Catégorie : Tests de laboratoire

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.

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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.

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Essai d'abrasivité des roches avec le tribomètre NANOVEA

TRIBOLOGIE DES ROCHES :TEST D'ABRASIVITÉ DES ROCHES À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE NANOVEA

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Les roches sont composées de grains de minéraux. Le type et l'abondance de ces minéraux, ainsi que la force de liaison chimique entre les grains minéraux, déterminent les propriétés mécaniques et tribologiques des roches. En fonction des cycles géologiques des roches, les roches peuvent subir des transformations et sont généralement classées en trois grands types : ignées, sédimentaires et métamorphiques. Ces roches présentent différentes compositions minérales et chimiques, perméabilités et tailles de particules, et ces caractéristiques contribuent à leur résistance à l'usure variée. La tribologie des roches explore les comportements d'usure et de friction des roches dans diverses conditions géologiques et environnementales.

IMPORTANCE DES ESSAIS D'ABRASION DES ROCHES

Divers types d'usure des roches, notamment l'abrasion et la friction, se produisent pendant le processus de forage des puits, entraînant d'importantes pertes directes et consécutives attribuées à la réparation et au remplacement des trépans et des outils de coupe. Par conséquent, l’étude de la forabilité, de la forabilité, de la découpabilité et de l’abrasivité des roches est essentielle dans les industries pétrolière, gazière et minière. La recherche en tribologie des roches joue un rôle central dans la sélection des stratégies de forage les plus efficaces et les plus rentables, améliorant ainsi l'efficacité globale et contribuant à la conservation des matériaux, de l'énergie et de l'environnement. De plus, minimiser le frottement de surface est très avantageux pour réduire l'interaction entre le trépan de forage et la roche, ce qui entraîne une diminution de l'usure de l'outil et une efficacité de forage/coupe améliorée.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons simulé et comparé les propriétés tribologiques de deux types de roches afin de mettre en évidence la capacité de la technologie de l'eau. Tribomètre NANOVEA T50 en mesurant le coefficient de frottement et le taux d'usure des roches de manière contrôlée et surveillée.

NANOVEA T50 Compact
Tribomètre à poids libre

LES ÉCHANTILLONS

PROCÉDURE DE TEST

Le coefficient de frottement, COF et la résistance à l'usure de deux échantillons de roche ont été évalués par le tribomètre NANOVEA T50 à l'aide du module d'usure Pin-on-Disc. Une bille d'Al2O3 (diamètre 6 mm) a été utilisée comme contre-matériau. La trace d'usure a été examinée à l'aide du profilomètre sans contact NANOVEA après les tests. Les paramètres de test sont résumés ci-dessous.

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

Veuillez noter que la bille Al2O3 comme matériau de comptoir a été utilisée comme exemple dans cette étude. N'importe quel matériau solide de formes différentes peut être appliqué à l'aide d'un dispositif personnalisé pour simuler la situation réelle de l'application.

PARAMÈTRES D'ESSAI

ÉCHANTILLONS	Calcaire, Marbre
RAYON DE L'ANNEAU D'USURE	5 mm
FORCE NORMALE	10 N
DURÉE DU TEST	10 minutes
VITESSE	100 tr/min

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La dureté (H) et le module élastique (E) des échantillons de calcaire et de marbre sont comparés dans la FIGURE 1, en utilisant le module Micro Indentation du testeur mécanique NANOVEA. L'échantillon de calcaire présentait des valeurs H et E inférieures, mesurant respectivement 0,53 et 25,9 GPa, contrairement au marbre, qui enregistrait des valeurs de 1,07 pour H et 49,6 GPa pour E. La variabilité relativement plus élevée des valeurs H et E observée dans le L'échantillon de calcaire peut être attribué à sa plus grande inhomogénéité de surface, provenant de ses caractéristiques granulées et poreuses.

L'évolution du COF lors des essais d'usure des deux échantillons de roche est représentée dans la FIGURE 2. Le calcaire connaît initialement une augmentation rapide du COF jusqu'à environ 0,8 au début de l'essai d'usure, maintenant cette valeur pendant toute la durée de l'essai. Ce changement brusque du COF peut être attribué à la pénétration de la bille d'Al2O3 dans l'échantillon de roche, résultant d'un processus rapide d'usure et de rugosité se produisant au niveau de la face de contact à l'intérieur de la piste d'usure. En revanche, l’échantillon de marbre présente une augmentation notable du COF jusqu’à des valeurs plus élevées après environ 5 mètres de distance de glissement, ce qui signifie sa résistance à l’usure supérieure à celle du calcaire.

FIGURE 1: Comparaison de la dureté et du module d'Young entre les échantillons de calcaire et de marbre.

FIGURE 2 : Evolution du Coefficient de Friction (COF) dans des échantillons de calcaire et de marbre lors d'essais d'usure.

La FIGURE 3 compare les profils en coupe transversale des échantillons de calcaire et de marbre après les tests d'usure, et le tableau 1 résume les résultats de l'analyse des traces d'usure. La FIGURE 4 montre les traces d'usure des échantillons au microscope optique. L'évaluation de la trace d'usure s'aligne sur l'observation de l'évolution du COF : l'échantillon de marbre, qui maintient un faible COF pendant une période plus longue, présente un taux d'usure inférieur de 0,0046 mm³/N·m, contre 0,0353 mm³/N·m pour le calcaire. Les propriétés mécaniques supérieures du marbre contribuent à sa meilleure résistance à l’usure que le calcaire.

FIGURE 3 : Profils en coupe des traces d'usure.

TABLEAU 1 : Résumé des résultats de l’analyse des traces d’usure.

FIGURE 4 : Traces d'usure au microscope optique.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons présenté la capacité du tribomètre NANOVEA à évaluer le coefficient de frottement et la résistance à l'usure de deux échantillons de roche, à savoir le marbre et le calcaire, de manière contrôlée et surveillée. Les propriétés mécaniques supérieures du marbre contribuent à sa résistance exceptionnelle à l’usure. Cette propriété rend difficile le forage ou la coupe dans l’industrie pétrolière et gazière. À l’inverse, il prolonge considérablement sa durée de vie lorsqu’il est utilisé comme matériau de construction de haute qualité, comme les carreaux de sol.

Les tribomètres NANOVEA offrent des capacités de test d'usure et de friction précises et reproductibles, conformes aux normes ISO et ASTM en modes rotatif et linéaire. De plus, il fournit des modules optionnels pour l'usure à haute température, la lubrification et la tribocorrosion, le tout parfaitement intégré dans un seul système. La gamme inégalée de NANOVEA est une solution idéale pour déterminer la gamme complète des propriétés tribologiques des revêtements, films, substrats fins ou épais, souples ou durs, et de la tribologie des roches.

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Analyse de surface grenaillée

ANALYSE DE SURFACE GRAPPEE

UTILISATION DU PROFILOMÈTRE 3D SANS CONTACT

Préparé par

CRAIG LEISING

INTRODUCTION

Le grenaillage est un processus dans lequel un substrat est bombardé avec des billes sphériques de métal, de verre ou de céramique - communément appelées "grenaille" - à une force destinée à induire une plasticité sur la surface. L'analyse des caractéristiques avant et après le grenaillage fournit des informations cruciales pour améliorer la compréhension et le contrôle du processus. La rugosité de la surface et la zone de couverture des fossettes laissées par le tir sont des aspects particulièrement intéressants.

Importance du profilomètre 3D sans contact pour l'analyse de surface grenaillée

Contrairement aux profilomètres à contact traditionnels, traditionnellement utilisés pour l'analyse des surfaces grenaillées, la mesure 3D sans contact fournit une image 3D complète pour offrir une compréhension plus complète de la zone de couverture et de la topographie de la surface. Sans fonctionnalités 3D, une inspection s’appuiera uniquement sur des informations 2D, insuffisantes pour caractériser une surface. Comprendre la topographie, la zone de couverture et la rugosité en 3D constitue la meilleure approche pour contrôler ou améliorer le processus de grenaillage. NANOVEA Profilomètres 3D sans contact utilise la technologie Chromatic Light avec une capacité unique à mesurer les angles abrupts trouvés sur les surfaces usinées et martelées. De plus, lorsque d'autres techniques ne parviennent pas à fournir des données fiables en raison du contact de la sonde, de la variation de la surface, de l'angle ou de la réflectivité, les profilomètres NANOVEA réussissent.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le profilomètre sans contact NANOVEA ST400 est utilisé pour mesurer la matière première et deux surfaces martelées différemment pour un examen comparatif. Il existe une liste interminable de paramètres de surface qui peuvent être calculés automatiquement après le scan de surface 3D. Ici, nous examinerons la surface 3D et sélectionnerons les zones d'intérêt pour une analyse plus approfondie, y compris la quantification et l'étude de la rugosité, des fossettes et de la surface.

NANOVEA ST400 Standard
Profilomètre optique 3D

L'ÉCHANTILLON

RÉSULTATS

SURFACE EN ACIER

ISO 25178 PARAMÈTRES DE RUGOSITÉ 3D

SA	0,399 μm	Rugosité moyenne
Sq	0,516 μm	Rugosité RMS
Sz	5,686 μm	Pic à vallée maximum
Sp	2,976 μm	Hauteur maximale du pic
Sv	2,711 μm	Profondeur maximale de la fosse
UGS	3.9344	Kurtosis
Ssk	-0.0113	Skewness
Sal	0,0028 millimètres	Longueur d'auto-corrélation
Str	0.0613	Rapport d'aspect des textures
Sdar	26,539 mm²	Superficie
Svk	0,589 μm	Profondeur réduite de la vallée

RÉSULTATS

SURFACE MARTELÉE 1

SURFACE COUVERTE 98.105%

ISO 25178 PARAMÈTRES DE RUGOSITÉ 3D

Sa	4.102 μm	Rugosité moyenne
Sq	5,153 μm	Rugosité RMS
Sz	44,975 μm	Pic à vallée maximum
Sp	24,332 μm	Hauteur maximale du pic
Sv	20,644 μm	Profondeur maximale de la fosse
UGS	3.0187	Kurtosis
Ssk	0.0625	Skewness
Sal	0,0976 mm	Longueur d'auto-corrélation
Str	0.9278	Rapport d'aspect des textures
Sdar	29,451 mm²	Superficie
Svk	5,008 μm	Profondeur réduite de la vallée

RÉSULTATS

SURFACE MARTELÉE 2

SURFACE COUVERTE 97.366%

ISO 25178 PARAMÈTRES DE RUGOSITÉ 3D

Sa	4.330 μm	Rugosité moyenne
Sq	5,455 μm	Rugosité RMS
Sz	54,013 μm	Pic à vallée maximum
Sp	25,908 μm	Hauteur maximale du pic
Sv	28.105 μm	Profondeur maximale de la fosse
UGS	3.0642	Kurtosis
Ssk	0.1108	Skewness
Sal	0,1034 mm	Longueur d'auto-corrélation
Str	0.9733	Rapport d'aspect des textures
Sdar	29,623 mm²	Superficie
Svk	5,167 μm	Profondeur réduite de la vallée

CONCLUSION

Dans cette application d'analyse de surface grenaillée, nous avons démontré comment le profileur 3D sans contact NANOVEA ST400 caractérise précisément à la fois la topographie et les détails nanométriques d'une surface grenaillée. Il est évident que la Surface 1 et la Surface 2 ont un impact significatif sur tous les paramètres rapportés ici par rapport à la matière première. Un simple examen visuel des images révèle les différences entre les surfaces. Ceci est encore confirmé en observant la zone de couverture et les paramètres énumérés. Par rapport à la surface 2, la surface 1 présente une rugosité moyenne inférieure (Sa), des bosses moins profondes (Sv) et une surface réduite (Sdar), mais une zone de couverture légèrement supérieure.

À partir de ces mesures de surface 3D, les zones d'intérêt peuvent être facilement identifiées et soumises à une gamme complète de mesures, y compris la rugosité, la finition, la texture, la forme, la topographie, la planéité, le gauchissement, la planéité, le volume, la hauteur de marche et autres. Une coupe 2D peut être rapidement choisie pour une analyse détaillée. Ces informations permettent une étude complète des surfaces grenaillées, en utilisant une gamme complète de ressources de mesure de surface. Des domaines d'intérêt spécifiques pourraient être examinés plus en détail avec un module AFM intégré. Les profilomètres 3D NANOVEA offrent des vitesses allant jusqu'à 200 mm/s. Ils peuvent être personnalisés en termes de taille, de vitesse, de capacités de numérisation et peuvent même être conformes aux normes de salle blanche de classe 1. Des options telles que le convoyeur d'indexation et l'intégration pour une utilisation en ligne ou en ligne sont également disponibles.

Nous remercions tout particulièrement M. Hayden, de l'IMF, pour nous avoir fourni l'échantillon présenté dans cette note. Industrial Metal Finishing Inc. | indmetfin.com

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Morphologie de la surface de la peinture

MORPHOLOGIE DE LA SURFACE DE PEINTURE

SUIVI AUTOMATISÉ DE L'ÉVOLUTION EN TEMPS RÉEL
UTILISATION DU PROFILOMÈTRE 3D NANOVEA

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Les propriétés protectrices et décoratives de la peinture jouent un rôle important dans une variété d'industries, y compris l'automobile, la marine, l'armée et la construction. Pour obtenir les propriétés souhaitées, telles que la résistance à la corrosion, la protection contre les UV et la résistance à l'abrasion, les formules et les architectures de peinture sont soigneusement analysées, modifiées et optimisées.

IMPORTANCE DU PROFILOMÈTRE 3D SANS CONTACT POUR L'ANALYSE DE LA MORPHOLOGIE DE LA SURFACE DE LA PEINTURE SÉCHANTE

La peinture est généralement appliquée sous forme liquide et subit un processus de séchage, qui implique l'évaporation des solvants et la transformation de la peinture liquide en un film solide. Au cours du processus de séchage, la surface de la peinture change progressivement de forme et de texture. Différentes finitions et textures de surface peuvent être développées en utilisant des additifs pour modifier la tension de surface et les propriétés d'écoulement de la peinture. Cependant, dans le cas d'une recette de peinture mal formulée ou d'un traitement de surface inapproprié, des défaillances indésirables de la surface de peinture peuvent se produire.

Une surveillance précise in situ de la morphologie de la surface de la peinture pendant la période de séchage peut fournir un aperçu direct du mécanisme de séchage. De plus, l’évolution en temps réel des morphologies de surface constitue une information très utile dans diverses applications, comme l’impression 3D. La NANOVÉA Profilomètres 3D sans contact mesurer la morphologie de la surface de la peinture des matériaux sans toucher l'échantillon, en évitant toute altération de forme qui pourrait être provoquée par des technologies de contact telles qu'un stylet coulissant.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le profilomètre sans contact NANOVEA ST500, équipé d'un capteur optique de ligne à grande vitesse, est utilisé pour surveiller la morphologie de la surface de la peinture pendant sa période de séchage d'une heure. Nous présentons la capacité du profilomètre sans contact NANOVEA à fournir une mesure de profil 3D automatisée en temps réel des matériaux avec un changement de forme continu.

NANOVEA ST500 Grande surface
Profilomètre optique 3D

RÉSULTATS ET DISCUSSION

La peinture a été appliquée sur la surface d'une tôle, suivie immédiatement de mesures automatisées de l'évolution morphologique de la peinture en séchage in situ à l'aide du profilomètre sans contact NANOVEA ST500 équipé d'un capteur de ligne à grande vitesse. Une macro avait été programmée pour mesurer et enregistrer automatiquement la morphologie de la surface 3D à des intervalles de temps spécifiques : 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 et 60 min. Cette procédure d'analyse automatisée permet aux utilisateurs d'effectuer automatiquement des tâches d'analyse en exécutant des procédures définies dans l'ordre, ce qui réduit considérablement les efforts, le temps et les éventuelles erreurs de l'utilisateur par rapport aux tests manuels ou aux analyses répétées. Cette automatisation s'avère extrêmement utile pour les mesures à long terme impliquant plusieurs balayages à différents intervalles de temps.

Le capteur de ligne optique génère une ligne lumineuse composée de 192 points, comme illustré à la FIGURE 1. Ces 192 points lumineux balayent simultanément la surface de l'échantillon, ce qui augmente considérablement la vitesse de balayage. Cela garantit que chaque scan 3D est terminé rapidement pour éviter des changements de surface substantiels lors de chaque scan individuel.

FIGURE 1: Capteur de ligne optique balayant la surface de la peinture en cours de séchage.

La vue en fausses couleurs, la vue 3D et le profil 2D de la topographie de la peinture de séchage à des moments représentatifs sont illustrés sur la FIGURE 2, la FIGURE 3 et la FIGURE 4, respectivement. La fausse couleur dans les images facilite la détection de caractéristiques qui ne sont pas facilement discernables. Différentes couleurs représentent les variations de hauteur sur différentes zones de la surface de l'échantillon. La vue 3D offre aux utilisateurs un outil idéal pour observer la surface de la peinture sous différents angles. Au cours des 30 premières minutes du test, les fausses couleurs sur la surface de la peinture passent progressivement de tons plus chauds à des tons plus froids, indiquant une diminution progressive de la hauteur au fil du temps au cours de cette période. Ce processus ralentit, comme le montre le léger changement de couleur lors de la comparaison de la peinture à 30 et 60 minutes.

La hauteur moyenne de l'échantillon et les valeurs de rugosité Sa en fonction du temps de séchage de la peinture sont tracées à la FIGURE 5. L'analyse complète de la rugosité de la peinture après 0, 30 et 60 min de temps de séchage est répertoriée dans le TABLEAU 1. On peut observer que la hauteur moyenne de la surface de la peinture diminue rapidement de 471 à 329 µm au cours des 30 premières minutes de temps de séchage. La texture de surface se développe en même temps que le solvant se vaporise, conduisant à une augmentation de la valeur de rugosité Sa de 7,19 à 22,6 µm. Le processus de séchage de la peinture ralentit par la suite, entraînant une diminution progressive de la hauteur de l'échantillon et de la valeur Sa à 317 µm et 19,6 µm, respectivement, à 60 min.

Cette étude met en évidence les capacités du profilomètre 3D sans contact NANOVEA à surveiller les changements de surface 3D de la peinture en cours de séchage en temps réel, fournissant des informations précieuses sur le processus de séchage de la peinture. En mesurant la morphologie de la surface sans toucher l'échantillon, le profilomètre évite d'introduire des altérations de forme dans la peinture non séchée, ce qui peut se produire avec des technologies de contact comme le stylet coulissant. Cette approche sans contact garantit une analyse précise et fiable de la morphologie de la surface de séchage de la peinture.

FIGURE 2 : Évolution de la morphologie de la surface de séchage de la peinture à différents moments.

FIGURE 3 : Vue 3D de l'évolution de la surface de la peinture à différents temps de séchage.

FIGURE 4 : Profil 2D sur l'échantillon de peinture après différents temps de séchage.

FIGURE 5 : Évolution de la hauteur moyenne de l'échantillon et de la valeur de rugosité Sa en fonction du temps de séchage de la peinture.

ISO 25178 - Paramètres de texture de surface

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

TABLEAU 1 : Rugosité de la peinture à différents temps de séchage.

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons présenté les capacités du profilomètre 3D sans contact NANOVEA ST500 pour surveiller l'évolution de la morphologie de la surface de la peinture pendant le processus de séchage. Le capteur de ligne optique à grande vitesse, générant une ligne avec 192 points lumineux qui balayent simultanément la surface de l'échantillon, a rendu l'étude rapide tout en garantissant une précision inégalée.

La fonction macro du logiciel d'acquisition permet de programmer des mesures automatisées de la morphologie de surface 3D in situ, ce qui la rend particulièrement utile pour les mesures à long terme impliquant plusieurs balayages à des intervalles de temps cibles spécifiques. Cela réduit considérablement le temps, les efforts et le potentiel d'erreurs de l'utilisateur. Les changements progressifs de la morphologie de la surface sont surveillés en continu et enregistrés en temps réel au fur et à mesure que la peinture sèche, fournissant des informations précieuses sur le mécanisme de séchage de la peinture.

Les données présentées ici ne représentent qu'une fraction des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse. Les profilomètres NANOVEA sont capables de mesurer pratiquement n'importe quelle surface, qu'elle soit transparente, sombre, réfléchissante ou opaque.

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Test d'usure du revêtement PTFE

TEST D'USURE DU REVÊTEMENT PTFE

UTILISATION DU TRIBOMETRE ET DU TESTEUR MECANIQUE

Préparé par

DUANJIE LI, PhD

INTRODUCTION

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE), communément appelé Téflon, est un polymère doté d'un coefficient de frottement (COF) exceptionnellement bas et d'une excellente résistance à l'usure, en fonction des charges appliquées. Le PTFE présente une inertie chimique supérieure, un point de fusion élevé de 327 °C (620 °F) et maintient une résistance, une ténacité et une autolubrification élevées à basses températures. La résistance exceptionnelle à l'usure des revêtements PTFE les rend très recherchés dans un large éventail d'applications industrielles, telles que l'automobile, l'aérospatiale, le médical et, notamment, les ustensiles de cuisine.

IMPORTANCE DE L'ÉVALUATION QUANTITATIVE DES REVÊTEMENTS PTFE

La combinaison d'un très faible coefficient de frottement (COF), d'une excellente résistance à l'usure et d'une inertie chimique exceptionnelle à des températures élevées fait du PTFE un choix idéal pour les revêtements de casseroles antiadhésifs. Pour améliorer encore ses processus mécaniques pendant la R&D, ainsi que pour assurer un contrôle optimal de la prévention des dysfonctionnements et des mesures de sécurité dans le processus de contrôle qualité, il est crucial de disposer d'une technique fiable d'évaluation quantitative des processus tribomécaniques des revêtements PTFE. Un contrôle précis du frottement de surface, de l'usure et de l'adhérence des revêtements est essentiel pour garantir les performances prévues.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le processus d'usure d'un revêtement PTFE pour une poêle antiadhésive est simulé à l'aide du tribomètre NANOVEA en mode linéaire alternatif.

NANOVEA T50 Compact
Tribomètre à poids libre

De plus, le testeur mécanique NANOVEA a été utilisé pour effectuer un test d'adhérence aux micro-rayures afin de déterminer la charge critique de la défaillance de l'adhérence du revêtement PTFE.

NANOVEA PB1000 Grande plate-forme Testeur Méchanique

PROCÉDURE DE TEST

TEST D'USURE

USURE LINÉAIRE ALTERNATIVE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Le comportement tribologique de l'échantillon de revêtement PTFE, y compris le coefficient de frottement (COF) et la résistance à l'usure, a été évalué à l'aide du test NANOVEA. Tribomètre en mode alternatif linéaire. Une pointe sphérique en acier inoxydable 440 d'un diamètre de 3 mm (grade 100) a été utilisée contre le revêtement. Le COF a été surveillé en permanence pendant le test d'usure du revêtement PTFE.

Le taux d'usure, K, a été calculé à l'aide de la formule K=V/(F×s)=A/(F×n), où V représente le volume usé, F est la charge normale, s est la distance de glissement, A est la surface de la section transversale de la piste d'usure, et n est le nombre de courses. Les profils de traces d'usure ont été évalués à l'aide du NANOVEA Profilomètre optique, et la morphologie des traces d'usure a été examinée à l'aide d'un microscope optique.

PARAMÈTRES DES ESSAIS D'USURE

CHARGE	30 N
DURÉE DU TEST	5 minutes
TAUX GLISSANT	80 tr/min
AMPLITUDE DE PISTE	8 millimètres
RÉVOLUTIONS	300
DIAMÈTRE DE LA BOULE	3 mm
MATÉRIAU DE LA BOULE	Acier inoxydable 440
LUBRIFIANT	Aucun
ATMOSPHÈRE	Air
TEMPÉRATURE	230C (TA)
HUMIDITÉ	43%

PROCÉDURE DE TEST

TEST D'ÉRAFLURE

TEST D'ADHÉRENCE MICRO SCRATCH À L'AIDE D'UN TESTEUR MÉCANIQUE

La mesure de l'adhérence des rayures du PTFE a été réalisée à l'aide du NANOVEA Testeur Méchanique avec un stylet diamant 1200 Rockwell C (rayon de 200 μm) en mode Micro Scratch Tester.

Afin d'assurer la reproductibilité des résultats, trois tests ont été réalisés dans des conditions de test identiques.

PARAMÈTRES DE L'ESSAI DE GRATTAGE

TYPE DE CHARGE	Progressif
CHARGE INITIALE	0,01 mN
CHARGE FINALE	20 mN
TAUX DE CHARGEMENT	40 mN/min
LONGUEUR DU GRATTAGE	3 mm
VITESSE DE SCRATCHAGE, dx/dt	6.0 mm/min
GÉOMÉTRIE DU PÉNÉTRATEUR	120o Rockwell C
MATÉRIAU DE L'INDENTATEUR (pointe)	Diamant
RAYON DE LA POINTE DU PÉNÉTRATEUR	200 μm

RÉSULTATS ET DISCUSSION

USURE LINÉAIRE ALTERNATIVE À L'AIDE D'UN TRIBOMÈTRE

Le COF enregistré in situ est présenté dans la FIGURE 1. L'échantillon de test présentait un COF d'environ 0,18 au cours des 130 premiers tours, en raison de la faible adhérence du PTFE. Cependant, il y a eu une augmentation soudaine du COF jusqu’à environ 1 une fois que le revêtement a percé, révélant le substrat situé en dessous. Suite aux essais linéaires alternatifs, le profil de la trace d'usure a été mesuré à l'aide du NANOVEA Profilomètre optique sans contact, comme le montre la FIGURE 2. À partir des données obtenues, le taux d'usure correspondant a été calculé comme étant d'environ 2,78 × 10-3 mm3/Nm, tandis que la profondeur de la trace d'usure a été déterminée comme étant de 44,94 µm.

Configuration du test d'usure du revêtement PTFE sur le tribomètre NANOVEA T50.

FIGURE 1: Évolution du COF lors du test d'usure du revêtement PTFE.

FIGURE 2 : Extraction de proﬁl de piste d'usure PTFE.

PTFE Avant percée

Max COF	0.217
Min COF	0.125
CAF moyen	0.177

PTFE Après percée

Max COF	0.217
Min COF	0.125
CAF moyen	0.177

TABLEAU 1 : COF avant et après percée lors du test d'usure.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

TEST D'ADHÉRENCE MICRO SCRATCH À L'AIDE D'UN TESTEUR MÉCANIQUE

L'adhérence du revêtement PTFE au substrat est mesurée à l'aide de tests de rayure avec un stylet en diamant de 200 µm. La micrographie est illustrée à la FIGURE 3 et à la FIGURE 4, Évolution du COF et de la profondeur de pénétration à la FIGURE 5. Les résultats du test de rayure du revêtement PTFE sont résumés dans le TABLEAU 4. Au fur et à mesure que la charge sur le stylet en diamant augmentait, il pénétrait progressivement dans le revêtement, entraînant une augmentation du COF. Lorsqu'une charge d'environ 8,5 N a été atteinte, la percée du revêtement et l'exposition du substrat se sont produites sous haute pression, conduisant à un COF élevé d'environ 0,3. Le faible St Dev indiqué dans le TABLEAU 2 démontre la répétabilité du test de rayure du revêtement PTFE effectué à l'aide du testeur mécanique NANOVEA.

FIGURE 3 : Micrographie de la rayure complète sur PTFE (10X).

FIGURE 4 : Micrographie de la rayure complète sur PTFE (10X).

FIGURE 5 : Graphique de frottement montrant la ligne du point de rupture critique pour le PTFE.

*Test de rayure.*	*Point de défaillance [N]*	*Force de frottement [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
Moyenne	8.52	2.47	0.297
St dev	0.17	0.16	0.012

TABLEAU 2 : Résumé de la charge critique, de la force de friction et du COF lors du test de rayure.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons réalisé une simulation du processus d'usure d'un revêtement PTFE pour casseroles antiadhésives à l'aide du tribomètre NANOVEA T50 en mode linéaire alternatif. Le revêtement PTFE présentait un faible COF d'environ 0,18, le revêtement a connu une percée à environ 130 tours. L'évaluation quantitative de l'adhérence du revêtement PTFE au substrat métallique a été réalisée à l'aide du testeur mécanique NANOVEA qui a déterminé que la charge critique de l'échec de l'adhérence du revêtement était d'environ 8,5 N dans ce test.

Les tribomètres NANOVEA offrent des capacités de test d'usure et de frottement précises et reproductibles en utilisant les modes rotatifs et linéaires conformes aux normes ISO et ASTM. Ils fournissent des modules optionnels pour l'usure à haute température, la lubrification et la tribocorrosion, tous intégrés dans un système unique. Cette polyvalence permet aux utilisateurs de simuler avec plus de précision des environnements d'application réels et de mieux comprendre les mécanismes d'usure et les propriétés tribologiques de diﬀérents matériaux.

Les testeurs mécaniques NANOVEA proposent des modules Nano, Micro et Macro, chacun comprenant des modes de test d'indentation, de rayure et d'usure conformes aux normes ISO et ASTM, offrant la gamme de capacités de test la plus large et la plus conviviale disponible dans un seul système.

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Cartographie de l'usure progressive des revêtements de sol à l'aide d'un tribomètre

Essai d'usure des revêtements de sol

Cartographie progressive de l'usure des revêtements de sol à l'aide d'un tribomètre avec profilomètre intégré

Préparé par

FRANK LIU

INTRODUCTION

Les matériaux de revêtement de sol sont conçus pour être durables, mais ils subissent souvent l'usure due aux activités quotidiennes telles que les déplacements et l'utilisation des meubles. Pour garantir leur longévité, la plupart des types de revêtements de sol sont dotés d'une couche d'usure protectrice qui résiste aux dommages. Cependant, l'épaisseur et la durabilité de la couche d'usure varient en fonction du type de revêtement de sol et du niveau de circulation piétonnière. De plus, les différentes couches de la structure du revêtement de sol, telles que les revêtements UV, les couches décoratives et les vernis, ont des taux d'usure variables. C'est là qu'intervient la cartographie de l'usure progressive. En utilisant le tribomètre NANOVEA T2000 avec un Profilomètre 3D sans contact, une surveillance et une analyse précises des performances et de la longévité des matériaux de revêtement de sol peuvent être effectuées. En fournissant des informations détaillées sur le comportement à l'usure de divers matériaux de revêtement de sol, les scientifiques et les professionnels techniques peuvent prendre des décisions plus éclairées lors de la sélection et de la conception de nouveaux systèmes de revêtement de sol.

IMPORTANCE DE LA CARTOGRAPHIE DE L'USURE PROGRESSIVE POUR LES PANNEAUX DE SOL

Les essais de revêtements de sol sont traditionnellement axés sur le taux d'usure d'un échantillon pour déterminer sa résistance à l'usure. Cependant, la cartographie de l'usure progressive permet d'analyser le taux d'usure de l'échantillon tout au long du test, ce qui fournit des informations précieuses sur le comportement de l'échantillon face à l'usure. Cette analyse approfondie permet d'établir des corrélations entre les données de frottement et le taux d'usure, ce qui permet d'identifier les causes profondes de l'usure. Il convient de noter que les taux d'usure ne sont pas constants tout au long des essais d'usure. Ainsi, l'observation de la progression de l'usure donne une évaluation plus précise de l'usure de l'échantillon. Dépassant les méthodes d'essai traditionnelles, l'adoption de la cartographie de l'usure progressive a contribué à des avancées significatives dans le domaine des essais de revêtements de sol.

Le tribomètre NANOVEA T2000 avec profilomètre 3D sans contact intégré est une solution révolutionnaire pour les tests d'usure et les mesures de perte de volume. Sa capacité à se déplacer avec précision entre la goupille et le profilomètre garantit la fiabilité des résultats en éliminant tout écart de rayon ou d'emplacement des traces d'usure. Mais ce n'est pas tout : les capacités avancées du profilomètre 3D sans contact permettent des mesures de surface à grande vitesse, réduisant le temps de numérisation à quelques secondes seulement. Avec la capacité d'appliquer des charges allant jusqu'à 2 000 N et d'atteindre des vitesses d'essorage allant jusqu'à 5 000 tr/min, le NANOVEA T2000 Tribomètre offre polyvalence et précision dans le processus d’évaluation. Il est clair que cet équipement joue un rôle essentiel dans la cartographie de l'usure progressive.

FIGURE 1: Montage de l'échantillon avant l'essai d'usure (à gauche) et profilométrie de la piste d'usure après l'essai d'usure (à droite).

OBJECTIF DE MESURE

Des tests de cartographie d'usure progressive ont été réalisés sur deux types de revêtements de sol : la pierre et le bois. Chaque échantillon a subi un total de 7 cycles de test, avec des durées de test croissantes de 2, 4, 8, 20, 40, 60 et 120 s, permettant une comparaison de l'usure dans le temps. Après chaque cycle d'essai, la piste d'usure a été profilée à l'aide du profilomètre sans contact NANOVEA 3D. À partir des données recueillies par le profileur, le volume du trou et le taux d'usure peuvent être analysés à l'aide des fonctions intégrées dans le logiciel NANOVEA Tribometer ou dans notre logiciel d'analyse de surface, Mountains.

NANOVEA T2000 Haute charge
Tribomètre pneumatique

LES ÉCHANTILLONS

PARAMÈTRES DE L'ESSAI DE CARTOGRAPHIE DE L'USURE

CHARGE	40 N
DURÉE DU TEST	varie
VITESSE	200 tr/min
RADIUS	10 mm
DISTANCE	varie
MATÉRIAU DE LA BOULE	Carbure de tungstène
DIAMÈTRE DE LA BOULE	10 mm

Les durées d'essai utilisées au cours des 7 cycles étaient les suivantes 2, 4, 8, 20, 40, 60 et 120 secondesrespectivement. Les distances parcourues étaient les suivantes 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 et 25,11 mètres.

RÉSULTATS DE LA CARTOGRAPHIE DE L'USURE

Parquet

*Cycle d'essai*	*Max COF*	*Min COF*	*Avg. COF*
1	0.335	0.124	0.275
2	0.337	0.207	0.295
3	0.380	0.229	0.329
4	0.393	0.265	0.354
5	0.352	0.205	0.314
6	0.345	0.199	0.312
7	0.315	0.211	0.293

ORIENTATION RADIALE

*Cycle d'essai*	*Perte totale de volume (µm3)*	Distance totale Parcouru (m)	Taux d'usure (mm/Nm) x10^-5	Taux d'usure instantané (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

FIGURE 2 : Taux d'usure en fonction de la distance totale parcourue (gauche)
et taux d'usure instantanée en fonction du cycle d'essai (à droite) pour les revêtements de sol en bois.

FIGURE 3 : Graphique COF et vue 3D de la trace d'usure de l'essai #7 sur un revêtement de sol en bois.

FIGURE 4 : Analyse transversale de la piste d'usure en bois de l'essai #7

FIGURE 5 : Analyse du volume et de la surface de la trace d'usure sur l'échantillon de bois Test #7.

Pour connaître tous les résultats, cliquez ici.

RÉSULTATS DE LA CARTOGRAPHIE DE L'USURE

Sol en pierre

*Cycle d'essai*	*Max COF*	*Min COF*	*Avg. COF*
1	0.249	0.035	0.186
2	0.349	0.197	0.275
3	0.294	0.154	0.221
4	0.503	0.124	0.273
5	0.548	0.106	0.390
6	0.510	0.129	0.434
7	0.527	0.181	0.472

ORIENTATION RADIALE

*Cycle d'essai*	*Perte totale de volume (µm3)*	Distance totale Parcouru (m)	Taux d'usure (mm/Nm) x10^-5	Taux d'usure instantané (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

FIGURE 6 : Taux d'usure en fonction de la distance totale parcourue (gauche)
et taux d'usure instantané en fonction du cycle d'essai (à droite) pour un revêtement de sol en pierre.

FIGURE 7 : Graphique COF et vue 3D de la piste d'usure de l'essai #7 sur un revêtement de sol en pierre.

FIGURE 8 : Analyse transversale de la piste d'usure en pierre de l'essai #7.

FIGURE 9 : Analyse du volume et de la surface des traces d'usure sur l'échantillon de pierre #7.

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DISCUSSION

Le taux d'usure instantané est calculé à l'aide de l'équation suivante :

Où V est le volume d'un trou, N est la charge et X est la distance totale, cette équation décrit le taux d'usure entre les cycles d'essai. Le taux d'usure instantané peut être utilisé pour mieux identifier les changements du taux d'usure tout au long de l'essai.

Les deux échantillons ont des comportements d'usure très différents. Au fil du temps, le revêtement de sol en bois commence par présenter un taux d'usure élevé, mais diminue rapidement pour atteindre une valeur plus faible et stable. Pour le revêtement de sol en pierre, le taux d'usure semble commencer par une valeur faible et tendre vers une valeur plus élevée au fil des cycles. Le taux d'usure instantané est également peu cohérent. La raison spécifique de cette différence n'est pas certaine, mais elle peut être due à la structure des échantillons. Le revêtement de sol en pierre semble être constitué de particules lâches ressemblant à des grains, qui s'useraient différemment par rapport à la structure compacte du bois. Des tests et des recherches supplémentaires seraient nécessaires pour déterminer la cause de ce comportement d'usure.

Les données relatives au coefficient de frottement (COF) semblent correspondre au comportement d'usure observé. Le graphique du COF pour le revêtement de sol en bois semble cohérent tout au long des cycles, complétant son taux d'usure régulier. Pour le revêtement de sol en pierre, le COF moyen augmente tout au long des cycles, de la même manière que le taux d'usure augmente également avec les cycles. On observe également des changements apparents dans la forme des graphiques de frottement, ce qui suggère des changements dans la manière dont la bille interagit avec l'échantillon de pierre. Ces changements sont particulièrement visibles dans les cycles 2 et 4.

CONCLUSION

Le tribomètre NANOVEA T2000 démontre sa capacité à réaliser une cartographie de l'usure progressive en analysant le taux d'usure entre deux échantillons de revêtements de sol différents. La pause du test d'usure continue et le balayage de la surface avec le profilomètre sans contact NANOVEA 3D fournissent des informations précieuses sur le comportement d'usure du matériau au fil du temps.

Le tribomètre NANOVEA T2000 avec le profilomètre 3D sans contact intégré fournit une grande variété de données, y compris les données COF (coefficient de frottement), les mesures de surface, les relevés de profondeur, la visualisation de la surface, la perte de volume, le taux d'usure, et bien plus encore. Cet ensemble complet d'informations permet aux utilisateurs de mieux comprendre les interactions entre le système et l'échantillon. Avec son chargement contrôlé, sa haute précision, sa facilité d'utilisation, son chargement élevé, sa large plage de vitesse et ses modules environnementaux supplémentaires, le tribomètre NANOVEA T2000 fait passer la tribologie au niveau supérieur.

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Analyse mécanique dynamique du liège par nanoindentation

ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE

DU LIÈGE PAR NANOINDENTATION

Préparé par

FRANK LIU

INTRODUCTION

L'analyse mécanique dynamique (DMA) est une technique puissante utilisée pour étudier les propriétés mécaniques des matériaux. Dans cette application, nous nous concentrons sur l'analyse du liège, un matériau largement utilisé dans les processus de scellage et de vieillissement du vin. Le liège, obtenu à partir de l'écorce du chêne Quercus suber, présente des structures cellulaires distinctes qui lui confèrent des propriétés mécaniques semblables à celles des polymères synthétiques. Dans un axe, le liège a une structure en nid d'abeille. Les deux autres axes sont structurés en de multiples prismes rectangulaires. Cela confère au liège des propriétés mécaniques diﬀérentes en fonction de l'orientation testée.

IMPORTANCE DES ESSAIS D'ANALYSE MÉCANIQUE DYNAMIQUE (AMD) DANS L'ÉVALUATION DES PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DU LIÈGE

La qualité des bouchons dépend en grande partie de leurs propriétés mécaniques et physiques, qui sont cruciales pour leur eﬀectivité dans le bouchage du vin. Les facteurs clés qui déterminent la qualité du liège sont la ﬂexibilité, l'isolation, la résilience et l'imperméabilité aux gaz et aux liquides. En utilisant l'analyse mécanique dynamique (DMA), nous pouvons évaluer quantitativement les propriétés de ﬂexibilité et de résilience des bouchons, fournissant ainsi une méthode d'évaluation fiable.

L'appareil d'essai mécanique NANOVEA PB1000 dans le secteur de l'agriculture et de l'élevage. Nanoindentation permet de caractériser ces propriétés, en particulier le module de Young, le module de stockage, le module de perte et le tan delta (tan (δ)). Les essais DMA permettent également de recueillir des données précieuses sur le déphasage, la dureté, la contrainte et la déformation du matériau liège. Ces analyses complètes nous permettent de mieux comprendre le comportement mécanique des bouchons et leur adéquation aux applications de bouchage du vin.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, nous avons effectué une analyse mécanique dynamique (DMA) sur quatre bouchons de liège en utilisant le testeur mécanique NANOVEA PB1000 en mode nanoindentation. La qualité des bouchons de liège est étiquetée comme suit : 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colm : 1 - Flor, 2 - Premier, 3 - Colmaté, 4 - Caoutchouc synthétique. Des tests d'indentation DMA ont été effectués dans les directions axiale et radiale pour chaque bouchon de liège. En analysant la réponse mécanique des bouchons de liège, nous avons cherché à comprendre leur comportement dynamique et à évaluer leurs performances dans des orientations différentes.

NANOVEA

PB1000

PARAMÈTRES D'ESSAI

FORCE MAXIMALE	75 mN
TAUX DE CHARGEMENT	150 mN/min
TAUX DE DÉCHARGEMENT	150 mN/min
AMPLITUDE	5 mN
FRÉQUENCE	1 Hz
CREEP	60 s

type de pénétrateur

Boule

51200 Acier

3 mm de diamètre

RÉSULTATS

Dans les tableaux et les graphiques ci-dessous, le module de Young, le module de stockage, le module de perte et le tan delta sont comparés entre chaque échantillon et chaque orientation.

Module d'Young : Stiﬀness ; des valeurs élevées indiquent la stiﬀ, des valeurs faibles indiquent la ﬂexibilité.

Module de stockage : Réponse élastique ; énergie stockée dans le matériau.

Module de perte : Réponse visqueuse ; perte d'énergie due à la chaleur.

Tan (δ) : Amortissement ; des valeurs élevées indiquent un amortissement plus important.

ORIENTATION AXIALE

*Bouchon*	*MODULE DE YOUNG*	*MODULE DE STOCKAGE*	*MODULE DE PERTE*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	22.5675	22.27209	3.624947	0.162964
2	18.54664	18.27153	3.162349	0.17409
3	23.75381	23.47267	3.617819	0.154592
4	23.6972	23.58064	2.347008	0.099539

ORIENTATION RADIALE

*Bouchon*	*MODULE DE YOUNG*	*MODULE DE STOCKAGE*	*MODULE DE PERTE*	*TAN*
#	*(MPa)*	*(MPa)*	*(MPa)*	*(δ)*
1	24.78863	24.56542	3.308224	0.134865
2	26.66614	26.31739	4.286216	0.163006
3	44.07867	43.61426	6.365979	0.146033
4	28.04751	27.94148	2.435978	0.087173

MODULE DE YOUNG

MODULE DE STOCKAGE

MODULE DE PERTE

TAN DELTA

Entre les bouchons, le module de Young n'est pas très différent lorsqu'il est testé dans l'orientation axiale. Seuls les bouchons #2 et #3 présentent une différence apparente de module d'Young entre la direction radiale et la direction axiale. Par conséquent, le module de stockage et le module de perte seront également plus élevés dans la direction radiale que dans la direction axiale. Le bouchon #4 présente des caractéristiques similaires à celles des bouchons en liège naturel, à l'exception du module de perte. Ceci est très intéressant car cela signifie que le liège naturel a une propriété plus visqueuse que le caoutchouc synthétique.

CONCLUSION

La NANOVÉA Testeur Méchanique en mode Nano Scratch Tester, il permet de simuler de nombreuses défaillances réelles des revêtements de peinture et des couches dures. En appliquant des charges croissantes de manière contrôlée et étroitement surveillée, l'instrument permet d'identifier à quel moment les défaillances de charge se produisent. Cela peut ensuite être utilisé pour déterminer des valeurs quantitatives de résistance aux rayures. Le revêtement testé, sans altération, est connu pour présenter une première fissure vers 22 mN. Avec des valeurs plus proches de 5 mN, il est clair que le passage de 7 ans a dégradé la peinture.

La compensation du profil original permet d'obtenir une profondeur corrigée pendant la rayure et de mesurer la profondeur résiduelle après la rayure. Cela donne des informations supplémentaires sur le comportement plastique ou élastique du revêtement sous l'effet d'une charge croissante. La fissuration et les informations sur la déformation peuvent être très utiles pour améliorer la couche dure. Les écarts types très faibles montrent également la reproductibilité de la technique de l'instrument, ce qui peut aider les fabricants à améliorer la qualité de leur couche dure/peinture et à étudier les eﬀets des intempéries.

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Nano Scratch & Mar Testing of Paint on Metal Substrate (Essais de rayures et de marques sur des substrats métalliques)

Nano Scratch & Mar Testing

de la peinture sur le substrat métallique

Préparé par

SUSANA CABELLO

INTRODUCTION

La peinture, avec ou sans couche dure, est l'un des revêtements les plus couramment utilisés. On la trouve sur les voitures, les murs, les appareils électroménagers et pratiquement tout ce qui a besoin d'un revêtement protecteur ou simplement à des fins esthétiques. Les peintures destinées à protéger le support sous-jacent contiennent souvent des produits chimiques qui empêchent la peinture de s'enflammer ou simplement de perdre sa couleur ou de se craqueler. Souvent, la peinture utilisée à des fins esthétiques est disponible en différentes couleurs, mais elle n'est pas nécessairement destinée à la protection du support ou à une longue durée de vie.

Néanmoins, toutes les peintures subissent des altérations au fil du temps. Les intempéries peuvent souvent modifier les propriétés de la peinture par rapport à ce que les fabricants avaient prévu. Elle peut s'écailler plus rapidement, se décoller à la chaleur, perdre sa couleur ou se fissurer. Les diﬀérents changements de propriétés de la peinture au fil du temps expliquent pourquoi les fabricants oﬀrent un si large choix. Les peintures sont conçues pour répondre aux différentes exigences des clients.

L'IMPORTANCE DES ESSAIS PAR NANO-RAYURES POUR LE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

L'une des principales préoccupations des fabricants de peinture est la capacité de leur produit à résister aux craquelures. Lorsque la peinture commence à se craqueler, elle ne protège plus le support sur lequel elle a été appliquée et ne satisfait donc plus le client. Par exemple, si une branche frappe le côté d'une voiture et que la peinture commence immédiatement à s'écailler, les fabricants de peinture perdront des clients en raison de la mauvaise qualité de leur peinture. La qualité de la peinture est très importante car si le métal sous la peinture est exposé, il peut commencer à rouiller ou à se corroder en raison de cette nouvelle exposition.

Ces raisons s'appliquent à plusieurs autres domaines tels que les articles ménagers et de bureau, l'électronique, les jouets, les outils de recherche et bien d'autres encore. Bien que la peinture puisse être résistante à la fissuration lorsqu'elle est appliquée pour la première fois sur des revêtements métalliques, ses propriétés peuvent changer au fil du temps lorsque l'échantillon a subi des intempéries. C'est pourquoi il est très important de tester les échantillons de peinture à leur stade d'altération. Bien que la fissuration sous une forte contrainte soit inévitable, le fabricant doit prévoir à quel point les changements peuvent s'affaiblir avec le temps et quelle doit être la profondeur de la rayure d'aﬀectation afin de fournir à ses consommateurs les meilleurs produits possibles.

OBJECTIF DE MESURE

Nous devons simuler le processus de grattage de manière contrôlée et surveillée pour observer les eﬀets du comportement de l'échantillon. Dans cette application, le testeur mécanique NANOVEA PB1000 en mode Nano Scratch Testing est utilisé pour mesurer la charge nécessaire pour provoquer la rupture d'un échantillon de peinture de 30 à 50 μm d'épaisseur sur un substrat métallique, vieux d'environ 7 ans.

Un stylet à pointe diamantée de 2 μm est utilisé avec une charge progressive allant de 0,015 mN à 20,00 mN pour rayer le revêtement. Nous avons effectué un balayage préalable et postérieur de la peinture avec une charge de 0,2 mN afin de déterminer la valeur de la profondeur réelle de la rayure. La profondeur réelle analyse la déformation plastique et élastique de l'échantillon pendant l'essai, tandis que le balayage a posteriori n'analyse que la déformation plastique de la rayure. Le point où le revêtement se fissure est considéré comme le point de rupture. Nous avons utilisé l'ASTMD7187 comme guide pour déterminer nos paramètres d'essai.

Nous pouvons conclure que le fait d'avoir utilisé un échantillon altéré, et donc d'avoir testé un échantillon de peinture à son stade le plus faible, nous a permis d'obtenir des points de défaillance moins élevés.

Cinq tests ont été effectués sur cet échantillon afin de

déterminer les charges critiques de rupture exactes.

NANOVEA

PB1000

PARAMÈTRES D'ESSAI

suivants ASTM D7027

La surface d'un étalon de rugosité a été scannée à l'aide d'un NANOVEA ST400 équipé d'un capteur à grande vitesse qui génère une ligne lumineuse de 192 points, comme le montre la FIGURE 1. Ces 192 points balayent la surface de l'échantillon en même temps, ce qui augmente considérablement la vitesse de balayage.

TYPE DE CHARGE	Progressif
CHARGE INITIALE	0,015 mN
CHARGE FINALE	20 mN
TAUX DE CHARGEMENT	20 mN/min
LONGUEUR DU GRATTAGE	1,6 mm
VITESSE DE RACHAT, dx/dt	1,601 mm/min
PRE-SCAN LOAD	0,2 mN
CHARGEMENT POST-SCAN	0,2 mN

type de pénétrateur

Conique

Cône 90° diamant

2 µm rayon de la pointe

RÉSULTATS

Cette section présente les données recueillies sur les défaillances au cours de l'essai de rayage. La première section décrit les défaillances observées lors de l'essai de rayage et définit les charges critiques qui ont été signalées. La partie suivante contient un tableau récapitulatif des charges critiques pour tous les échantillons, ainsi qu'une représentation graphique. La dernière partie présente les résultats détaillés pour chaque échantillon : les charges critiques pour chaque rayure, les micrographies de chaque défaillance et le graphique du test.

DÉFAILLANCES OBSERVÉES ET DÉFINITION DES CHARGES CRITIQUES

L'ÉCHEC CRITIQUE :

DOMMAGES INITIAUX

C'est le premier point où les dommages sont observés le long de la piste de grattage.

L'ÉCHEC CRITIQUE :

DOMMAGE COMPLET

À ce stade, les dégâts sont plus importants : la peinture s'écaille et se fissure le long de la ligne de démarcation.

RÉSULTATS DÉTAILLÉS

* Les valeurs de rupture sont prises au point de fissuration du substrat.

CHARGES CRITIQUES
RAYURE	Dommage initial [mN]	DOMMAGE COMPLET [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

MOYENNE	3.988	4.900
STD DEV	0.143	0.054

FIGURE 2 : Micrographie d'une rayure complète (magniﬁcation 1000x).

FIGURE 3 : Micrographie des dommages initiaux (magniﬁcation 1000x).

FIGURE 4 : Micrographie d'un dommage complet (magniﬁcation 1000x).

FIGURE 5 : Force de frottement et Coeﬃcient de frottement.

FIGURE 6 : Profil de surface.

FIGURE 7 : Profondeur réelle et profondeur résiduelle.

CONCLUSION

La NANOVÉA Testeur Méchanique dans le Testeur de rayures Nano permet de simuler de nombreuses défaillances réelles de revêtements de peinture et de couches dures. En appliquant des charges croissantes de manière contrôlée et étroitement surveillée, l'instrument permet d'identifier à quelle charge les défaillances se produisent. Cela permet ensuite de déterminer des valeurs quantitatives pour la résistance aux rayures. On sait que le revêtement testé, sans altération, présente une première fissure à environ 22 mN. Avec des valeurs plus proches de 5 mN, il est clair que les 7 années de recouvrement ont dégradé la peinture.

La compensation du profil original permet d'obtenir la profondeur corrigée pendant la rayure et de mesurer la profondeur résiduelle après la rayure. Cela permet d'obtenir des informations supplémentaires sur le comportement plastique ou élastique du revêtement sous l'effet d'une charge croissante. La fissuration et les informations sur la déformation peuvent être très utiles pour améliorer la couche dure. Les écarts types très faibles montrent également la reproductibilité de la technique de l'instrument, ce qui peut aider les fabricants à améliorer la qualité de leur couche dure/peinture et à étudier les eﬀets des intempéries.

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Inspection par cartographie de la rugosité à l'aide de la profilométrie 3D

INSPECTION DE LA CARTOGRAPHIE DE LA RUGOSITÉ

EN UTILISANT LA PROFILOMÉTRIE 3D

Préparé par

DUANJIE, PhD

INTRODUCTION

La rugosité et la texture de la surface sont des facteurs critiques qui ont un impact sur la qualité finale et les performances d'un produit. Une compréhension approfondie de la rugosité, de la texture et de la consistance de la surface est essentielle pour sélectionner les meilleures mesures de traitement et de contrôle. Une inspection en ligne rapide, quantifiable et fiable des surfaces des produits est nécessaire pour identifier à temps les produits défectueux et optimiser les conditions de la chaîne de production.

IMPORTANCE DU PROFILOMETRE 3D SANS CONTACT POUR L'INSPECTION DE SURFACE EN LIGNE

Les défauts de surface des produits résultent du traitement des matériaux et de la fabrication des produits. L'inspection de la qualité des surfaces en ligne garantit le contrôle qualité le plus strict des produits finaux. NANOVÉA Profileurs optiques 3D sans contact utilisez la technologie Chromatic Light avec une capacité unique pour déterminer la rugosité d’un échantillon sans contact. Le capteur linéaire permet de scanner le profil 3D d'une grande surface à grande vitesse. Le seuil de rugosité, calculé en temps réel par le logiciel d'analyse, constitue un outil réussite/échec rapide et fiable.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette étude, le NANOVEA ST400 équipé d'un capteur à grande vitesse est utilisé pour inspecter la surface d'un échantillon de Teﬂon présentant un défaut afin de démontrer la capacité du NANOVEA

Les proﬁlomètres sans contact permettent une inspection rapide et fiable des surfaces dans une chaîne de production.

NANOVEA

ST400

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Analyse de surface en 3D de la Rugosité Échantillon standard

La FIGURE 2 montre des vues en fausses couleurs de la carte de hauteur de surface et de la carte de distribution de la rugosité de l'échantillon standard de rugosité. Dans la FIGURE 2a, l'échantillon de rugosité standard présente une surface légèrement inclinée, comme le montre le gradient de couleur varié dans chacun des blocs de rugosité standard. Dans la FIGURE 2b, la distribution homogène de la rugosité est représentée dans les différents blocs de rugosité, dont la couleur représente la rugosité dans les blocs.

La FIGURE 3 montre des exemples de cartes de réussite/échec générées par le logiciel d'analyse en fonction de différents seuils de rugosité. Les blocs de rugosité sont surlignés en rouge lorsque leur rugosité de surface est supérieure à une certaine valeur seuil. L'utilisateur dispose ainsi d'un outil lui permettant de définir un seuil de rugosité pour déterminer la qualité de l'état de surface d'un échantillon.

FIGURE 1: Balayage du capteur de lignes optiques sur l'échantillon de l'étalon de rugosité

a. Carte des hauteurs de surface :

b. Carte de rugosité :

FIGURE 2 : Vues en fausses couleurs de la carte de hauteur de surface et de la carte de distribution de la rugosité de l'échantillon standard de rugosité.

FIGURE 3 : Carte de réussite/échec basée sur le seuil de rugosité.

Inspection de la surface d'un échantillon de teﬂon présentant des défauts

La carte de hauteur de surface, la carte de distribution de la rugosité et la carte de seuil de rugosité Pass/Fail de la surface de l'échantillon de Teﬂon sont illustrées dans la FIGURE 4. L'échantillon de Teﬂon présente une crête au centre droit de l'échantillon, comme le montre la carte de la hauteur de surface.

a. Carte des hauteurs de surface :

Les diﬀérentes couleurs de la palette de la FIGURE 4b représentent la valeur de rugosité de la surface locale. La carte de rugosité montre une rugosité homogène dans la zone intacte de l'échantillon de Teﬂon. Cependant, les défauts, sous la forme d'un anneau dentelé et d'une cicatrice d'usure, sont mis en évidence par des couleurs vives. L'utilisateur peut facilement définir un seuil de rugosité Pass/Fail pour localiser les défauts de surface, comme le montre la FIGURE 4c. Cet outil permet aux utilisateurs de contrôler in situ la qualité de la surface du produit dans la chaîne de production et de détecter à temps les produits défectueux. La valeur de rugosité en temps réel est calculée et enregistrée lorsque les produits passent devant le capteur optique en ligne, ce qui peut constituer un outil rapide mais fiable pour le contrôle de la qualité.

b. Carte de rugosité :

c. Carte du seuil de rugosité (réussite/échec) :

FIGURE 4 : Carte de hauteur de surface, carte de distribution de la rugosité, et Carte du seuil de rugosité (réussite/échec) de la surface de l'échantillon de Teﬂon.

CONCLUSION

Dans cette application, nous avons montré comment le profileur optique sans contact NANOVEA ST400 3D, équipé d'un capteur de ligne optique, constitue un outil de contrôle de la qualité fiable, eﬀective et efficace.

Le capteur de ligne optique génère une ligne lumineuse de 192 points qui balayent la surface de l'échantillon en même temps, ce qui permet d'augmenter considérablement la vitesse de balayage. Il peut être installé sur la ligne de production pour contrôler la rugosité de la surface des produits in situ. Le seuil de rugosité constitue un critère fiable pour déterminer la qualité de la surface des produits, ce qui permet aux utilisateurs de détecter à temps les produits défectueux.

Les données présentées ici ne représentent qu'une partie des calculs disponibles dans le logiciel d'analyse. Les profilomètres NANOVEA mesurent pratiquement toutes les surfaces dans des domaines tels que les semi-conducteurs, la microélectronique, l'énergie solaire, les fibres optiques, l'automobile, l'aérospatiale, la métallurgie, l'usinage, les revêtements, la pharmacie, la biomédecine, l'environnement et bien d'autres encore.

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PS50 - Compact avancé

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ST400 - Standard modulaire

ST500 - Modulaire grande surface

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Nanoindeurs et testeurs de rayures

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PB1000 - Grande plate-forme avancée

Systèmes Sous Vides

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T200 - Pneumatique Compact

T2000 - Pneumatique à forte charge

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

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Systèmes Sous Vides

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Rugosité et finition

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Essais mécaniques

Indentation | Dureté et élasticité

Indentation | Contrainte et déformation

Indentation | Fluage et relaxation

Indentation | Perte et stockage

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Indentation | Limite d'élasticité & Fatigue

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Rayure | Défaillance cohésive

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Haute Température

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