FRÉQUENCES

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons montré la capacité du testeur mécanique NANOVEA à effectuer le test de balayage de fréquence de l'analyse mécanique dynamique sur un échantillon de pneu. Ce test mesure les propriétés viscoélastiques du pneu à différentes fréquences de contrainte. Le pneu montre une augmentation du module de stockage et de perte lorsque la fréquence de chargement augmente de 0,1 à 20 Hz. Il fournit des informations utiles sur les comportements viscoélastiques du pneu fonctionnant à différentes vitesses, ce qui est essentiel pour améliorer les performances des pneus pour des trajets plus doux et plus sûrs. Le test de balayage de fréquence de la DMA peut être effectué à différentes températures pour imiter l'environnement de travail réaliste du pneu sous différentes conditions météorologiques.

Dans le module Nano du testeur mécanique NANOVEA, l'application de la charge avec le piézo rapide est indépendante de la mesure de la charge effectuée par une jauge de contrainte séparée à haute sensibilité. Cela présente un avantage certain lors de l'analyse mécanique dynamique puisque la phase entre la profondeur et la charge est mesurée directement à partir des données recueillies par le capteur. Le calcul de la phase est direct et ne nécessite pas de modélisation mathématique qui ajoute de l'imprécision à la perte résultante et au module de stockage. Ce n'est pas le cas pour un système à bobine.

En conclusion, la DMA mesure le module de perte et de stockage, le module complexe et le Tan (δ) en fonction de la profondeur de contact, du temps et de la fréquence. Un étage de chauffage optionnel permet de déterminer la température de transition de phase des matériaux pendant la DMA. Les testeurs mécaniques NANOVEA offrent des modules multifonctions Nano et Micro inégalés sur une seule plateforme. Les modules Nano et Micro comprennent tous deux des modes de test de rayure, de dureté et d'usure, offrant ainsi la gamme de tests la plus large et la plus conviviale disponible sur un seul module.

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Topographie de la lentille de Fresnel

TOPOGRAPHIE DE LA LENTILLE DE FRESNELUTILISATION 3D PROFILOMÈTRE OPTIQUE SANS CONTACT

Préparé par

Duanjie Li & Benjamin Mell

INTRODUCTION

Une lentille est un dispositif optique à symétrie axiale qui transmet et réfracte la lumière. Une lentille simple est constituée d'un seul composant optique permettant de faire converger ou diverger la lumière. Même si les surfaces sphériques ne sont pas la forme idéale pour fabriquer une lentille, elles sont souvent utilisées comme la forme la plus simple à laquelle le verre peut être meulé et poli.

Une lentille de Fresnel est constituée d'une série d'anneaux concentriques, qui sont les parties fines d'une lentille simple dont la largeur ne dépasse pas quelques millièmes de pouce. Les lentilles de Fresnel ont une grande ouverture et une courte distance focale, et leur conception compacte réduit le poids et le volume des matériaux nécessaires, par rapport aux lentilles classiques ayant les mêmes propriétés optiques. Une très faible quantité de lumière est perdue par absorption en raison de la géométrie fine de la lentille de Fresnel.

IMPORTANCE DE LA PROFILOMETRIE 3D SANS CONTACT POUR L'INSPECTION DES LENTILLES DE FRESNEL

Les lentilles de Fresnel sont largement utilisées dans l'industrie automobile, les phares, l'énergie solaire et les systèmes d'atterrissage optiques pour les porte-avions. Le moulage ou l’estampage des lentilles à partir de plastiques transparents peut rendre leur production rentable. La qualité de service des lentilles de Fresnel dépend principalement de la précision et de la qualité de surface de leur anneau concentrique. Contrairement à une technique de palpage, NANOVEA Profilers optiques effectuer des mesures de surface 3D sans toucher la surface, évitant ainsi le risque de créer de nouvelles rayures. La technique Chromatic Light est idéale pour numériser avec précision des formes complexes, telles que des lentilles de géométries différentes.

SCHÉMA DE LA LENTILLE DE FRESNEL

Les lentilles de Fresnel en plastique transparent peuvent être fabriquées par moulage ou estampage. Un contrôle de qualité précis et efficace est essentiel pour révéler les moules ou les timbres de production défectueux. En mesurant la hauteur et le pas des anneaux concentriques, les variations de production peuvent être détectées en comparant les valeurs mesurées aux valeurs de spécification données par le fabricant de la lentille.

La mesure précise du profil de la lentille garantit que les moules ou les étampes sont correctement usinés pour répondre aux spécifications du fabricant. En outre, le tampon peut s'user progressivement avec le temps, ce qui lui fait perdre sa forme initiale. Une déviation constante par rapport aux spécifications du fabricant de la lentille est une indication positive que le moule doit être remplacé.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, nous présentons le NANOVEA ST400, un profileur 3D sans contact équipé d'un capteur haute vitesse, qui permet une analyse complète du profil 3D d'un composant optique de forme complexe. Afin de démontrer les capacités remarquables de notre technologie Chromatic Light, l'analyse des contours est effectuée sur une lentille de Fresnel.

NANOVEA ST400 Grande surface
Profilomètre optique 3D

La lentille de Fresnel en acrylique de 2,3" x 2,3" utilisée pour cette étude est composée de

une série d'anneaux concentriques et un profil de section transversale dentelé complexe.

Il a une longueur focale de 1,5", un diamètre de taille effective de 2,0",

125 rainures par pouce, et un indice de réfraction de 1,49.

Le scan NANOVEA ST400 de la lentille de Fresnel montre une augmentation notable de la hauteur des anneaux concentriques, en partant du centre vers l'extérieur.

2D FALSE COLOR

Représentation de la hauteur

VUE 3D

PROFILÉ EXTRAIT

PEAK & VALLEY

Analyse dimensionnelle du profil

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré que le profileur optique sans contact NANOVEA ST400 mesure avec précision la topographie de la surface des lentilles de Fresnel.

Les dimensions de la hauteur et du pas peuvent être déterminées avec précision à partir du profil dentelé complexe à l'aide du logiciel d'analyse NANOVEA. Les utilisateurs peuvent contrôler efficacement la qualité des moules ou des timbres de production en comparant les dimensions de la hauteur et du pas de l'anneau des lentilles fabriquées à la spécification de l'anneau idéal.

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse.

Les profileurs optiques NANOVEA mesurent pratiquement n'importe quelle surface dans des domaines tels que les semi-conducteurs, la microélectronique, le solaire, les fibres optiques, l'automobile, l'aérospatiale, la métallurgie, l'usinage, les revêtements, l'industrie pharmaceutique, le biomédical, l'environnement et bien d'autres encore.

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Inspection des pièces usinées

PIÈCES USINÉES

inspection à partir d'un modèle CAO à l'aide de la profilométrie 3D

Auteur :

Duanjie Li, PhD

Révisé par

Jocelyn Esparza

INTRODUCTION

La demande d'usinage de précision capable de créer des géométries complexes est en hausse dans un large éventail d'industries. Qu'il s'agisse de l'aérospatiale, de la médecine, de l'automobile, des engrenages, des machines ou des instruments de musique, l'innovation et l'évolution continues poussent les attentes et les normes de précision vers de nouveaux sommets. Par conséquent, nous constatons une augmentation de la demande de techniques et d'instruments d'inspection rigoureux afin de garantir la plus haute qualité des produits.

Importance de la profilométrie 3D sans contact pour le contrôle des pièces

La comparaison des propriétés des pièces usinées avec leurs modèles CAO est essentielle pour vérifier les tolérances et le respect des normes de production. L'inspection pendant la période de service est également cruciale, car l'usure des pièces peut nécessiter leur remplacement. L'identification en temps utile de tout écart par rapport aux spécifications requises permet d'éviter des réparations coûteuses, des arrêts de production et une réputation ternie.

Contrairement à une technique de palpage, le NANOVEA Profilers optiques effectuez des numérisations de surfaces 3D sans contact, permettant des mesures rapides, précises et non destructives de formes complexes avec la plus haute précision.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, nous présentons le NANOVEA HS2000, un profileur 3D sans contact doté d'un capteur à grande vitesse, qui effectue une inspection complète de la dimension, du rayon et de la rugosité de la surface.

Le tout en moins de 40 secondes.

NANOVEA

HS2000

MODÈLE DE CAO

Une mesure précise de la dimension et de la rugosité de surface de la pièce usinée est essentielle pour s'assurer qu'elle répond aux spécifications, tolérances et finitions de surface souhaitées. Le modèle 3D et le dessin technique de la pièce à inspecter sont présentés ci-dessous.

VUE EN FAUSSE COULEUR

La vue en fausses couleurs du modèle CAO et la surface de la pièce usinée scannée sont comparées dans la FIGURE 3. La variation de hauteur sur la surface de l'échantillon peut être observée par le changement de couleur.

Trois profils 2D sont extraits du balayage de la surface 3D, comme indiqué sur la FIGURE 2, afin de vérifier davantage la tolérance dimensionnelle de la pièce usinée.

COMPARAISON DES PROFILS ET RÉSULTATS

Les profils 1 à 3 sont illustrés aux FIGURES 3 à 5. Un contrôle quantitatif de la tolérance est effectué en comparant le profil mesuré avec le modèle CAO afin de respecter des normes de fabrication rigoureuses. Le profil 1 et le profil 2 mesurent le rayon de différentes zones sur la pièce usinée incurvée. La variation de hauteur du profil 2 est de 30 µm sur une longueur de 156 mm, ce qui répond à l'exigence de tolérance souhaitée de ±125 µm.

En définissant une valeur limite de tolérance, le logiciel d'analyse peut déterminer automatiquement la réussite ou l'échec de la pièce usinée.

La rugosité et l'uniformité de la surface de la pièce usinée jouent un rôle important pour garantir sa qualité et sa fonctionnalité. La FIGURE 6 est une surface extraite du scan parent de la pièce usinée qui a été utilisée pour quantifier l'état de surface. La rugosité moyenne de la surface (Sa) a été calculée à 2,31 µm.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons montré comment le profileur sans contact NANOVEA HS2000, équipé d'un capteur à haute vitesse, effectue un contrôle complet des dimensions et de la rugosité de la surface.

Les scans haute résolution permettent aux utilisateurs de mesurer la morphologie détaillée et les caractéristiques de surface des pièces usinées et de les comparer quantitativement avec leurs modèles CAO. L'instrument est également capable de détecter tous les défauts, y compris les rayures et les fissures.

L'analyse avancée des contours est un outil inégalé qui permet non seulement de déterminer si les pièces usinées répondent aux spécifications définies, mais aussi d'évaluer les mécanismes de défaillance des composants usés.

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs possibles avec le logiciel d'analyse avancé qui est fourni avec chaque profileur optique NANOVEA.

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Évaluation de l'usure par frottement

ÉVALUATION DE L'USURE PAR FROTTEMENT

Auteur :

Duanjie Li, PhD

Révisé par

Jocelyn Esparza

INTRODUCTION

L'usure par frottement est "un processus d'usure particulier qui se produit dans la zone de contact entre deux matériaux soumis à une charge et à un mouvement relatif minime sous l'effet de vibrations ou d'une autre force". Lorsque les machines sont en fonctionnement, des vibrations se produisent inévitablement dans les assemblages boulonnés ou goupillés, entre des composants qui ne sont pas destinés à bouger, ainsi que dans les accouplements et les roulements oscillants. L'amplitude de ce mouvement de glissement relatif est souvent de l'ordre du micromètre ou du millimètre. Ce mouvement répétitif de faible amplitude provoque une usure mécanique localisée importante et un transfert de matière à la surface, ce qui peut entraîner une réduction de l'efficacité de la production et des performances de la machine, voire l'endommager.

Importance de l'aspect quantitatif
Évaluation de l'usure par frottement

L'usure par frottement implique souvent plusieurs mécanismes d'usure complexes se produisant au niveau de la surface de contact, notamment l'abrasion à deux corps, l'adhérence et/ou l'usure par fatigue par frottement. Afin de comprendre le mécanisme d'usure par frottement et de sélectionner le meilleur matériau pour la protection contre l'usure par frottement, une évaluation fiable et quantitative de l'usure par frottement est nécessaire. Le comportement à l'usure par frottement est considérablement influencé par l'environnement de travail, tel que l'amplitude de déplacement, la charge normale, la corrosion, la température, l'humidité et la lubrification. Un polyvalent tribomètre capable de simuler différentes conditions de travail réalistes sera idéal pour l'évaluation de l'usure par fretting.

Steven R. Lampman, ASM Handbook : Volume 19 : Fatigue et Fracture
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons évalué les comportements d'usure par fretting d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 à différentes vitesses d'oscillation et températures afin de mettre en évidence la capacité de l'acier inoxydable SS304 à résister à l'usure par fretting. NANOVÉA T50 Le tribomètre permet de simuler le processus d'usure par frottement du métal d'une manière bien contrôlée et surveillée.

NANOVEA

T50

CONDITIONS DE TEST

La résistance à l'usure par frottement d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 a été évaluée par NANOVEA Tribomètre utilisant un module d'usure à mouvement alternatif linéaire. Une bille en WC (6 mm de diamètre) a été utilisée comme contre-matériau. La trace d'usure a été examinée à l'aide d'un NANOVEA Profileur 3D sans contact.

L'essai de fretting a été réalisé à température ambiante (RT) et à 200 °C pour étudier l'effet de la haute température sur la résistance à l'usure par frottement de l'échantillon de SS304. Une plaque chauffante sur le plateau de l'échantillon a chauffé l'échantillon pendant l'essai de fretting à 200 °C. Le taux d'usure, Ka été évaluée à l'aide de la formule K=V/(F×s)où V est le volume usé, F est la charge normale, et s est la distance de glissement.

Veuillez noter qu'une boule de WC comme contre-matériau a été utilisée comme exemple dans cette étude. Tout matériau solide de différentes formes et finitions de surface peut être appliqué à l'aide d'un dispositif de fixation personnalisé afin de simuler la situation d'application réelle.

PARAMÈTRES D'ESSAI

des mesures d'usure

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le profil 3D de la trace d'usure permet de déterminer directement et avec précision la perte de volume de la trace d'usure calculée par l'analyse de la trace d'usure. NANOVEA Logiciel d'analyse des montagnes.

L'essai d'usure alternatif à faible vitesse de 100 tr/min et à température ambiante présente une petite trace d'usure de 0,014 mm.³. En comparaison, l'essai d'usure par frottement effectué à une vitesse élevée de 1000 tr/min crée une trace d'usure nettement plus importante, d'un volume de 0,12 mm.³. Ce processus d'usure accéléré peut être attribué à la chaleur élevée et aux vibrations intenses générées pendant l'essai d'usure par frottement, qui favorisent l'oxydation des débris métalliques et entraînent une forte abrasion des trois corps. L'essai d'usure par frottement à une température élevée de 200 °C forme une plus grande trace d'usure de 0,27 mm³.

L'essai d'usure par frottement à 1000 tr/min présente un taux d'usure de 1,5×10^-4 mm³/Nm, soit près de neuf fois plus que lors d'un essai d'usure alternatif à 100 tr/min. L'essai d'usure par frottement à une température élevée accélère encore le taux d'usure à 3,4×10^-4 mm³/Nm. Une différence aussi importante dans la résistance à l'usure mesurée à différentes vitesses et températures montre l'importance de simuler correctement l'usure de contact pour des applications réalistes.

Le comportement de l'usure peut changer radicalement lorsque de petites modifications des conditions d'essai sont introduites dans le tribosystème. La polyvalence de la NANOVEA Le tribomètre permet de mesurer l'usure dans diverses conditions, notamment la température élevée, la lubrification, la corrosion et autres. Le contrôle précis de la vitesse et de la position par le moteur avancé permet aux utilisateurs d'effectuer le test d'usure à des vitesses allant de 0,001 à 5000 tr/min, ce qui en fait un outil idéal pour les laboratoires de recherche et d'essai pour étudier l'usure de contact dans différentes conditions tribologiques.

Traces d'usure par frottement dans diverses conditions

sous le microscope optique

PROFILS 3D DES PISTES D'USAGE

fournir plus d'informations sur la compréhension fondamentale
du mécanisme d'usure par frottement

RÉSUMÉ DES RÉSULTATS DES TRACES D'USURE

mesurée à l'aide de différents paramètres d'essai

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons mis en évidence la capacité de la NANOVEA Tribomètre pour évaluer le comportement de l'usure de contact d'un échantillon d'acier inoxydable SS304 de manière bien contrôlée et quantitative.

La vitesse et la température de l'essai jouent un rôle essentiel dans la résistance à l'usure par frottement des matériaux. La chaleur élevée et les vibrations intenses pendant l'usure par frottement ont entraîné une accélération substantielle de l'usure de l'échantillon de SS304, de près de neuf fois. La température élevée de 200 °C a encore augmenté le taux d'usure à 3,4×10^-4 mm³/Nm.

La polyvalence de la NANOVEA Le tribomètre est un outil idéal pour mesurer l'usure de contact dans diverses conditions, notamment la température élevée, la lubrification, la corrosion et autres.

NANOVEA Les tribomètres offrent des tests d'usure et de friction précis et répétables en utilisant des modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules optionnels d'usure à haute température, de lubrification et de tribo-corrosion disponibles dans un système pré-intégré. Notre gamme inégalée est une solution idéale pour déterminer l'ensemble des propriétés tribologiques des revêtements, films et substrats minces ou épais, souples ou durs.

Vous avez une application similaire ?

Roulements à billes : étude de résistance à l'usure à haute force

INTRODUCTION

Un roulement à billes utilise des billes pour réduire le frottement de rotation et supporter les charges radiales et axiales. Les billes qui roulent entre les chemins de roulement produisent un coefficient de frottement (COF) bien inférieur à celui de deux surfaces planes glissant l'une contre l'autre. Les roulements à billes sont souvent exposés à des niveaux élevés de contraintes de contact, à l'usure et à des conditions environnementales extrêmes telles que des températures élevées. Par conséquent, la résistance à l'usure des billes sous des charges élevées et des conditions environnementales extrêmes est essentielle pour prolonger la durée de vie du roulement à billes et réduire les coûts et les délais de réparation et de remplacement.
Les roulements à billes peuvent être trouvés dans presque toutes les applications impliquant des pièces mobiles. Ils sont couramment utilisés dans les industries du transport telles que l'aérospatiale et l'automobile, ainsi que dans l'industrie du jouet qui fabrique des articles tels que des fidget spinner et des planches à roulettes.

ÉVALUATION DE L'USURE DES ROULEMENTS À BILLES À DES CHARGES ÉLEVÉES

Les roulements à billes peuvent être fabriqués à partir d’une longue liste de matériaux. Les matériaux couramment utilisés vont des métaux comme l'acier inoxydable et l'acier chromé ou des céramiques comme le carbure de tungstène (WC) et le nitrure de silicium (Si3n4). Pour garantir que les roulements à billes fabriqués possèdent la résistance à l'usure requise, idéale pour les conditions d'application données, des évaluations tribologiques fiables sous des charges élevées sont nécessaires. Les tests tribologiques aident à quantifier et à comparer les comportements à l'usure de différents roulements à billes de manière contrôlée et surveillée afin de sélectionner le meilleur candidat pour l'application ciblée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous présentons un Nanovea Tribomètre comme l'outil idéal pour comparer la résistance à l'usure de différents roulements à billes sous des charges élevées.

Figure 1 : Configuration du test de roulement.

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement, COF, et la résistance à l'usure des roulements à billes fabriqués dans différents matériaux ont été évalués par un tribomètre Nanovea. Du papier de verre grain P100 a été utilisé comme matériau de comptoir. Les traces d'usure des roulements à billes ont été examinées à l'aide d'un Nanovea Profileur 3D sans contact après la fin des tests d'usure. Les paramètres de test sont résumés dans le tableau 1. Le taux d'usure, Ka été évaluée à l'aide de la formule K=V/(F×s)où V est le volume usé, F est la charge normale et s est la distance de glissement. Les cicatrices d'usure des billes ont été évaluées par un Nanovea Profileur 3D sans contact pour garantir une mesure précise du volume d'usure.
La fonction de positionnement radial motorisé automatisée permet au tribomètre de diminuer le rayon de la piste d'usure pendant la durée d'un test. Ce mode de test est appelé test en spirale et garantit que le roulement à billes glisse toujours sur une nouvelle surface du papier de verre (Figure 2). Il améliore considérablement la répétabilité du test de résistance à l’usure du ballon. L'encodeur avancé 20 bits pour le contrôle de vitesse interne et l'encodeur 16 bits pour le contrôle de position externe fournissent des informations précises sur la vitesse et la position en temps réel, permettant un ajustement continu de la vitesse de rotation pour obtenir une vitesse de glissement linéaire constante au niveau du contact.
Veuillez noter que le papier de verre P100 Grit a été utilisé pour simplifier le comportement à l'usure entre les différents matériaux de billes dans cette étude et peut être remplacé par n'importe quelle autre surface de matériau. N'importe quel matériau solide peut être remplacé pour simuler les performances d'une large gamme de raccords de matériaux dans des conditions d'application réelles, comme dans un liquide ou un lubrifiant.

Figure 2 : Illustration des passes en spirale du roulement à billes sur le papier de verre.

Tableau 1 : Paramètres d'essai des mesures d'usure.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Le taux d'usure est un facteur essentiel pour déterminer la durée de vie du roulement à billes, tandis qu'un faible COF est souhaitable pour améliorer les performances et l'efficacité du roulement. La figure 3 compare l'évolution du COF pour différents roulements à billes par rapport au papier de verre lors des tests. La bille en acier Cr présente un COF accru de ~0,4 lors du test d'usure, contre ~0,32 et ~0,28 pour les roulements à billes SS440 et Al2O3. En revanche, la boule WC présente un COF constant de ~0,2 tout au long du test d'usure. Une variation observable du COF peut être observée tout au long de chaque test, attribuée aux vibrations provoquées par le mouvement de glissement des roulements à billes contre la surface rugueuse du papier de verre.

Figure 3 : Evolution du COF lors des tests d'usure.

Les figures 4 et 5 comparent les cicatrices d'usure des roulements à billes après qu'elles ont été mesurées respectivement par un microscope optique et un profileur optique sans contact Nanovea, et le tableau 2 résume les résultats de l'analyse des traces d'usure. Le profileur Nanovea 3D détermine avec précision le volume d'usure des roulements à billes, permettant de calculer et de comparer les taux d'usure de différents roulements à billes. On peut observer que les billes en acier Cr et SS440 présentent des cicatrices d'usure aplaties beaucoup plus grandes que les billes en céramique, c'est-à-dire Al2O3 et WC après les tests d'usure. Les billes en acier Cr et SS440 ont des taux d'usure comparables de 3,7 × 10-3 et 3,2 × 10-3 m3/N m, respectivement. En comparaison, la bille Al2O3 présente une résistance à l’usure améliorée avec un taux d’usure de 7,2×10-4 m3/N·m. La boule WC présente à peine des rayures mineures sur la zone de piste d'usure peu profonde, ce qui entraîne un taux d'usure considérablement réduit de 3,3 × 10-6 mm3/N·m.

Figure 4 : Cicatrices d'usure des roulements à billes après les tests.

Figure 5 : Morphologie 3D des cicatrices d'usure sur les roulements à billes.

Tableau 2 : Analyse des cicatrices d'usure des roulements à billes.

La figure 6 montre des images au microscope des traces d'usure produites sur le papier de verre par les quatre roulements à billes. Il est évident que la boule WC produit la trace d'usure la plus sévère (éliminant presque toutes les particules de sable sur son passage) et possède la meilleure résistance à l'usure. En comparaison, les billes en acier Cr et SS440 ont laissé une grande quantité de débris métalliques sur la trace d'usure du papier de verre.
Ces observations démontrent en outre l’importance du bénéfice d’un test en spirale. Il garantit que le roulement à billes glisse toujours sur une nouvelle surface du papier de verre, ce qui améliore considérablement la répétabilité d'un test de résistance à l'usure.

Figure 6 : Usure des traces sur le papier de verre contre différents roulements à billes.

CONCLUSION

La résistance à l'usure des roulements à billes sous haute pression joue un rôle essentiel dans leurs performances en service. Les roulements à billes en céramique possèdent une résistance à l'usure considérablement améliorée dans des conditions de contraintes élevées et réduisent le temps et les coûts liés à la réparation ou au remplacement des roulements. Dans cette étude, le roulement à billes WC présente une résistance à l'usure nettement supérieure à celle des roulements en acier, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications de roulements soumises à une usure importante.
Un tribomètre Nanovea est conçu avec des capacités de couple élevées pour des charges allant jusqu'à 2 000 N et un moteur précis et contrôlé pour des vitesses de rotation de 0,01 à 15 000 tr/min. Il propose des tests d'usure et de frottement reproductibles en utilisant les modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM, avec des modules d'usure et de lubrification à haute température en option disponibles dans un système pré-intégré. Cette gamme inégalée permet aux utilisateurs de simuler différents environnements de travail sévères des roulements à billes, notamment des contraintes élevées, l'usure et des températures élevées, etc. Elle constitue également un outil idéal pour évaluer quantitativement les comportements tribologiques de matériaux supérieurs résistants à l'usure sous des charges élevées.
Un profileur 3D sans contact Nanovea fournit des mesures précises du volume d'usure et agit comme un outil pour analyser la morphologie détaillée des traces d'usure, fournissant ainsi des informations supplémentaires sur la compréhension fondamentale des mécanismes d'usure.

Préparé par
Duanjie Li, Ph.D., Jonathan Thomas et Pierre Leroux

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Produits

Profilomètres

PS50 - Compact avancé

JR25 - Portable Compact

JR100 - Portable à grande vitesse

ST400 - Standard modulaire

ST500 - Modulaire grande surface

AFM Pro - Gamme étendue

Contrôle de qualité en ligne - rugosité, texture et finition

Nanoindeurs et testeurs de rayures

CB500 - Compacte avancée

PB1000 - Grande plate-forme avancée

Systèmes Sous Vides

Tribomètres

T50 - Banc de musculation

T200 - Pneumatique Compact

T2000 - Pneumatique à forte charge

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

CR-8R - Épaisseur de la couche de cratérisation des billes

Systèmes Sous Vides

Services de laboratoire

Analyse de la profilométrie sans contact

Essais d'indentation et de rayure

Essais de frottement et d'usure

Topologie des surfaces et analyse chimique

Types de Solution

Profilométrie

Rugosité et finition

Géométrie et formes

Planéité et gauchissement

Volume et surface

Hauteur et épaisseur des marches

Texture et grain

Essais mécaniques

Indentation | Dureté et élasticité

Indentation | Contrainte et déformation

Indentation | Fluage et relaxation

Indentation | Perte et stockage

Indentation | Ténacité à la rupture

Indentation | Limite d'élasticité & Fatigue

Haute Température

Humidité

Le vide

Rayure | Défaillance adhesive

Rayure | Défaillance cohésive

Dureté par Rayure

Rayure | Usure multi-passages

Friction | Coefficient de friction

Basse températures

Liquide

Essais de tribologie

Linéaire

Rotation

Block on Ring

Ring on Ring

Test de rayure

Test de friction des freins

Haute Température

Basse températures

Corrosion

Liquide

Humidité et gaz inertes

Le vide

Applications

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Matériaux de construction

Produits de consommation

Dispositifs médicaux

Fabrication et usinage des métaux

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Optique

Peinture et revêtement

Pharmaceutique

Semi-conducteurs et électronique

Textiles, cuir et papier

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