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

Introduzione

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 Per saperne di più nanoindentation and scratch testing lab services for coating adhesion and failure analysis.

Measurement Method

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

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

NANOVEA PB1000 Advanced

Collaudatore meccanico

Condizioni di prova

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	Progressivo
Initial load	0.05 mN
Final load	300 and 100 mN
Sliding speed	0.5 mm/min
Sliding distance	0.5 mm
Indenter geometry	Conico
Indenter material (tip)	Diamante
Raggio della punta del penetratore	20 µm
Temperatura	24°C (room)

Tabella 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	Progressivo
Initial load	0.1 mN
Final load	300 mN
Tasso di carico	300 mN/min
Scratch length	0.25 mm
Scratch speed	0.25 mm/min
Indenter geometry	40° cone
Indenter material (tip)	Diamante
Raggio della punta del penetratore	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.

Risultati e discussione

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.

Conclusione

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.

Riferimenti

[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

Preparato da

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

Introduzione

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 Per saperne di più non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

In questa applicazione, il 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
Profilometro ottico

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.

Parametri di misura

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	Altezza quadratica media
Ssk	-0.102		Skewness
Cod	3.715		Curtosi
Sp	18.861	µm	Altezza massima del picco
Sv	16.553	µm	Maximum pit depth
Sz	35.414	µm	Altezza massima
Sa	1.888	µm	Altezza media aritmetica

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: Nessuno
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: Nessuno

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: Nessuno
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: Nessuno

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

Conclusione

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.

Riferimenti

[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 di resistenza ai graffi dei protettori dello schermo del telefono

Preparato da

Stacey Pereira, Jocelyn Esparza e Pierre Leroux

Comprendere la resistenza ai graffi nelle protezioni per lo schermo dei telefoni

I rivestimenti protettivi sugli schermi dei telefoni svolgono un ruolo fondamentale nella resistenza ai graffi, nella forza di adesione e nella durata a lungo termine. Nel tempo, graffi, microfessurazioni e delaminazione del rivestimento possono ridurre la chiarezza ottica e l'affidabilità, specialmente in ambienti ad alto utilizzo. Per valutare la resistenza dei diversi proteggi schermo ai danni meccanici, i test di resistenza ai graffi strumentati forniscono informazioni quantificabili sui meccanismi di rottura del rivestimento, tra cui l'adesione, la coesione e il comportamento alla frattura.

In questo studio, Tester meccanico NANOVEA PB1000 viene utilizzato per confrontare le protezioni per schermi in TPU e quelle in vetro temperato sottoposte a un carico progressivo controllato. Grazie a un preciso rilevamento delle emissioni acustiche, identifichiamo i carichi critici di rottura e caratterizziamo il modo in cui ciascun materiale risponde all'aumento dello stress meccanico.

Perché i test di resistenza ai graffi sono importanti per le protezioni per schermi

Molti utenti ritengono che i protettori più spessi o più duri offrano automaticamente prestazioni migliori, ma la reale durata dipende dal comportamento del materiale sotto carico progressivo, deformazione superficiale e sollecitazioni localizzate. I test strumentali di resistenza ai graffi consentono agli ingegneri di misurare l'adesione del rivestimento, la forza coesiva, la resistenza all'usura superficiale e i carichi esatti ai quali si verificano o si propagano i guasti.

Analizzando i punti di inizio delle crepe, il comportamento di delaminazione e le modalità di rottura, i produttori possono convalidare le prestazioni delle protezioni per schermi per la ricerca e lo sviluppo, il controllo qualità o il benchmarking comparativo. I test sui nano- e micro-graffi offrono informazioni ripetibili e basate sui dati sulla durata reale, ben oltre i tradizionali indici di durezza.

ℹ️ Per saperne di più servizi di test di resistenza ai graffi e all'adesione per rivestimenti e protezioni per schermi.

Obiettivo del test di scratch:
Misurazione dei carichi di rottura nei protettori per schermi

L'obiettivo di questo studio è dimostrare come il tester meccanico NANOVEA PB1000 esegua test di resistenza ai graffi ripetibili e standardizzati su protezioni per schermi sia in polimero che in vetro. Aumentando progressivamente il carico applicato, il sistema rileva i carichi critici per il cedimento coesivo e adesivo, cattura i segnali di emissione acustica e correla questi eventi con la profondità del graffio, la forza di attrito e la deformazione superficiale.

Questa metodologia fornisce un profilo meccanico completo di ogni rivestimento protettivo, consentendo ai produttori e ai team di ricerca e sviluppo di valutare le formulazioni dei materiali, la forza di adesione del rivestimento, la durata della superficie e lo spessore ottimale del rivestimento per migliorare le prestazioni del prodotto. Queste valutazioni dei graffi fanno parte della più ampia suite di NANOVEA. soluzioni per prove meccaniche utilizzato per caratterizzare rivestimenti, pellicole e substrati in ambienti di ricerca e sviluppo, controllo qualità e produzione.

NANOVEA PB1000 Piattaforma grande
Collaudatore meccanico

Parametri del test scratch e configurazione dello strumento

La valutazione della resistenza ai graffi delle protezioni per schermi in TPU e vetro temperato è stata condotta in condizioni controllate per garantire la ripetibilità e l'accuratezza del rilevamento del carico di rottura. I seguenti parametri definiscono la configurazione del test di resistenza ai graffi con carico progressivo utilizzato sul tester meccanico NANOVEA PB1000.

TIPO DI CARICO	PROGRESSIVO
CARICO INIZIALE	0,1 N
CARICO FINALE	12 N
VELOCITÀ DI SCORRIMENTO	3,025 mm/min
DISTANZA DI SCORRIMENTO	3 mm
GEOMETRIA DEL PENETRATORE	ROCKWELL (CONE A 120°)
MATERIALE DEL PUNTA (PUNTA)	DIAMANTE
RAGGIO DELLA PUNTA DEL PENETRATORE	50 µm
ATMOSFERA	ARIA
TEMPERATURA	24 °C (TEMPERATURA AMBIENTE)

TABELLA 1: Parametri di prova utilizzati per il test di resistenza ai graffi

Campione di protezione per schermo montato sul tester meccanico NANOVEA PB1000 durante la misurazione della resistenza ai graffi con carico progressivo.

Campioni di protezioni per schermi utilizzati per i test di resistenza ai graffi

Sono stati selezionati due materiali protettivi per schermi disponibili in commercio per confrontare le differenze in termini di resistenza ai graffi, comportamento in caso di rottura e durata meccanica. Entrambi i campioni sono stati montati in modo sicuro sul tester meccanico NANOVEA PB1000 e valutati in condizioni di carico progressivo identiche per garantire un confronto coerente e imparziale.

La protezione per schermo in TPU è costituita da una pellicola polimerica flessibile con elevata elasticità ma minore resistenza all'abrasione, mentre la protezione in vetro temperato è costituita da un materiale rigido e fragile progettato per garantire un'elevata durezza e una maggiore protezione dagli urti. Testare entrambi i materiali con lo stesso profilo di carico consente di valutare chiaramente in che modo la composizione, l'elasticità e la durezza dei materiali influenzano le modalità di rottura da graffio.

Protezione per schermo in TPU

Vetro temperato

FIGURA 1: Protezioni per schermo in TPU e vetro temperato preparate per il test di resistenza ai graffi.

Risultati dei test di resistenza ai graffi: modalità di rottura delle protezioni per schermo in TPU rispetto a quelle in vetro temperato

TIPO DI PROTETTORE PER SCHERMO	CARICO CRITICO #1 (N)	CARICO CRITICO #2 (N)
TPU	n/a	2,004 ± 0,063
VETRO TEMPERATO	3,608 ± 0,281	7,44 ± 0,995

TABELLA 2: Riepilogo dei carichi critici per ciascun campione di protezione per schermo.

Poiché le protezioni per schermi in TPU e vetro temperato hanno proprietà meccaniche fondamentalmente diverse, ciascun campione ha mostrato modalità di rottura e soglie di carico critico distinte durante il test di resistenza ai graffi con carico progressivo. La tabella 2 riassume i carichi critici misurati per ciascun materiale.

Il carico critico #1 rappresenta il primo punto osservabile di rottura coesiva al microscopio ottico, come l'inizio di una crepa o una frattura radiale.

Il carico critico #2 corrisponde al primo evento importante rilevato tramite il monitoraggio delle emissioni acustiche (AE), che in genere rappresenta un guasto strutturale più grave o un evento di penetrazione.

Protezione per schermo in TPU — Comportamento dei polimeri flessibili

La protezione per schermo in TPU ha mostrato un solo evento critico significativo (carico critico #2). Questo carico corrisponde al punto lungo la traccia del graffio in cui la pellicola ha iniziato a sollevarsi, staccarsi o delaminarsi dalla superficie dello schermo del telefono.

Una volta superato il carico critico #2 (≈2,00 N), il penetratore ha penetrato sufficientemente da causare un graffio visibile direttamente sullo schermo del telefono per il resto del test. Non è stato rilevabile alcun evento separato di carico critico #1, in linea con l'elevata elasticità e la minore resistenza coesiva del materiale.

Protezione per schermo in vetro temperato — Comportamento di rottura fragile

La protezione per schermo in vetro temperato ha mostrato due carichi critici distinti, caratteristici dei materiali fragili:

Carico critico #1 (≈3,61 N): al microscopio sono state osservate fratture radiali e la formazione di crepe, che indicano un cedimento precoce della coesione dello strato di vetro.
Carico critico #2 (≈7,44 N): un forte picco AE e un brusco aumento della profondità del graffio hanno indicato la penetrazione del protettore a carichi più elevati.

Sebbene la magnitudo AE fosse superiore a quella del TPU, non sono stati riscontrati danni allo schermo del telefono, dimostrando la capacità della protezione in vetro temperato di assorbire e distribuire il carico prima di un guasto catastrofico.

In entrambi i materiali, il carico critico #2 corrispondeva al momento in cui il penetratore ha sfondato la protezione dello schermo, confermando il limite protettivo di ciascun campione.

Protezione per schermo in TPU: dati relativi al test di resistenza ai graffi e analisi dei guasti

SCRATCH	CARICO CRITICO #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
MEDIA	2.003
DEVIAZIONE STANDARD	0.052

TABELLA 3: Carichi critici misurati durante il test di resistenza ai graffi della protezione per schermo in TPU.

FIGURA 2: Forza di attrito, carico normale, emissione acustica (AE) e profondità del graffio rispetto alla lunghezza del graffio per la protezione per schermo in TPU. (B) Carico critico #2

FIGURA 3: Immagine al microscopio ottico della protezione per schermo in TPU al carico critico #2 (ingrandimento 5×; larghezza immagine 0,8934 mm).

FIGURA 4: Immagine completa dell'ammaccatura sulla protezione per schermo in TPU che mostra il segno completo lasciato dal graffio dopo il test di carico progressivo.

Protezione per schermo in vetro temperato: dati critici sul carico e comportamento alla frattura

SCRATCH	CARICO CRITICO #1 (N)	CARICO CRITICO #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
MEDIA	3.653	6.925
DEVIAZIONE STANDARD	0.383	0.624

TABELLA 4: Carichi critici misurati durante il test di resistenza ai graffi delle protezioni per schermo in vetro temperato.

ℹ️ Per un confronto con i rivestimenti polimerici non silicatici, consultare il nostro studio su Prova di resistenza all'usura del rivestimento in PTFE, che evidenzia il comportamento di rottura nei film polimerici a basso attrito in condizioni di carico progressivo simili.

FIGURA 5: Forza di attrito, carico normale, emissione acustica (AE) e profondità del graffio rispetto alla lunghezza del graffio per la protezione dello schermo in vetro temperato. (A) Carico critico #1 (B) Carico critico #2

FIGURA 6: Immagini al microscopio ottico che mostrano i punti di rottura per il carico critico #1 (a sinistra) e il carico critico #2 (a destra) con ingrandimento 5× (larghezza dell'immagine: 0,8934 mm).

FIGURA 7: Immagine al microscopio ottico post-test della traccia di graffio sul vetro temperato, che evidenzia l'inizio della frattura (CL#1) e la zona di penetrazione finale (CL#2) dopo il test di carico progressivo.

Conclusione: confronto delle prestazioni di resistenza ai graffi tra protezioni per schermo in TPU e in vetro temperato

Questo studio dimostra come il tester meccanico NANOVEA PB1000 fornisca misurazioni della resistenza ai graffi controllate, ripetibili e altamente sensibili utilizzando il carico progressivo e il rilevamento delle emissioni acustiche (AE). Catturando con precisione sia gli eventi di rottura coesiva che quelli di rottura adesiva, il sistema consente un chiaro confronto tra il comportamento dei protettori per schermi in TPU e quelli in vetro temperato sotto stress meccanico crescente.

I risultati sperimentali confermano che il vetro temperato presenta carichi critici significativamente più elevati rispetto al TPU, offrendo una resistenza ai graffi superiore, un ritardo nell'inizio della frattura e una protezione affidabile contro la penetrazione dell'indentatore. La minore forza coesiva e la delaminazione precoce del TPU evidenziano i suoi limiti in ambienti sottoposti a sollecitazioni elevate.

Dopo aver identificato i carichi di rottura, è possibile analizzare anche le tracce di graffi risultanti utilizzando un profilometro ottico 3D senza contatto per misurare la profondità della scanalatura, la deformazione residua e la topografia post-graffio. Ciò contribuisce a completare il profilo meccanico di ciascun materiale.

Il tester meccanico NANOVEA è progettato per eseguire test accurati e ripetibili di indentazione, graffio e usura e supporta moduli nano e micro conformi alle norme ISO e ASTM. La sua versatilità lo rende una soluzione ideale per valutare il profilo meccanico completo di film sottili, rivestimenti, polimeri, vetri e substrati in ambito di ricerca e sviluppo, produzione e controllo qualità.

Domande frequenti
Informazioni sui test di resistenza ai graffi

Che cos'è il test di resistenza ai graffi?

Il test di resistenza ai graffi valuta la risposta di un materiale o di un rivestimento quando uno stilo diamantato applica un carico progressivamente crescente. Il test identifica i carichi critici in cui si verificano cedimenti coesivi o adesivi, fornendo una misura quantificabile della durata, della forza di adesione e della resistenza ai danni superficiali.

Qual è la differenza tra rottura coesiva e rottura adesiva?

Si verifica un cedimento coesivo all'interno di il rivestimento o il materiale, come crepe, strappi o fratture interne.
Il fallimento dell'adesivo si verifica quando il rivestimento si stacca dal substrato, indicando una forza di adesione insufficiente.

Il NANOVEA PB1000 rileva entrambi utilizzando il monitoraggio sincronizzato delle emissioni acustiche, il tracciamento della profondità dei graffi e l'analisi dell'attrito.

Perché utilizzare un tester meccanico invece dei metodi manuali?

Un tester meccanico come il NANOVEA PB1000 fornisce misurazioni precise, ripetibili e standardizzate, garantendo dati affidabili per la ricerca e lo sviluppo, la convalida della produzione e il controllo qualità. Offre inoltre funzionalità avanzate, come il rilevamento delle emissioni acustiche e il monitoraggio della profondità in tempo reale, che i metodi manuali non sono in grado di fornire.

Hai bisogno di test di resistenza ai graffi affidabili per i tuoi materiali?

Test di abrasività delle rocce con il tribometro NANOVEA

TRIBOLOGIA DELLE ROCCE:TEST DI ABRASIVITÀ DELLE ROCCE CON TRIBOMETRO NANOVEA

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

Le rocce sono composte da granelli di minerali. Il tipo e l'abbondanza di questi minerali, nonché la forza del legame chimico tra i grani minerali, determinano le proprietà meccaniche e tribologiche delle rocce. A seconda dei cicli geologici delle rocce, le rocce possono subire trasformazioni e sono tipicamente classificate in tre tipi principali: ignee, sedimentarie e metamorfiche. Queste rocce presentano diverse composizioni minerali e chimiche, permeabilità e dimensioni delle particelle, e tali caratteristiche contribuiscono alla loro varia resistenza all'usura. La tribologia delle rocce esplora i comportamenti di usura e attrito delle rocce in varie condizioni geologiche e ambientali.

IMPORTANZA DEI TEST SUGLI ABRASIVI DA ROCCIA

Durante il processo di perforazione dei pozzi si verificano vari tipi di usura delle rocce, tra cui abrasione e attrito, che portano a significative perdite dirette e consequenziali attribuite alla riparazione e alla sostituzione di punte di perforazione e utensili da taglio. Pertanto, lo studio della perforabilità, perforabilità, tagliabilità e abrasività delle rocce è fondamentale nelle industrie petrolifere, del gas e minerarie. La ricerca sulla tribologia delle rocce gioca un ruolo fondamentale nella selezione delle strategie di perforazione più efficienti ed economicamente vantaggiose, migliorando così l’efficienza complessiva e contribuendo alla conservazione dei materiali, dell’energia e dell’ambiente. Inoltre, ridurre al minimo l'attrito superficiale è estremamente vantaggioso nel ridurre l'interazione tra la punta di perforazione e la roccia, con conseguente diminuzione dell'usura dell'utensile e migliore efficienza di perforazione/taglio.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, abbiamo simulato e confrontato le proprietà tribologiche di due tipi di rocce per mostrare la capacità del Tribometro NANOVEA T50 nella misurazione del coefficiente di attrito e del tasso di usura delle rocce in modo controllato e monitorato.

NANOVEA T50 compatto
Tribometro a peso libero

I CAMPIONI

PROCEDURA DI PROVA

Il coefficiente di attrito, COF e la resistenza all'usura di due campioni di roccia sono stati valutati dal tribometro NANOVEA T50 utilizzando il modulo di usura Pin-on-Disc. Come contromateriale è stata utilizzata una sfera Al2O3 (6 mm di diametro). Dopo i test, la traccia di usura è stata esaminata utilizzando il profilometro senza contatto NANOVEA. I parametri del test sono riassunti di seguito.

Il tasso di usura, K, è stato valutato utilizzando la formula K=V/(F×s)=A/(F×n), dove V è il volume usurato, F è il carico normale, s è la distanza di scorrimento, A è l'area della sezione trasversale della pista di usura e n è il numero di giri. La rugosità superficiale e i profili delle tracce di usura sono stati valutati con il profilometro ottico NANOVEA e la morfologia delle tracce di usura è stata esaminata utilizzando un microscopio ottico.

Si noti che in questo studio è stata utilizzata come esempio la sfera Al2O3 come contromateriale. Qualsiasi materiale solido con forme diverse può essere applicato utilizzando un dispositivo personalizzato per simulare la situazione applicativa reale.

PARAMETRI DEL TEST

CAMPIONI	Calcare, Marmo
RAGGIO DELL'ANELLO DI USURA	5 mm
FORZA NORMALE	10 N
DURATA DEL TEST	10 minuti
VELOCITÀ	100 giri al minuto

RISULTATI E DISCUSSIONE

La durezza (H) e il modulo elastico (E) dei campioni di calcare e marmo vengono confrontati nella FIGURA 1, utilizzando il modulo Micro Indentazione del Tester Meccanico NANOVEA. Il campione di calcare ha mostrato valori H ed E più bassi, rispettivamente pari a 0,53 e 25,9 GPa, in contrasto con il marmo, che ha registrato valori di 1,07 per H e 49,6 GPa per E. La variabilità relativamente più elevata nei valori H ed E osservata nel campione Il campione di calcare è da attribuire alla sua maggiore disomogeneità superficiale, derivante dalle sue caratteristiche granulari e porose.

L'evoluzione del COF durante le prove di usura dei due campioni di roccia è illustrata nella FIGURA 2. Il calcare inizialmente sperimenta un rapido aumento del COF fino a circa 0,8 all'inizio della prova di usura, mantenendo questo valore per tutta la durata della prova. Questo brusco cambiamento nel COF può essere attribuito alla penetrazione della sfera di Al2O3 nel campione di roccia, risultante da un rapido processo di usura e irruvidimento che avviene sulla faccia di contatto all'interno della pista di usura. Al contrario, il campione di marmo mostra un notevole aumento del COF a valori più alti dopo circa 5 metri di distanza di scorrimento, a significare la sua superiore resistenza all'usura rispetto al calcare.

FIGURA 1: Confronto della durezza e del modulo di Young tra i campioni di calcare e di marmo.

FIGURA 2: Evoluzione del coefficiente di attrito (COF) in campioni di calcare e marmo durante le prove di usura.

La FIGURA 3 confronta i profili trasversali dei campioni di calcare e marmo dopo le prove di usura e la Tabella 1 riassume i risultati dell'analisi delle tracce di usura. La FIGURA 4 mostra le tracce di usura dei campioni al microscopio ottico. La valutazione della traccia di usura è in linea con l'osservazione dell'evoluzione del COF: il campione di marmo, che mantiene un COF basso per un periodo più lungo, mostra un tasso di usura inferiore di 0,0046 mm³/N m, rispetto a 0,0353 mm³/N m per il calcare. Le proprietà meccaniche superiori del marmo contribuiscono alla sua migliore resistenza all'usura rispetto al calcare.

FIGURA 3: Profili in sezione delle piste di usura.

TABELLA 1: Riepilogo dei risultati dell'analisi delle tracce di usura.

FIGURA 4: Tracce di usura al microscopio ottico.

CONCLUSIONE

In questo studio, abbiamo dimostrato la capacità del Tribometro NANOVEA nel valutare il coefficiente di attrito e la resistenza all'usura di due campioni di roccia, vale a dire marmo e calcare, in modo controllato e monitorato. Le superiori proprietà meccaniche del marmo contribuiscono alla sua eccezionale resistenza all'usura. Questa proprietà rende difficile la perforazione o il taglio nell'industria del petrolio e del gas. Al contrario, prolunga notevolmente la sua durata se utilizzato come materiale da costruzione di alta qualità, come le piastrelle per pavimenti.

I tribometri NANOVEA offrono capacità di test di usura e attrito precise e ripetibili, aderendo agli standard ISO e ASTM sia in modalità rotativa che lineare. Inoltre, fornisce moduli opzionali per usura ad alta temperatura, lubrificazione e tribocorrosione, tutti perfettamente integrati in un unico sistema. L'impareggiabile gamma di NANOVEA è una soluzione ideale per determinare l'intera gamma di proprietà tribologiche di rivestimenti, pellicole, substrati e tribologia delle rocce sottili o spessi, morbidi o duri.

Avete un'applicazione simile?

Analisi della superficie pallinata

ANALISI DELLA SUPERFICIE PALLINATA

UTILIZZO DEL PROFILOMETRO 3D SENZA CONTATTO

Preparato da

CRAIG LEISING

INTRODUZIONE

La pallinatura è un processo in cui un substrato viene bombardato con sfere sferiche di metallo, vetro o ceramica, comunemente denominate "sparate", con una forza destinata a indurre plasticità sulla superficie. L'analisi delle caratteristiche prima e dopo la martellatura fornisce spunti cruciali per migliorare la comprensione e il controllo del processo. La rugosità superficiale e l'area di copertura delle fossette lasciate dallo sparo sono aspetti di interesse particolarmente degni di nota.

Importanza del profilometro 3D senza contatto per l'analisi della superficie pallinata

A differenza dei profilometri a contatto tradizionali, tradizionalmente utilizzati per l'analisi delle superfici pallinate, la misurazione 3D senza contatto fornisce un'immagine 3D completa per offrire una comprensione più completa dell'area di copertura e della topografia della superficie. Senza funzionalità 3D, un'ispezione si baserà esclusivamente su informazioni 2D, che non sono sufficienti per caratterizzare una superficie. Comprendere la topografia, l'area di copertura e la rugosità in 3D è l'approccio migliore per controllare o migliorare il processo di pallinatura. di NANOVEA Profilometri 3D senza contatto utilizzano la tecnologia della luce cromatica con una capacità unica di misurare gli angoli ripidi riscontrati su superfici lavorate e pallinate. Inoltre, quando altre tecniche non riescono a fornire dati affidabili a causa del contatto della sonda, della variazione della superficie, dell'angolo o della riflettività, i profilometri NANOVEA riescono.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il profilometro senza contatto NANOVEA ST400 viene utilizzato per misurare la materia prima e due superfici martellate in modo diverso per una revisione comparativa. C'è un elenco infinito di parametri di superficie che possono essere calcolati automaticamente dopo la scansione della superficie 3D. Qui esamineremo la superficie 3D e selezioneremo le aree di interesse per ulteriori analisi, inclusa la quantificazione e l'analisi della rugosità, delle fossette e dell'area della superficie.

NANOVEA ST400 Standard
Profiler ottico 3D

IL CAMPIONE

RISULTATI

SUPERFICIE IN ACCIAIO

ISO 25178 PARAMETRI DI RUGOSITÀ 3D

S.A	0,399 micron	Rugosità media
Sq	0,516 micron	Rugosità RMS
Sz	5,686 micron	Massimo picco-valle
Sp	2,976 micron	Altezza massima del picco
Sv	2,711 micron	Profondità massima della fossa
Cod	3.9344	Curtosi
Ssk	-0.0113	Skewness
Sal	0,0028 mm	Lunghezza di correlazione automatica
str	0.0613	Proporzioni della trama
Sdar	26,539 mm²	Superficie
Svk	0,589 micron	Profondità della valle ridotta

RISULTATI

SUPERFICIE MARRELLATA 1

COPERTURA DELLA SUPERFICIE 98.105%

ISO 25178 PARAMETRI DI RUGOSITÀ 3D

Sa	4,102 micron	Rugosità media
Sq	5,153 micron	Rugosità RMS
Sz	44,975 micron	Massimo picco-valle
Sp	24,332 micron	Altezza massima del picco
Sv	20,644 micron	Profondità massima della fossa
Cod	3.0187	Curtosi
Ssk	0.0625	Skewness
Sal	0,0976 mm	Lunghezza di correlazione automatica
str	0.9278	Proporzioni della trama
Sdar	29.451mm²	Superficie
Svk	5,008 micron	Profondità della valle ridotta

RISULTATI

SUPERFICIE MARRELLATA 2

COPERTURA DELLA SUPERFICIE 97.366%

ISO 25178 PARAMETRI DI RUGOSITÀ 3D

Sa	4.330 micron	Rugosità media
Sq	5,455 micron	Rugosità RMS
Sz	54,013 micron	Massimo picco-valle
Sp	25,908 micron	Altezza massima del picco
Sv	28,105 micron	Profondità massima della fossa
Cod	3.0642	Curtosi
Ssk	0.1108	Skewness
Sal	0,1034 mm	Lunghezza di correlazione automatica
str	0.9733	Proporzioni della trama
Sdar	29,623 mm²	Superficie
Svk	5,167 micron	Profondità della valle ridotta

CONCLUSIONE

In questa applicazione di analisi della superficie pallinata, abbiamo dimostrato come il profilatore 3D senza contatto NANOVEA ST400 caratterizzi con precisione sia la topografia che i dettagli nanometrici di una superficie pallinata. È evidente che sia Surface 1 che Surface 2 hanno un impatto significativo su tutti i parametri qui riportati rispetto alla materia prima. Un semplice esame visivo delle immagini rivela le differenze tra le superfici. Ciò è ulteriormente confermato dall'osservazione dell'area di copertura e dei parametri elencati. Rispetto alla superficie 2, la superficie 1 presenta una rugosità media inferiore (Sa), ammaccature meno profonde (Sv) e un'area superficiale ridotta (Sdar), ma un'area di copertura leggermente superiore.

Da queste misurazioni della superficie 3D, le aree di interesse possono essere facilmente identificate e sottoposte a una gamma completa di misurazioni, tra cui rugosità, finitura, consistenza, forma, topografia, planarità, deformazione, planarità, volume, altezza del gradino e altre. È possibile scegliere rapidamente una sezione trasversale 2D per un'analisi dettagliata. Queste informazioni consentono un'analisi completa delle superfici martellate, utilizzando una gamma completa di risorse per la misurazione della superficie. Aree di interesse specifiche potrebbero essere ulteriormente esaminate con un modulo AFM integrato. I profilometri 3D NANOVEA offrono velocità fino a 200 mm/s. Possono essere personalizzati in termini di dimensioni, velocità, capacità di scansione e possono persino essere conformi agli standard delle camere bianche di classe 1. Sono inoltre disponibili opzioni come Indexing Conveyor e integrazione per l'utilizzo in linea o online.

Un ringraziamento speciale al sig. Hayden dell'IMF per aver fornito il campione mostrato in questa nota. Industrial Metal Finishing Inc. | indmetfin.com

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Morfologia della superficie della vernice

MORFOLOGIA DELLA SUPERFICIE DELLA PITTURA

MONITORAGGIO AUTOMATIZZATO DELL'EVOLUZIONE IN TEMPO REALE
UTILIZZO DEL PROFILOMETRO NANOVEA 3D

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

Le proprietà protettive e decorative della vernice svolgono un ruolo significativo in una varietà di settori, tra cui quello automobilistico, marittimo, militare e delle costruzioni. Per ottenere le proprietà desiderate, come la resistenza alla corrosione, la protezione dai raggi UV e la resistenza all'abrasione, le formule e le architetture delle vernici vengono attentamente analizzate, modificate e ottimizzate.

IMPORTANZA DEL PROFILOMETRO 3D SENZA CONTATTO PER L'ANALISI DELLA MORFOLOGIA DELLA SUPERFICIE DELLA VERNICE A SECCO

La vernice viene solitamente applicata in forma liquida e subisce un processo di essiccazione, che prevede l'evaporazione dei solventi e la trasformazione della vernice liquida in una pellicola solida. Durante il processo di essiccazione, la superficie verniciata cambia progressivamente forma e consistenza. È possibile sviluppare diverse finiture superficiali e trame utilizzando additivi per modificare la tensione superficiale e le proprietà di flusso della vernice. Tuttavia, in caso di una ricetta di vernice mal formulata o di un trattamento superficiale improprio, possono verificarsi cedimenti indesiderati della superficie della vernice.

Un accurato monitoraggio in situ della morfologia della superficie della vernice durante il periodo di essiccazione può fornire una visione diretta del meccanismo di essiccazione. Inoltre, l’evoluzione in tempo reale delle morfologie superficiali è un’informazione molto utile in varie applicazioni, come la stampa 3D. La NANOVEA Profilometri 3D senza contatto misurare la morfologia superficiale della vernice dei materiali senza toccare il campione, evitando qualsiasi alterazione della forma che potrebbe essere causata da tecnologie di contatto come uno stilo scorrevole.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il profilometro senza contatto NANOVEA ST500, dotato di un sensore ottico a linea ad alta velocità, viene utilizzato per monitorare la morfologia della superficie della vernice durante il suo periodo di asciugatura di 1 ora. Mostriamo la capacità del profilometro senza contatto NANOVEA di fornire la misurazione automatica in tempo reale del profilo 3D dei materiali con un continuo cambiamento di forma.

NANOVEA ST500 Area ampia
Profiler ottico 3D

RISULTATI E DISCUSSIONE

La vernice è stata applicata sulla superficie di una lamiera, seguita immediatamente da misurazioni automatizzate dell'evoluzione morfologica della vernice in essiccazione in situ utilizzando il profilometro senza contatto NANOVEA ST500 dotato di un sensore di linea ad alta velocità. Una macro era stata programmata per misurare e registrare automaticamente la morfologia della superficie 3D a intervalli di tempo specifici: 0, 5, 10, 20, 30, 40, 50 e 60 min. Questa procedura di scansione automatizzata consente agli utenti di eseguire le attività di scansione automaticamente eseguendo le procedure impostate in sequenza, riducendo notevolmente lo sforzo, il tempo e i possibili errori dell'utente rispetto ai test manuali o alle scansioni ripetute. Questa automazione si rivela estremamente utile per misurazioni a lungo termine che comportano più scansioni a diversi intervalli di tempo.

Il sensore di linea ottica genera una linea luminosa composta da 192 punti, come mostrato nella FIGURA 1. Questi 192 punti luminosi scansionano simultaneamente la superficie del campione, aumentando significativamente la velocità di scansione. Ciò garantisce che ogni scansione 3D venga completata rapidamente per evitare cambiamenti sostanziali della superficie durante ogni singola scansione.

FIGURA 1: Sensore a linea ottica che scansiona la superficie della vernice in essiccazione.

La vista in falsi colori, la vista 3D e il profilo 2D della topografia della vernice essiccata in momenti rappresentativi sono mostrati rispettivamente nella FIGURA 2, FIGURA 3 e FIGURA 4. Il falso colore nelle immagini facilita il rilevamento di caratteristiche che non sono facilmente distinguibili. I diversi colori rappresentano le variazioni di altezza nelle diverse aree della superficie del campione. La vista 3D fornisce uno strumento ideale per gli utenti per osservare la superficie della vernice da diverse angolazioni. Durante i primi 30 minuti del test, i falsi colori sulla superficie della vernice cambiano gradualmente da toni più caldi a toni più freddi, indicando una progressiva diminuzione dell'altezza nel tempo in questo periodo. Questo processo rallenta, come dimostra il lieve cambiamento di colore confrontando la vernice a 30 e 60 minuti.

L'altezza media del campione e i valori di rugosità Sa in funzione del tempo di asciugatura della vernice sono riportati nella FIGURA 5. L'analisi completa della rugosità della vernice dopo 0, 30 e 60 minuti di asciugatura è elencata nella TABELLA 1. Si può osservare che l'altezza media della superficie pittorica diminuisce rapidamente da 471 a 329 µm nei primi 30 minuti di asciugatura. La trama superficiale si sviluppa contemporaneamente alla vaporizzazione del solvente, portando ad un aumento del valore di rugosità Sa da 7,19 a 22,6 µm. Successivamente il processo di essiccazione della vernice rallenta, determinando una graduale diminuzione dell'altezza del campione e del valore Sa a 317 µm e 19,6 µm, rispettivamente, a 60 min.

Questo studio evidenzia le capacità del profilometro senza contatto 3D NANOVEA nel monitorare i cambiamenti della superficie 3D della vernice in essiccazione in tempo reale, fornendo preziose informazioni sul processo di essiccazione della vernice. Misurando la morfologia della superficie senza toccare il campione, il profilometro evita di introdurre alterazioni di forma alla vernice non essiccata, che possono verificarsi con tecnologie di contatto come lo stilo scorrevole. Questo approccio senza contatto garantisce un'analisi accurata e affidabile della morfologia della superficie della vernice in essiccazione.

FIGURA 2: Evoluzione della morfologia superficiale della vernice in essiccazione in tempi diversi.

FIGURA 3: Vista 3D dell'evoluzione della superficie della vernice a diversi tempi di essiccazione.

FIGURA 4: Profilo 2D attraverso il campione di vernice dopo diversi tempi di asciugatura.

FIGURA 5: Evoluzione dell'altezza media del campione e del valore di rugosità Sa in funzione del tempo di asciugatura della vernice.

ISO 25178 - Parametri di rugosità superficiale

Tempo di asciugatura (min)	0	5	10	20	30	40	50	60
Quadrato (µm)	7.91	9.4	10.8	20.9	22.6	20.6	19.9	19.6
Cod	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

TABELLA 1: Rugosità della vernice a diversi tempi di asciugatura.

CONCLUSIONE

In questa applicazione, abbiamo mostrato le capacità del profilometro 3D senza contatto NANOVEA ST500 nel monitorare l'evoluzione della morfologia della superficie della vernice durante il processo di essiccazione. Il sensore di linea ottica ad alta velocità, che genera una linea con 192 punti luminosi che scansionano simultaneamente la superficie del campione, ha reso lo studio efficiente in termini di tempo, garantendo al tempo stesso una precisione senza pari.

La funzione macro del software di acquisizione consente di programmare misurazioni automatizzate della morfologia della superficie 3D in situ, rendendolo particolarmente utile per misurazioni a lungo termine che coinvolgono più scansioni a specifici intervalli di tempo target. Riduce significativamente il tempo, lo sforzo e il potenziale di errori dell'utente. I progressivi cambiamenti nella morfologia della superficie vengono continuamente monitorati e registrati in tempo reale mentre la vernice si asciuga, fornendo preziose informazioni sul meccanismo di asciugatura della vernice.

I dati mostrati qui rappresentano solo una frazione dei calcoli disponibili nel software di analisi. I profilometri NANOVEA sono in grado di misurare praticamente qualsiasi superficie, sia essa trasparente, scura, riflettente o opaca.

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Test di usura del rivestimento in PTFE

TEST DI USURA DEL RIVESTIMENTO IN PTFE

UTILIZZO DI TRIBOMETRO E TESTER MECCANICO

Preparato da

DUANJIE LI, PhD

INTRODUZIONE

Il politetrafluoroetilene (PTFE), comunemente noto come Teflon, è un polimero con un coefficiente di attrito (COF) eccezionalmente basso e un'eccellente resistenza all'usura, a seconda dei carichi applicati. Il PTFE presenta un'inerzia chimica superiore, un elevato punto di fusione di 327°C (620°F) e mantiene un'elevata resistenza, tenacità e autolubrificazione a basse temperature. L'eccezionale resistenza all'usura dei rivestimenti in PTFE li rende molto richiesti in un'ampia gamma di applicazioni industriali, come quelle automobilistiche, aerospaziali, mediche e, in particolare, le pentole.

IMPORTANZA DELLA VALUTAZIONE QUANTITATIVA DEI RIVESTIMENTI IN PTFE

La combinazione di un coeﬃciente di attrito (COF) bassissimo, di un'eccellente resistenza all'usura e di un'eccezionale inerzia chimica alle alte temperature rende il PTFE la scelta ideale per i rivestimenti antiaderenti delle pentole. Per migliorare ulteriormente i suoi processi meccanici durante la fase di ricerca e sviluppo, nonché per garantire un controllo ottimale sulla prevenzione dei malfunzionamenti e sulle misure di sicurezza nel processo di controllo qualità, è fondamentale disporre di una tecnica affidabile per la valutazione quantitativa dei processi tribomeccanici dei rivestimenti in PTFE. Il controllo preciso dell'attrito superficiale, dell'usura e dell'adesione dei rivestimenti è essenziale per garantire le prestazioni previste.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il processo di usura di un rivestimento in PTFE per una padella antiaderente viene simulato utilizzando il tribometro NANOVEA in modalità lineare alternata.

NANOVEA T50 compatto
Tribometro a peso libero

Inoltre, il tester meccanico NANOVEA è stato utilizzato per eseguire un test di adesione a micrograffi per determinare il carico critico del fallimento dell'adesione del rivestimento in PTFE.

NANOVEA PB1000 Piattaforma grande Collaudatore meccanico

PROCEDURA DI PROVA

TEST DI USURA

USURA LINEARE RECIPROCA MEDIANTE TRIBOMETRO

Il comportamento tribologico del campione di rivestimento in PTFE, compreso il coefficiente di attrito (COF) e la resistenza all'usura, è stato valutato utilizzando il sistema NANOVEA Tribometro in modalità alternativa lineare. Contro il rivestimento è stata utilizzata una punta sferica in acciaio inossidabile 440 con un diametro di 3 mm (grado 100). Il COF è stato continuamente monitorato durante il test di usura del rivestimento in PTFE.

Il tasso di usura, K, è stato calcolato utilizzando la formula K=V/(F×s)=A/(F×n), dove V rappresenta il volume usurato, F è il carico normale, s è la distanza di scorrimento, A è l'area della sezione trasversale della pista di usura e n è il numero di corse. I profili delle tracce di usura sono stati valutati utilizzando NANOVEA Proﬁlometro otticoe la morfologia della traccia di usura è stata esaminata utilizzando un microscopio ottico.

PARAMETRI DEL TEST DI USURA

CARICO	30 N
DURATA DEL TEST	5 min
TASSO DI SCORRIMENTO	80 giri al minuto
AMPIEZZA DELLA TRACCIA	8 mm
RIVOLUZIONI	300
DIAMETRO DELLA SFERA	3 mm
MATERIALE DELLA SFERA	Acciaio inox 440
LUBRIFICANTE	Nessuno
ATMOSFERA	Aria
TEMPERATURA	230C (RT)
UMIDITÀ	43%

PROCEDURA DI PROVA

TEST DI SCRATCH

TEST DI ADESIONE AL MICROGRAFFIO CON TESTER MECCANICO

La misurazione dell'adesione ai graffi del PTFE è stata condotta utilizzando NANOVEA Collaudatore meccanico con uno stilo diamantato Rockwell C da 1200 (raggio di 200 μm) in modalità Micro Scratch Tester.

Per garantire la riproducibilità dei risultati, sono stati eseguiti tre test in condizioni identiche.

PARAMETRI DEL TEST SCRATCH

TIPO DI CARICO	Progressivo
CARICO INIZIALE	0,01 mN
CARICO FINALE	20 mN
TASSO DI CARICO	40 mN/min
LUNGHEZZA DELLO SCRATCH	3 mm
VELOCITÀ DI SCRITTURA, dx/dt	6,0 mm/min
GEOMETRIA DEL PENETRATORE	120o Rockwell C
MATERIALE INDENTATORE (punta)	Diamante
RAGGIO DELLA PUNTA DEL PENETRATORE	200 μm

RISULTATI E DISCUSSIONE

USURA LINEARE RECIPROCA MEDIANTE TRIBOMETRO

Il COF registrato in situ è mostrato nella FIGURA 1. Il campione di prova ha mostrato un COF di ~0,18 durante i primi 130 giri, a causa della bassa appiccicosità del PTFE. Tuttavia, si è verificato un improvviso aumento del COF fino a ~1 una volta che il rivestimento si è rotto, rivelando il substrato sottostante. Dopo i test di movimento alternativo lineare, il proﬁlo della pista di usura è stato misurato utilizzando NANOVEA Proﬁlometro ottico senza contatto, come mostrato nella FIGURA 2. Dai dati ottenuti, il tasso di usura corrispondente è stato calcolato in ~2,78 × 10-3 mm3/Nm, mentre la profondità della traccia di usura è stata determinata in 44,94 µm.

Configurazione del test di usura del rivestimento in PTFE sul tribometro NANOVEA T50.

FIGURA 1: Evoluzione della COF durante il test di usura del rivestimento in PTFE.

FIGURA 2: Estrazione di tracce di usura in PTFE.

PTFE Prima della rottura

COF massimo	0.217
Min COF	0.125
Media COF	0.177

PTFE Dopo la rottura

COF massimo	0.217
Min COF	0.125
Media COF	0.177

TABELLA 1: COF prima e dopo la rottura durante il test di usura.

RISULTATI E DISCUSSIONE

TEST DI ADESIONE AL MICROGRAFFIO CON TESTER MECCANICO

L'adesione del rivestimento in PTFE al substrato è stata misurata mediante test di graffiatura con uno stilo diamantato da 200 µm. La micrografia è mostrata in FIGURA 3 e FIGURA 4, l'evoluzione della COF e la profondità di penetrazione in FIGURA 5. I risultati dei test di graffio del rivestimento in PTFE sono riassunti nella TABELLA 4. All'aumentare del carico sullo stilo diamantato, questo è penetrato progressivamente nel rivestimento, con conseguente aumento della COF. Quando è stato raggiunto un carico di ~8,5 N, si è verificata la rottura del rivestimento e l'esposizione del substrato ad alta pressione, che ha portato a un COF elevato di ~0,3. Il basso St Dev riportato nella TABELLA 2 dimostra la ripetibilità del test di graffiatura del rivestimento in PTFE condotto con il tester meccanico NANOVEA.

FIGURA 3: Micrografia del graffio completo su PTFE (10X).

FIGURA 4: Micrografia del graffio completo su PTFE (10X).

FIGURA 5: Grafico dell'attrito che mostra la linea del punto critico di rottura per il PTFE.

*Graffio*	*Punto di guasto [N]*	*Forza di attrito [N]*	*COF*
1	0.335	0.124	0.285
2	0.337	0.207	0.310
3	0.380	0.229	0.295
Media	8.52	2.47	0.297
St dev	0.17	0.16	0.012

TABELLA 2: Riepilogo del carico critico, della forza di attrito e della COF durante la prova di graffiatura.

CONCLUSIONE

In questo studio abbiamo condotto una simulazione del processo di usura di un rivestimento in PTFE per padelle antiaderenti utilizzando il tribometro NANOVEA T50 in modalità lineare alternata. Il rivestimento in PTFE ha mostrato un basso COF di ~0,18 e ha subito una rottura a circa 130 giri. La valutazione quantitativa dell'adesione del rivestimento in PTFE al substrato metallico è stata eseguita utilizzando il tester meccanico NANOVEA, che ha determinato un carico critico di rottura dell'adesione del rivestimento pari a ~8,5 N in questo test.

I tribometri NANOVEA offrono funzionalità precise e ripetibili di test di usura e attrito utilizzando modalità rotative e lineari conformi alle norme ISO e ASTM. Offrono moduli opzionali per l'usura ad alta temperatura, la lubrificazione e la tribocorrosione, tutti integrati in un unico sistema. Questa versatilità consente agli utenti di simulare con maggiore precisione gli ambienti applicativi del mondo reale e di acquisire una conoscenza approfondita dei meccanismi di usura e delle proprietà tribologiche di materiali diversi.

I tester meccanici NANOVEA oﬀeriscono moduli Nano, Micro e Macro, ciascuno dei quali include modalità di prova di indentazione, graffio e usura conformi alle norme ISO e ASTM, offrendo la più ampia e semplice gamma di capacità di prova disponibile in un unico sistema.

Avete un'applicazione simile?

Mappatura progressiva dell'usura di una pavimentazione mediante tribometro

Prove di resistenza all'usura dei pavimenti

Mappatura progressiva dell'usura dei pavimenti utilizzando un tribometro con profilometro integrato

Preparato da

FRANK LIU

INTRODUZIONE

I materiali per pavimenti sono progettati per essere durevoli, ma spesso subiscono l’usura dovuta alle attività quotidiane come il movimento e l’uso dei mobili. Per garantirne la longevità, la maggior parte dei tipi di pavimentazione dispone di uno strato protettivo antiusura che resiste ai danni. Tuttavia, lo spessore e la durabilità dello strato di usura variano a seconda del tipo di pavimentazione e del livello di traffico pedonale. Inoltre, diversi strati all’interno della struttura della pavimentazione, come rivestimenti UV, strati decorativi e smalti, hanno tassi di usura variabili. È qui che entra in gioco la mappatura progressiva dell'usura. Utilizzando il tribometro NANOVEA T2000 con un integrato Proﬁlometro 3D senza contattoÈ possibile effettuare un monitoraggio preciso e un'analisi delle prestazioni e della longevità dei materiali della pavimentazione. Fornendo informazioni dettagliate sul comportamento all'usura dei vari materiali di pavimentazione, scienziati e professionisti tecnici possono prendere decisioni più informate nella selezione e nella progettazione di nuovi sistemi di pavimentazione.

IMPORTANZA DELLA MAPPATURA PROGRESSIVA DELL'USURA PER I PANNELLI PER PAVIMENTI

I test sulle pavimentazioni sono tradizionalmente incentrati sul tasso di usura di un campione per determinarne la resistenza all'usura. Tuttavia, la mappatura progressiva dell'usura consente di analizzare il tasso di usura del campione durante l'intero test, fornendo preziose informazioni sul suo comportamento all'usura. Questa analisi approfondita consente di stabilire correlazioni tra i dati di attrito e il tasso di usura, identificando così le cause principali dell'usura. Va notato che i tassi di usura non sono costanti durante i test di usura. Pertanto, l'osservazione della progressione dell'usura fornisce una valutazione più accurata dell'usura del campione. Superando i metodi di prova tradizionali, l'adozione della mappatura progressiva dell'usura ha contribuito a significativi progressi nel campo delle prove sulle pavimentazioni.

Il tribometro NANOVEA T2000 con profilometro 3D senza contatto integrato è una soluzione innovativa per prove di usura e misurazioni della perdita di volume. La sua capacità di muoversi con precisione tra il perno e il profilometro garantisce l'affidabilità dei risultati eliminando qualsiasi deviazione nel raggio o nella posizione della traccia di usura. Ma non è tutto: le funzionalità avanzate del profilometro 3D senza contatto consentono misurazioni di superfici ad alta velocità, riducendo il tempo di scansione a pochi secondi. Con la capacità di applicare carichi fino a 2.000 N e di raggiungere velocità di centrifuga fino a 5.000 giri/min, la NANOVEA T2000 Tribometro offre versatilità e precisione nel processo di valutazione. È chiaro che questa apparecchiatura ricopre un ruolo fondamentale nella mappatura progressiva dell'usura.

FIGURA 1: Configurazione del campione prima del test di usura (a sinistra) e la profilometria della pista di usura dopo il test di usura (a destra).

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

I test di mappatura progressiva dell'usura sono stati eseguiti su due tipi di materiali per pavimentazione: pietra e legno. Ogni campione è stato sottoposto a un totale di 7 cicli di prova, con durate crescenti di 2, 4, 8, 20, 40, 60 e 120 s, per consentire un confronto dell'usura nel tempo. Dopo ogni ciclo di prova, la traccia di usura è stata profilata con il profilometro senza contatto NANOVEA 3D. Dai dati raccolti dal profilometro, il volume del foro e il tasso di usura possono essere analizzati utilizzando le funzioni integrate nel software NANOVEA Tribometer o nel nostro software di analisi delle superfici, Mountains.

NANOVEA T2000 Carico elevato
Tribometro pneumatico

I CAMPIONI

PARAMETRI DEL TEST DI MAPPATURA DELL'USURA

CARICO	40 N
DURATA DEL TEST	varia
VELOCITÀ	200 giri/min.
RADIUS	10 mm
DISTANZA	varia
MATERIALE DELLA SFERA	Carburo di tungsteno
DIAMETRO DELLA SFERA	10 mm

La durata dei test utilizzati nei 7 cicli è stata 2, 4, 8, 20, 40, 60 e 120 secondi, rispettivamente. Le distanze percorse sono state 0,40, 0,81, 1,66, 4,16, 8,36, 12,55 e 25,11 metri.

RISULTATI DELLA MAPPATURA DELL'USURA

Pavimenti in legno

*Ciclo di prova*	*COF massimo*	*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

ORIENTAMENTO RADIALE

*Ciclo di prova*	*Perdita di volume totale (µm3)*	Distanza totale Percorsa (m)	Tasso di usura (mm/Nm) x10^-5	Tasso di usura istantaneo (mm/Nm) x10^-5
1	296247687	0.40	1833.746	1833.746
2	355245227	1.22	1093.260	181.5637
3	596371326	2.88	898.242	363.1791
4	883747767	7.04	530.629	172.5496
5	1207179951	15.40	360.889	96.69074
6	1472745318	27.95	293.329	52.89311
7	1851319210	53.06	184.343	37.69599

FIGURA 2: Tasso di usura rispetto alla distanza totale percorsa (sinistra)
e il tasso di usura istantaneo rispetto al ciclo di prova (a destra) per i pavimenti in legno.

FIGURA 3: Grafico COF e vista 3D della traccia di usura del test #7 su pavimento in legno.

FIGURA 4: Analisi in sezione trasversale della traccia di usura del legno della prova #7

FIGURA 5: Analisi del volume e dell'area della traccia di usura sul campione di legno #7.

Per i dettagli completi sui risultati, fare clic qui.

RISULTATI DELLA MAPPATURA DELL'USURA

Pavimenti in pietra

*Ciclo di prova*	*COF massimo*	*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

ORIENTAMENTO RADIALE

*Ciclo di prova*	*Perdita di volume totale (µm3)*	Distanza totale Percorsa (m)	Tasso di usura (mm/Nm) x10^-5	Tasso di usura istantaneo (mm/Nm) x10^-5
1	96278846	0.40	595.957	595.9573
2	804289731	1.22	2475.185	2178.889
3	1316147855	2.88	1982.355	770.9501
4	3136530215	7.04	1883.269	1093.013
5	10821732180	15.40	3235.180	2297.508
6	20174960343	27.95	4018.282	1862.899
7	42512063420	53.06	4233.081	2224.187

FIGURA 6: Tasso di usura rispetto alla distanza totale percorsa (sinistra)
e tasso di usura istantaneo rispetto al ciclo di prova (a destra) per i pavimenti in pietra.

FIGURA 7: Grafico COF e vista 3D della traccia di usura del test #7 su pavimentazione in pietra.

FIGURA 8: Analisi trasversale della traccia di usura della pietra della prova #7.

FIGURA 9: Analisi del volume e dell'area della traccia di usura sul campione di pietra #7.

Per i dettagli completi sui risultati, fare clic qui.

DISCUSSIONE

Il tasso di usura istantaneo viene calcolato con la seguente equazione:

Dove V è il volume di un foro, N è il carico e X è la distanza totale, questa equazione descrive il tasso di usura tra i cicli di prova. Il tasso di usura istantaneo può essere utilizzato per identificare meglio le variazioni del tasso di usura nel corso della prova.

Entrambi i campioni presentano comportamenti di usura molto diversi. Nel corso del tempo, il pavimento in legno inizia con un tasso di usura elevato, ma scende rapidamente a un valore minore e costante. Per il pavimento in pietra, il tasso di usura sembra iniziare con un valore basso e tendere a un valore più alto nel corso dei cicli. Anche il tasso di usura istantaneo mostra poca coerenza. La ragione specifica della differenza non è certa, ma potrebbe essere dovuta alla struttura dei campioni. Il pavimento in pietra sembra essere costituito da particelle sciolte simili a grani, che si usurano in modo diverso rispetto alla struttura compatta del legno. Sarebbero necessari ulteriori test e ricerche per accertare la causa di questo comportamento di usura.

I dati del coefficiente di attrito (COF) sembrano concordare con il comportamento di usura osservato. Il grafico del COF per il pavimento in legno appare costante durante i cicli, a complemento del tasso di usura costante. Per la pavimentazione in pietra, il COF medio aumenta durante i cicli, in modo simile a come anche il tasso di usura aumenta con i cicli. Si notano anche evidenti cambiamenti nella forma dei grafici di attrito, che suggeriscono cambiamenti nel modo in cui la sfera interagisce con il campione di pietra. Questo fenomeno è più evidente nel ciclo 2 e nel ciclo 4.

CONCLUSIONE

Il tribometro NANOVEA T2000 mostra la sua capacità di eseguire una mappatura progressiva dell'usura analizzando il tasso di usura tra due diversi campioni di pavimentazione. La pausa del test di usura continua e la scansione della superficie con il profilometro senza contatto NANOVEA 3D forniscono preziose informazioni sul comportamento del materiale nel tempo.

Il tribometro NANOVEA T2000 con il profilometro 3D senza contatto integrato fornisce un'ampia gamma di dati, tra cui COF (Coefficiente di attrito), misure di superficie, letture di profondità, visualizzazione della superficie, perdita di volume, tasso di usura e altro ancora. Questa serie completa di informazioni consente agli utenti di comprendere più a fondo le interazioni tra il sistema e il campione. Grazie al carico controllato, all'elevata precisione, alla facilità d'uso, al carico elevato, all'ampio intervallo di velocità e ai moduli ambientali aggiuntivi, il tribometro NANOVEA T2000 porta la tribologia a un livello superiore.

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Analisi meccanica dinamica del sughero mediante nanoindentazione

ANALISI MECCANICA DINAMICA

DEL SUGHERO MEDIANTE NANOINDENTAZIONE

Preparato da

FRANK LIU

INTRODUZIONE

L'analisi meccanica dinamica (DMA) è una tecnica potente utilizzata per studiare le proprietà meccaniche dei materiali. In questa applicazione, ci concentriamo sull'analisi del sughero, un materiale ampiamente utilizzato nei processi di sigillatura e invecchiamento del vino. Il sughero, ottenuto dalla corteccia della quercia Quercus suber, presenta strutture cellulari distinte che forniscono proprietà meccaniche simili a quelle dei polimeri sintetici. In un asse, il sughero ha una struttura a nido d'ape. Gli altri due assi sono strutturati in prismi multipli di forma rettangolare. Ciò conferisce al sughero proprietà meccaniche diverse a seconda dell'orientamento testato.

IMPORTANZA DELLE PROVE DI ANALISI MECCANICA DINAMICA (DMA) NELLA VALUTAZIONE DELLE PROPRIETÀ MECCANICHE DEL SUGHERO

La qualità dei tappi di sughero dipende in larga misura dalle loro proprietà meccaniche e fisiche, che sono fondamentali per la loro eﬀcacia nella sigillatura del vino. I fattori chiave che determinano la qualità del sughero includono la ﬂessibilità, l'isolamento, la resilienza e l'impermeabilità a gas e liquidi. Utilizzando test di analisi meccanica dinamica (DMA), possiamo valutare quantitativamente le proprietà di ﬂessibilità e resilienza dei tappi di sughero, fornendo un metodo di valutazione affidabile.

Il tester meccanico NANOVEA PB1000 nel Nanoindentazione consente di caratterizzare queste proprietà, in particolare il modulo di Young, il modulo di accumulo, il modulo di perdita e il tan delta (tan (δ)). Il test DMA consente inoltre di raccogliere dati preziosi sullo sfasamento, la durezza, le sollecitazioni e le deformazioni del materiale di sughero. Grazie a queste analisi complete, è possibile approfondire il comportamento meccanico dei tappi di sughero e la loro idoneità per le applicazioni di sigillatura del vino.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questo studio, è stata eseguita un'analisi meccanica dinamica (DMA) su quattro tappi di sughero utilizzando il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità di nanoindentazione. La qualità dei tappi di sughero è etichettata come: 1 - Flor, 2 - First, 3 - Colmato, 4 - Gomma sintetica. Le prove di indentazione DMA sono state condotte sia in direzione assiale che radiale per ciascun tappo di sughero. Analizzando la risposta meccanica dei tappi di sughero, abbiamo cercato di capire il loro comportamento dinamico e di valutare le loro prestazioni in caso di orientamenti diversi.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRI DEL TEST

FORZA MASSIMA	75 mN
TASSO DI CARICO	150 mN/min
TASSO DI SCARICO	150 mN/min
AMPLITUDINE	5 mN
FREQUENZA	1 Hz
CREEP	60 s

tipo di penetratore

Palla

51200 Acciaio

Diametro 3 mm

RISULTATI

Nelle tabelle e nei grafici seguenti vengono confrontati il modulo di Young, il modulo di accumulo, il modulo di perdita e il tan delta tra ciascun campione e orientamento.

Modulo di Young: Stiﬀness; valori elevati indicano stiﬀ, valori bassi indicano ﬂessibilità.

Modulo di stoccaggio: Risposta elastica; energia immagazzinata nel materiale.

Modulo di perdita: Risposta viscosa; energia persa a causa del calore.

Abbronzatura (δ): Smorzamento; valori elevati indicano un maggiore smorzamento.

ORIENTAMENTO ASSIALE

*Tappo*	*MODULO DI YOUNG*	*MODULO DI ACCUMULO*	*MODULO DI PERDITA*	*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

ORIENTAMENTO RADIALE

*Tappo*	*MODULO DI YOUNG*	*MODULO DI ACCUMULO*	*MODULO DI PERDITA*	*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

MODULO DI YOUNG

MODULO DI ACCUMULO

MODULO DI PERDITA

TAN DELTA

Tra i tappi di sughero, il modulo di Young non è molto diverso quando viene testato in direzione assiale. Solo i tappi #2 e #3 mostrano un'apparente differenza nel modulo di Young tra la direzione radiale e quella assiale. Di conseguenza, anche il modulo di accumulo e il modulo di perdita saranno più alti in direzione radiale che in direzione assiale. Il tappo #4 presenta caratteristiche simili a quelle dei tappi in sughero naturale, tranne che per il modulo di perdita. Questo dato è molto interessante perché significa che il sughero naturale ha una proprietà più viscosa rispetto al materiale in gomma sintetica.

CONCLUSIONE

La NANOVEA Collaudatore meccanico nella modalità Nano Scratch Tester consente la simulazione di molti guasti reali dei rivestimenti di vernice e dei rivestimenti duri. Applicando carichi crescenti in modo controllato e attentamente monitorato, lo strumento permette di individuare in quali momenti si verificano cedimenti di carico. Questo può quindi essere utilizzato come metodo per determinare valori quantitativi per la resistenza ai graffi. È noto che il rivestimento testato, senza agenti atmosferici, presenta una prima fessura a circa 22 mN. Con valori più vicini a 5 mN, è chiaro che il giro di 7 anni ha degradato la vernice.

La compensazione del profilo originale consente di ottenere una profondità corretta durante il graffio e di misurare la profondità residua dopo il graffio. Ciò fornisce ulteriori informazioni sul comportamento plastico ed elastico del rivestimento in presenza di un carico crescente. Sia la fessurazione che le informazioni sulla deformazione possono essere di grande utilità per migliorare il rivestimento duro. Le deviazioni standard molto ridotte dimostrano anche la riproducibilità della tecnica dello strumento, che può aiutare i produttori a migliorare la qualità del loro rivestimento/vernice dura e a studiare gli effetti degli agenti atmosferici.

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Test di nano-graffio e mar della vernice su substrato metallico

Test Nano Scratch & Mar

di vernice su substrato metallico

Preparato da

SUSANA CABELLO

INTRODUZIONE

La vernice con o senza strato duro è uno dei rivestimenti più comunemente utilizzati. La vediamo sulle auto, sui muri, sugli elettrodomestici e praticamente su tutto ciò che necessita di un rivestimento protettivo o semplicemente per scopi estetici. Le vernici destinate alla protezione del substrato sottostante spesso contengono sostanze chimiche che impediscono alla vernice di prendere fuoco o semplicemente di perdere il colore o di screpolarsi. Spesso le vernici utilizzate per scopi estetici sono disponibili in vari colori, ma non sono necessariamente destinate alla protezione del substrato o a una lunga durata.

Tuttavia, tutte le vernici subiscono un certo invecchiamento nel corso del tempo. Gli agenti atmosferici sulla vernice possono spesso modificarne le proprietà rispetto a quelle previste dal produttore. Può scheggiarsi più rapidamente, scrostarsi con il calore, perdere colore o creparsi. I diversi cambiamenti di proprietà delle vernici nel tempo sono il motivo per cui i produttori offrono una scelta così ampia. Le vernici sono personalizzate per soddisfare le diverse esigenze dei singoli clienti.

IMPORTANZA DEL NANO SCRATCH TEST PER IL CONTROLLO DI QUALITÀ

Una delle principali preoccupazioni dei produttori di vernici è la capacità del loro prodotto di resistere alle screpolature. Una volta che la vernice inizia a screpolarsi, non riesce a proteggere il substrato su cui è stata applicata e quindi non soddisfa il cliente. Ad esempio, se un ramo dovesse colpire la fiancata di un'auto e subito dopo la vernice iniziasse a scheggiarsi, i produttori di vernice perderebbero l'attività a causa della scarsa qualità della vernice. La qualità della vernice è molto importante perché se il metallo sotto la vernice viene esposto può iniziare ad arrugginirsi o a corrodersi a causa della nuova esposizione.

Ragioni simili valgono per molti altri settori, come le forniture per la casa e l'ufficio, l'elettronica, i giocattoli, gli strumenti di ricerca e altro ancora. Anche se la vernice può essere resistente alle crepe quando viene applicata per la prima volta ai rivestimenti metallici, le proprietà possono cambiare nel corso del tempo quando il campione è stato sottoposto agli agenti atmosferici. Per questo motivo è molto importante che i campioni di vernice siano testati allo stato di invecchiamento. Sebbene la fessurazione sotto un elevato carico di stress possa essere inevitabile, il produttore deve prevedere l'indebolimento dei cambiamenti nel tempo e la profondità del graffio da aﬀettuare per fornire ai propri consumatori i migliori prodotti possibili.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

Dobbiamo simulare il processo di graffiatura in modo controllato e monitorato per osservare gli eﬀetti del comportamento del campione. In questa applicazione, il tester meccanico NANOVEA PB1000 in modalità Nano Scratch Testing viene utilizzato per misurare il carico necessario a causare il cedimento di un campione di vernice di circa 7 anni di spessore pari a 30-50 μm su un substrato metallico.

Uno stilo con punta di diamante da 2 μm viene utilizzato con un carico progressivo da 0,015 mN a 20,00 mN per graffiare il rivestimento. Abbiamo eseguito una scansione pre e post della vernice con un carico di 0,2 mN per determinare il valore della profondità reale del graffio. La profondità reale analizza la deformazione plastica ed elastica del campione durante il test, mentre la scansione successiva analizza solo la deformazione plastica del graffio. Il punto in cui il rivestimento si rompe per fessurazione è considerato il punto di rottura. Abbiamo utilizzato l'ASTMD7187 come guida per determinare i nostri parametri di prova.

Si può concludere che, avendo utilizzato un campione esposto alle intemperie; quindi, testando un campione di vernice al suo stadio più debole, abbiamo ottenuto minori punti di rottura.

Su questo campione sono stati eseguiti cinque test al fine di

determinare con esattezza i carichi critici di rottura.

NANOVEA

PB1000

PARAMETRI DEL TEST

a seguire ASTM D7027

La superficie di un campione di rugosità è stata scansionata con un NANOVEA ST400 dotato di un sensore ad alta velocità che genera una linea luminosa di 192 punti, come mostrato in FIGURA 1. Questi 192 punti scansionano contemporaneamente la superficie del campione, aumentando notevolmente la velocità di scansione. Questi 192 punti scansionano la superficie del campione contemporaneamente, aumentando notevolmente la velocità di scansione.

TIPO DI CARICO	Progressivo
CARICO INIZIALE	0,015 mN
CARICO FINALE	20 mN
TASSO DI CARICO	20 mN/min
LUNGHEZZA DELLO SCRATCH	1,6 mm
VELOCITÀ DI SCRATCH, dx/dt	1,601 mm/min
CARICAMENTO PRE-SCAN	0,2 mN
CARICAMENTO POST-SCANSIONE	0,2 mN

tipo di penetratore

Conico

Cono diamantato a 90°

Raggio della punta di 2 µm

RISULTATI

Questa sezione presenta i dati raccolti sui guasti durante la prova di scratch. La prima sezione descrive i cedimenti osservati durante lo scratch e definisce i carichi critici riportati. La parte successiva contiene una tabella riassuntiva dei carichi critici per tutti i campioni e una rappresentazione grafica. L'ultima parte presenta i risultati dettagliati per ogni campione: i carichi critici per ogni graffio, le micrografie di ogni guasto e il grafico della prova.

GUASTI OSSERVATI E DEFINIZIONE DEI CARICHI CRITICI

FALLIMENTO CRITICO:

DANNO INIZIALE

Questo è il primo punto in cui si osserva il danno lungo la traccia del graffio.

FALLIMENTO CRITICO:

DANNO COMPLETO

A questo punto, il danno è più significativo: la vernice si sta scheggiando e crepando lungo la traccia dei graffi.

RISULTATI DETTAGLIATI

* I valori di rottura si riferiscono al punto di fessurazione del substrato.

CARICHI CRITICI
SCRATCH	DANNO INIZIALE [mN]	DANNO COMPLETO [µm]
1	14.513	4.932
2	3.895	4.838
3	3.917	4.930

MEDIA	3.988	4.900
DEV STD	0.143	0.054

FIGURA 2: Micrografia del graffio completo (ingrandimento 1000x).

FIGURA 3: Micrografia del danno iniziale (ingrandimento 1000x).

FIGURA 4: Micrografia del danno completo (ingrandimento 1000x).

FIGURA 5: Forza di attrito e Coeﬃciente di attrito.

FIGURA 6: Profilo della superficie.

FIGURA 7: Profondità vera e profondità residua.

CONCLUSIONE

La NANOVEA Collaudatore meccanico nel Nano Scratch Tester consente di simulare molti guasti reali di vernici e rivestimenti duri. Applicando carichi crescenti in modo controllato e strettamente monitorato, lo strumento consente di identificare a quale carico si verificano i guasti. Questo può essere utilizzato per determinare i valori quantitativi della resistenza ai graffi. È noto che il rivestimento testato, in assenza di agenti atmosferici, presenta una prima cricca a circa 22 mN. Con valori più vicini a 5 mN, è chiaro che il periodo di 7 anni ha degradato la vernice.

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