カテゴリープロフィロメトリー｜幾何学と形状

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

作成者

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

はじめに

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 詳細はこちら non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

このアプリケーションでは 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.

ナノビア JR25 Portable
光学式表面形状計

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.

測定パラメータ

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
スク	2.433	µm	二乗平均平方根の高さ
エスケープ	-0.102		歪度
スクー	3.715		クルトーシス
Sp	18.861	µm	最大ピーク高さ
エスブイ	16.553	µm	Maximum pit depth
エスエス	35.414	µm	最高高さ
サ	1.888	µm	算術平均身長

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: なし
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: なし

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: なし
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: なし

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

結論

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.

参考文献

[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?

ポータブル3Dプロフィロメータによる溶接面検査

溶接表面検査

ポータブル3Dプロフィロメーターによる

作成者

CRAIG LEISING

はじめに

通常目視検査で行われる特定の溶接を、極めて高い精度で調査することが重要になる場合があります。精密分析の対象となる特定の領域には、その後の検査手順に関係なく、表面の亀裂、気孔、未充填のクレーターが含まれます。寸法・形状、体積、粗さ、サイズなどの溶接の特性はすべて、重要な評価のために測定することが可能です。

溶接面検査における3D非接触プロフィロメータの重要性

タッチプローブや干渉計などの他の技術とは異なり、NANOVEA 3D非接触形状計軸色収差を使用するため、ほぼすべての表面を測定でき、オープンステージングによりサンプルサイズは大きく変化する可能性があり、サンプルの前処理は必要ありません。ナノからマクロの範囲は、サンプルの反射率や吸収の影響を受けずに表面プロファイル測定中に得られ、高い表面角度を測定する高度な機能を備えており、結果をソフトウェアで操作する必要はありません。透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗いなど、あらゆる材質を簡単に測定できます。NANOVEA ポータブル表面形状計の 2D および 2D 機能により、実験室と現場の両方で完全な溶接表面検査を行うための理想的な機器となります。

測定目的

このアプリケーションでは、ナノビアJR25 ポータブルプロファイラを使用して溶接部の表面粗さ、形状、体積、およびその周辺を測定しています。この情報は、溶接と溶接プロセスの品質を適切に調査するための重要な情報を提供することができます。

ナノビア

JR25

測定結果

下の画像は、溶接部とその周辺の完全な3Dビューと、溶接部のみの表面パラメータを表示したものです。2D断面プロファイルは以下の通りです。

試供品

上記の2次元断面形状を3次元から削除し溶接部の寸法情報を以下に計算します。溶接部のみの表面積と材料の体積を計算します。

	ホール	ピーク
表面	1.01mm²	14.0 mm²
容積	8.799e-5 mm³	23.27 mm³
最大深さ/高さ	0.0276 mm	0.6195 mm
平均深度・平均高さ	0.004024 mm	0.2298 mm

まとめ

このアプリケーションでは、ナノビア3D非接触プロファイラが溶接部とその周辺表面領域の重要な特性を正確に評価できることを示しました。粗さ、寸法、体積から、品質と再現性の定量的な方法を決定し、またはさらに調査することができます。このアプリケーションノートの例のようなサンプル溶接は、社内またはフィールドテスト用の標準的なナノビア卓上又はポータブルプロファイラで簡単に分析することができます。

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3Dプロフィロメトリーによる破壊面解析

フラクトグラフィー解析

3Dプロフィロメトリーによる

作成者

CRAIG LEISING

はじめに

フラクトグラフィーは、破壊された表面の特徴を研究するもので、歴史的には顕微鏡または SEM を使用して調査されてきました。フィーチャのサイズに応じて、表面分析には顕微鏡 (マクロフィーチャ) または SEM (ナノおよびマイクロフィーチャ) が選択されます。どちらも最終的には破壊メカニズムのタイプを特定できるようになります。顕微鏡には効果的ではありますが、明らかな限界があり、SEM は原子レベルの分析を除いて、ほとんどの場合、破面測定には非実用的であり、広範な使用能力がありません。光学計測技術の進歩により、NANOVEA 3D非接触形状計ナノスケールからマクロスケールまでの 2D および 3D 表面測定を提供する機能を備え、現在、最適な機器とみなされています

亀裂検査における3D非接触プロフィロメータの重要性

SEMとは異なり、3D非接触プロフィロメータは、SEMよりも優れた垂直・水平方向の寸法を提供しながら、ほぼすべての表面、サンプルサイズ、最小限のサンプル前処理で測定することができます。プロファイラでは、ナノからマクロレンジの形状を一度の測定で捉えることができ、試料の反射率の影響を受けることはありません。透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗面など、あらゆる材質を簡単に測定することができます。3D非接触プロフィロメータは、SEMの数分の一のコストで、表面破壊研究を最大化するための広範でユーザーフレンドリーな機能を提供します。

測定目的

このアプリケーションでは、ナノビアST400を用いて鋼鉄サンプルの破断面を測定しています。3Dエリア、2Dプロファイル抽出、表面の方向性マップを紹介します。

ナノビア

ST400

結果

表面

3D表面テクスチャーの方向性

等方性	51.26%
ファーストディレクション	123.2º
セカンドディレクション	116.3º
サードディレクション	0.1725º

この抽出液から表面積、体積、粗さなどを自動計算することができます。

2Dプロファイル抽出

結果

側面

3D表面テクスチャーの方向性

等方性	15.55%
ファーストディレクション	0.1617º
セカンドディレクション	110.5º
サードディレクション	171.5º

この抽出液から表面積、体積、粗さなどを自動計算することができます。

2Dプロファイル抽出

まとめ

このアプリケーションでは、ナノビアST400 3D非接触プロフィロメーターが、破砕表面の完全な地形（ナノ、マイクロ、マクロの特徴）を正確に特徴付けることができることを示しました。3D領域から、表面を明確に識別し、サブ領域またはプロファイル/クロスセクションを迅速に抽出し、表面計算の無限のリストを使用して分析することができます。サブナノメートルの表面形状は、統合されたAFMモジュールでさらに分析することができます。

さらに、ナノベアーのプロフィロメーターにはポータブルタイプもあり、特に亀裂の表面が動かないようなフィールド調査には欠かせないものとなっています。このように幅広い表面測定機能を備えているため、1台の装置で亀裂表面の分析がより簡単に、より便利になりました。

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トライボメータによるポリマーベルトの摩耗と摩擦の測定

ポリマーベルト

トライボメータによる摩耗と摩擦

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

ベルトドライブは、2つ以上の回転軸の間で動力を伝達し、相対的な動きを追跡します。ベルトドライブはメンテナンスが最小限で済むシンプルで安価なソリューションとして、バックスソー、製材所、脱穀機、サイロブロワー、コンベアなど様々な用途で広く使用されています。ベルトドライブは過負荷から機械を保護するだけでなく、振動を減衰させ、分離することができます。

摩耗評価の重要性ベルトドライブの摩耗評価の重要性

ベルト駆動の機械ではベルトの摩擦と摩耗が避けられません。十分な摩擦があればスリップすることなく効果的に動力を伝達できますが、過度の摩擦はベルトを急速に摩耗させる可能性があります。ベルトドライブの運転中は、疲労、摩耗、摩擦などさまざまな種類の摩耗が発生します。ベルトの寿命を延ばし、ベルトの修理や交換にかかる費用と時間を削減するためには、ベルトの摩耗性能を確実に評価することがベルトの寿命、生産効率、アプリケーションの性能を向上させるために重要です。ベルトの摩擦係数や摩耗量を正確に測定することで、ベルトの研究開発や品質管理が容易になります。

測定目的

この研究では、異なる表面テクスチャを持つベルトの摩耗挙動をシミュレーションして比較し、その能力を紹介します。ナノビア T2000トライボメータは、ベルトの摩耗プロセスを制御・監視しながらシミュレートすることができます。

ナノビア

T2000

試験方法

表面粗さとテクスチャーの異なる2種類のベルトについて，摩擦係数COFと耐摩耗性を評価したました。ナノビア高負荷トライボメータ直線往復摩耗モジュールを使用。カウンター材としてスチール 440 ボール (直径 10 mm) を使用しました。統合された測定器を使用して表面粗さと摩耗痕跡を検査しました。 3D非接触表面形状計。摩耗率、 Kの式で評価した。 K=Vl(Fxs)で、ここで V は摩耗量です。 F は法線荷重であり s は滑走距離である。

なお、今回は平滑なスチール440のボールを例としていますが、形状や表面仕上げの異なるあらゆる固体材料をカスタムフィクスチャーを使用して実際のアプリケーション状況をシミュレートして適用することが可能です。

結果・考察

分析した表面プロファイルによるとテクスチャーベルトとスムースベルトの表面粗さRaはそれぞれ33.5と8.7umでした。ナノビア 3D非接触光学式プロファイラｰ試験した2つのベルトのCOFと摩耗率をそれぞれ10Nと100Nで測定し、異なる荷重でのベルトの摩耗挙動を比較しました。

図1 図1は摩耗試験中のベルトのCOFの変化を示します。異なるテクスチャを持つベルトは実質的に異なる摩耗挙動を示しています。興味深いことに、COFが徐々に増加する慣らし運転期間の後、テクスチャーベルトは10Nと100Nの荷重で行った試験の両方で、〜0.5という低いCOFに達しました。これに対し、10Nの荷重で試験したスムースベルトは、COFが安定すると〜1.4という著しく高いCOFを示し、試験の残りの間はこの値を維持します。100Nの荷重で試験した平滑ベルトは、鋼球440によって急速に摩耗し、大きな摩耗痕が形成されました。そのため試験は220回転で停止しました。

図1: 異なる負荷におけるベルトのCOFの進化。

図2は100Nの試験後の3次元摩耗痕画像の比較です。ナノビア3次元非接触プロフィロメータは摩耗痕の詳細な形状を解析するツールを提供し、摩耗メカニズムの基礎的な理解に役立つ情報を提供します。

表1: 摩耗痕の解析結果

図2: 2本のベルトの3Dビュー
100Nでの試験後。

3D摩耗痕プロファイルにより、表1に示すように高度な解析ソフトウェアで計算された摩耗痕の体積を直接かつ正確に決定することができます。220回転の摩耗試験では、スムースベルトの摩耗痕は75.7mm3と非常に大きく深くなっているのに対し、600回転の摩耗試験ではテクスチャーベルトの摩耗痕は14.0mm3となっています。スチールボールに対するスムースベルトの摩擦が非常に大きいため、テクスチャーベルトと比較して15倍の摩耗量となりました。

このようにテクスチャーベルトとスムースベルトのCOFが大きく異なるのは、ベルトと鋼球の接触面積の大きさが関係していると考えられ、それが両者の摩耗性能の違いにもつながっていると考えられます。図3は2つのベルトの摩耗痕を光学顕微鏡で観察したものです。摩耗痕の検査はCOFの変遷に関する観察と一致しています。100Nで行った摩耗試験では、テクスチャーベルトとスムースベルトの両方にかなり大きな摩耗痕ができ、次の段落で述べるように、3Dプロファイルを用いて摩耗率を計算することになります。

図3: 光学顕微鏡による摩耗痕の観察

まとめ

本研究では、ベルトの摩擦係数と摩耗量を良好に制御し定量的に評価するナノビア T2000トライボメーターの能力を紹介しました。ベルトの摩擦と耐摩耗性には、表面のテクスチャが重要な役割を担っています。テクスチャを施したベルトは摩擦係数が0.5程度と安定しており寿命も長いため、工具の修理や交換にかかる時間やコストを削減することができます。一方、平滑ベルトは鋼球との過度な摩擦によりベルトが急速に摩耗します。更にベルトにかかる負荷は寿命の重要な要素になります。過負荷は非常に高い摩擦を引き起こし、ベルトの摩耗を加速させます。

NANOVEA T2000トライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションで高温摩耗、潤滑、摩擦腐食モジュールを1つのシステムに統合して使用することが可能です。 NANOVEAの本装置は薄膜や厚膜、軟質や硬質のコーティング、フィルム、基材などのトライボロジー特性をフルレンジで測定できる理想的な装置です。

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3次元形状測定による化石の微細構造の解明

化石微細構造

3Dプロフィロメトリーによる

作成者

DUANJIE LI, PhD

はじめに

化石とは、太古の海や湖、川の中の堆積物に埋もれた植物や動物などの生物の痕跡が保存されたものです。通常体の柔らかい組織は死後腐敗しますが、硬い貝殻や骨、歯などは化石となります。元の貝殻や骨と鉱物の交換が行われる際に微細構造の表面の特徴が保存されることが多く、気象の進化や化石の形成機構を知ることができます。

化石検査における3次元非接触型プロフィロメータの重要性

化石の 3D プロファイルにより、化石サンプルの詳細な表面の特徴をより近い角度から観察することができます。 NANOVEA 表面形状計の高い分解能と精度は、肉眼では認識できない場合があります。プロフィロメーターの分析ソフトウェアは、これらのユニークな表面に適用できる幅広い研究を提供します。タッチプローブなどの他の技術とは異なり、NANOVEA 3D非接触形状計サンプルに触れずに表面の特徴を測定します。これにより、特定のデリケートな化石サンプルの真の表面特徴を保存することが可能になります。さらに、ポータブルモデルJr25表面形状計は化石現場の3D測定を可能にし、化石分析と発掘後の保護を大幅に容易にします。

測定目的

本研究では、ナノビアJr25プロフィロメーターを用いて2つの代表的な化石試料の表面を測定しました。それぞれの化石の表面全体をスキャンし、粗さ、輪郭、テクスチャの方向などの表面特性を分析しました。

ナノビア

Jr25

腕足類の化石

最初に紹介するのは、硬い「弁」（殻）を上下に持つ海産動物の腕足類の化石である。5億5千万年以上前のカンブリア紀に初めて出現した。

図1にスキャンの3Dビューを、図2にフォルスカラービューを示します。

図1: 腕足類の化石サンプルの3Dビュー

図2: 腕足類の化石サンプルのカラー異常図

次に図3に示すように、腕足類の化石の局所的な表面形態と輪郭を調べるために、全体の形態を表面から除去しました。このとき、腕足類の化石サンプルには独特の発散溝テクスチャが観察されました。

図3: カラー異常表示と輪郭線表示

図4は、化石表面の断面図を示すために、テクスチャ領域からラインプロファイルを抽出したものです。ステップハイト調査では、表面形状の正確な寸法を測定しています。溝の平均幅は約0.38 mm、深さは約0.25 mmです。

図4: テクスチャー表面のラインプロファイルとステップハイトの研究

ウミユリ科の化石

2つ目の化石サンプルは、ウミユリの茎の化石です。ウミユリは恐竜より約3億年前のカンブリア紀中期の海に初めて現れました。

図5にスキャンの3Dビュー、図6にカラー異常ビューを示します。

図5: ウミユリの化石サンプルの3Dビュー。

図7は、ウミユリの茎化石の表面テクスチャーの等方性と粗さを分析したものです。

この化石は90°に近い角度でテクスチャーの方向が優先され、69%のテクスチャーアイソトロピーにつながります。

図6: ウミユリのカラー異常表示ウミユリ科の茎のサンプルです。

図7: ウミユリの茎化石の表面テクスチャーの等方性と粗さ

図8は、ウミユリの茎化石の軸方向に沿った2次元プロファイルを示したものです。

表面テクスチャーのピークの大きさはほぼ均一です。

図8: ウミユリの茎化石の2次元プロファイル解析

まとめ

このアプリケーションでは、ナノビアJr25ポータブル非接触型プロフィロメータを使用して、腕足類とウミユリの茎の化石の3D表面形状を包括的に研究しました。この装置により、化石サンプルの3D形状を正確に評価できることを示しました。さらに、試料の表面の興味深い特徴や質感を分析しました。腕足類のサンプルは発散性の溝を持ち、ウミユリの茎の化石は優先的なテクスチャーの等方性を示しています。詳細かつ正確な3D表面スキャンは、古生物学者や地質学者にとって、生命の進化や化石の形成を研究するための理想的なツールであることが証明されました。

ここに掲載されているデータは解析ソフトウェアで利用可能な計算の一部に過ぎません。半導体、マイクロエレクトロニクス、太陽電池、光ファイバー、自動車、航空宇宙、冶金、機械加工、コーティング、製薬、バイオメディカル、環境など、あらゆる分野の表面を測定することができます。

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表面境界測定

3Dプロフィロメトリーによる表面境界計測

詳細はこちら

表層境界測定

3Dプロフィロメトリーによる

作成者

クレイグ・ライジング

はじめに

表面の特徴、パターン、形状などの界面が配向性を評価されるような研究では、測定プロファイル全体にわたって関心のある領域をすばやく特定することが有用です。表面を重要な領域に分割することで、ユーザーは境界、ピーク、ピット、面積、体積などを迅速に評価し、研究対象の表面プロファイル全体における機能的な役割を理解することができます。例えば、金属の粒界イメージングでは、多くの構造物の界面や全体的な方向性が解析の重要なポイントになります。それぞれの領域を理解することで、全体の中の欠陥や異常を特定することができます。粒界のイメージングは通常プロフィロメータの能力を超える領域で研究され、2D画像分析に過ぎませんが、3D表面測定の利点とともに、ここで紹介する概念をより大きなスケールで説明するための参考資料となります。

表面分離研究における3次元非接触形状測定機の重要性

タッチプローブや干渉計などの他の技術とは異なり、 3D非接触形状計軸色収差を使用するため、ほぼすべての表面を測定でき、オープンステージングによりサンプルサイズは大きく変化する可能性があり、サンプルの前処理は必要ありません。ナノからマクロの範囲は、サンプルの反射率や吸収の影響を受けずに表面プロファイル測定中に得られ、高い表面角度を測定する高度な機能を備えており、結果をソフトウェアで操作する必要はありません。透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗いなど、あらゆる材質を簡単に測定できます。非接触粗面計の技術は、表面境界分析が必要な場合に表面調査を最大限に高めるための理想的で広範で使いやすい機能を提供します。 2D と 3D 機能を組み合わせたメリットも得られます。

測定目的

このアプリケーションでは、発泡スチロールの表面積を測定するためにナノベアST400プロフィロメータが使用されています。境界は、NANOVEA ST400を使用して同時に取得される地形とともに、反射強度ファイルを組み合わせることによって確立されました。このデータをもとに、発泡スチロールの「粒」ごとに異なる形状や大きさの情報を算出しました。

ナノビア

ST400

結果と考察：2次元表面境界の測定

トポグラフィー画像（左下）を反射強度画像（右下）でマスクし、結晶粒の境界を明確にした画像。直径565μm以下の粒はフィルターをかけることで無視されている。

粒の総数167
粒が占める投影面積の合計。166.917 mm² (64.5962 %)
バウンダリー占有予想総面積： (35.4038 %)
粒の密度0.646285粒/mm2

面積 = 0.999500 mm² +/- 0.491846 mm².
外周＝9114.15μm +/- 4570.38μm
等価直径 = 1098.61 µm +/- 256.235 µm
平均直径 = 945.373 µm +/- 248.344 µm
最小径 = 675.898 µm +/- 246.850 µm
最大径＝1312.43 µm +/- 295.258 µm

結果＆考察：3次元表面境界計測

得られた3次元トポグラフィーデータを用いて、各粒子の体積、高さ、ピーク、アスペクト比、一般的な形状情報を解析することができる。3次元占有総面積：2.525mm3

まとめ

このアプリケーションでは、NANOVEA 3D非接触形状測定機が発泡スチロールの表面を精密に特性評価できることを示しました。統計的な情報は、表面全体、またはピークやピットなどの個々の粒子について得ることができます。この例では、ユーザーが定義したサイズより大きいすべての粒を使用して、面積、周囲長、直径、高さを表示しました。ここで示された特徴は、バイオメディカルからマイクロマシニングまで、様々な分野の自然表面や加工済み表面の研究および品質管理に重要な役割を果たすことができます。

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タイヤの溝深さとゴム表面の粗さ測定｜3Dオプティカルプロファイラ

タイヤトレッド深さ＆ゴム表面粗さ測定 3D光学式プロファイラを使用

作成者

アンドレア・ハーマン

タイヤのトレッド深さは、消費者の安全のためにハンドヘルドゲージで測定するのが一般的ですが、産業用研究開発やタイヤメーカーには、より高度な方法が求められます。このアプリケーションノートでは、3D光学式プロフィロメーターが、高精度のタイヤトレッド深さ測定、輪郭マッピング、ゴム表面粗さ解析をどのように行うかをご紹介します。.

はじめに

すべての素材がそうであるように、ゴムの摩擦係数はその表面の粗さに一部関係している。自動車のタイヤでは、トレッドの深さと表面の粗さの両方がトラクション、ブレーキ、摩耗性能に直接影響する。本研究では、3次元非接触形状測定法を用いて、ゴムの表面とトレッドの粗さと寸法を分析した。.

標本、見本

タイヤトレッド深さ測定における3D非接触プロフィロメトリーの重要性

タッチプローブや干渉計などの他の技術とは異なる、, NANOVEAの3D非接触光学式プロファイラー軸色収差を使用して、ほぼあらゆる表面を測定します。

プロファイラーシステムのオープンステージは、多様なサンプルサイズに対応し、サンプルの前処理は不要です。1回のスキャンで、サンプルの反射率や吸収率の影響を受けずに、タイヤ全体のトレッド深さとミクロレベルの表面粗さの両方を測定できます。さらに、これらのプロファイラには、ソフトウェアで結果を操作することなく、高い表面角度を測定できる高度な機能があります。.

この汎用性により、NANOVEAプロファイラーがタイヤトレッドの摩耗試験と高度なゴム材料の研究の両方に理想的なものとなっています。.

測定目的

このアプリケーションではナノベアST400, タイヤのトレッド深さ、輪郭形状、ゴム表面の粗さを測定する3D非接触光学式プロファイラー。この研究では、タイヤ表面全体を表すのに十分な大きさのサンプル表面積を無作為に選択した。ゴムの特性を定量化するため、NANOVEA Ultra 3D解析ソフトウェアを使用し、溝寸法、トレッド深さ、表面粗さ、展開対投影面積を測定した。.

ナノビア ST400スタンダード
光学式3Dプロフィロメーター

ANALYSIS タイヤトレッド

トレッドの3Dビューとフォールスカラービューは、3D表面設計のマッピングの価値を示しています。これにより、トレッドの深さの均一性、溝のデザイン、摩耗を多角的に評価するためのわかりやすいツールがエンジニアに提供されます。アドバンスド・コンター解析とステップハイト解析は、サンプルの形状やデザインの正確な寸法を測定するための非常に強力なツールです。.

アドバンストコンターアナリシス

ステップ高さ解析

ANALYSIS ラバーサーフェス

ゴム表面は、以下の図に示すように、内蔵のソフトウェア・ツールを使ってさまざまな方法で定量化できる。表面粗さは2.688μmで、展開面積対投影面積は9.410mm²対8.997mm²であることがわかります。これらの結果は、ゴムの表面粗さがトラクションと性能にどのような影響を与えるかを示しており、異なるゴム配合間や表面摩耗のレベルの違いを比較することができます。.

まとめ

このアプリケーションでは、NANOVEA 3D非接触光学式プロファイラが、タイヤのトレッド深さ、輪郭寸法、ゴム表面の粗さを正確に評価できることを示しました。データは、表面粗さ2.69 µm、展開面積9.41 mm²、投影面積9 mm²を示しています。ゴムのトレッドのさまざまな寸法と半径も測定された。この情報は、タイヤメーカー、自動車研究者、材料エンジニアが、トレッドの設計、ゴムの配合、あるいは摩耗の程度が異なるタイヤを比較するために利用できる。ここに示したデータは、Ultra 3D解析ソフトウェアで利用可能な計算の一部に過ぎません。.

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機械加工品検査

機械加工品

CADモデルからの3次元形状測定による検査

著者

Duanjie Li, PhD

によって改訂されました。

Jocelyn Esparza

はじめに

複雑な形状を作り出す精密機械加工の需要は、様々な産業分野で高まっています。航空宇宙、医療、自動車からハイテクギア、機械、楽器に至るまで、絶え間ない革新と進化は、期待値と精度基準を新たな高みへと押し上げます。その結果、製品の品質を確保するための厳しい検査技術や検査装置の需要が高まっています。

部品検査における3次元非接触プロフィロメトリの重要性

機械加工されたパーツの特性をCADモデルと比較することは、公差や製造規格の遵守を確認するために不可欠です。また、部品の摩耗や損傷により交換が必要になることもあるため、使用期間中の検査も非常に重要です。要求された仕様からの逸脱を適時に特定することで、費用のかかる修理や生産停止、評価の低下を回避することができます。

タッチプローブ技術とは異なり、NANOVEA 光学プロファイラー非接触で 3D 表面スキャンを実行し、複雑な形状を最高の精度で迅速かつ正確かつ非破壊で測定できます。

測定目的

このアプリケーションでは、高速センサーを搭載し、寸法、半径、粗さの総合的な表面検査を行う3D非接触プロファイラー、NANOVEA HS2000を紹介します。

すべて40秒以内で。

ナノビア

HS2000

CADモデル

機械加工された部品の寸法と表面粗さを正確に測定することは、その部品が要求された仕様、公差、表面仕上げを満たしていることを確認するために重要です。検査するパーツの3Dモデルとエンジニアリングドローイングを以下に紹介します。

偽色表示

図3は、CADモデルとスキャンした加工面のフォールスカラー図を比較したもので、サンプル表面の高さ変化を色の変化で観察することができる。

図2に示すように、3Dサーフェススキャンから3つの2Dプロファイルを抽出し、加工された部品の寸法公差をさらに検証します。

プロファイルの比較と結果

図3～図5にプロファイル1～3を示す。測定したプロファイルをCADモデルと比較することで、定量的な公差検査を行い、厳格な製造基準を維持しています。プロファイル1とプロファイル2は、曲面加工された部品の異なる領域の半径を測定する。プロファイル2の高さの変動は、156mmの長さで30μmであり、要求される公差±125μmを満たしています。

公差の限界値を設定することで、解析ソフトが加工した部品の合否を自動的に判定することができます。

加工された部品の表面の粗さと均一性は、その品質と機能性を確保するために重要な役割を果たします。図6は、表面仕上げを定量化するために使用した加工部品の親スキャンから抽出した表面積です。平均表面粗さ（Sa）は、2.31μmと算出された。

まとめ

今回は、高速センサーを搭載した非接触プロファイラー「NANOVEA HS2000」が、寸法や粗さなど総合的な表面検査を行う様子を紹介しました。

高解像度スキャンにより、加工されたパーツの詳細な形態や表面形状を測定し、CADモデルとの定量的な比較を行うことができます。また、キズやクラックなどの欠陥も検出することが可能です。

高度な輪郭解析は、加工された部品が設定された仕様を満たしているかどうかを判断するだけでなく、摩耗した部品の故障メカニズムを評価する比類のないツールとなっています。

ここに示したデータは、NANOVEA光学式プロファイラに搭載されている高度な解析ソフトウェアで可能な計算の一部に過ぎません。

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歯科用工具。寸法および表面粗さ解析

はじめに

正確な寸法と最適な表面粗さは、歯科用ネジの機能にとって極めて重要です。歯科用ネジの寸法の多くは、半径、角度、距離、段差の高さなど、高い精度を必要とします。人体内に挿入される医療器具や部品にとって、滑り摩擦を最小限に抑えるために、局所的な表面粗さを理解することも非常に重要です。

寸法研究のための非接触形状測定

ナノベーア 3D非接触プロファイラー色光ベースの技術を使用して、透明、不透明、鏡面、拡散、研磨、粗いなどのあらゆる材料表面を測定します。タッチプローブ技術とは異なり、非接触技術は狭い領域の内部を測定でき、先端が柔らかいプラスチック材料を押すことによって引き起こされる変形に起因する本質的な誤差が追加されることはありません。色光ベースの技術は、焦点変動技術と比較して優れた横方向および高さの精度も提供します。 Nanovea Profiler は、ステッチを行わずに大きな表面を直接スキャンし、数秒で部品の長さのプロファイルを作成できます。結果を操作する複雑なアルゴリズムを使用せずに表面を測定するプロファイラーの機能により、ナノからマクロ範囲の表面特徴と高い表面角度を測定できます。

測定目的

このアプリケーションでは、Nanovea ST400 光学プロファイラーを使用して、1 回の測定で歯科用ネジを平坦部とネジ部の特徴に沿って測定しました。表面粗さは平坦な領域から計算され、ねじ切り部分のさまざまな寸法が決定されました。

分析された歯科用ネジのサンプルナノビア光学プロファイラー。

歯科用ネジのサンプルを分析しました。

結果

3Dサーフェス

歯科用ネジの 3D ビューと疑似カラービューには、どちらかの側からネジ山が始まる平らな領域が表示されます。これは、さまざまな角度からネジの形態を直接観察するための簡単なツールをユーザーに提供します。フルスキャンから平坦な領域を抽出し、その表面粗さを測定しました。

2D表面解析

表面から線プロファイルを抽出して、ねじの断面図を表示することもできます。輪郭解析と段差解析を使用して、ネジの特定の位置の正確な寸法を測定しました。

まとめ

このアプリケーションでは、局所的な表面粗さを正確に計算し、1 回のスキャンで大きな寸法形状を測定する Nanovea 3D 非接触プロファイラーの機能を紹介しました。

データは、局所的な表面粗さが 0.9637 μm であることを示しています。ねじ山の間のねじの半径は 1.729 mm であることが判明し、ねじ山の平均高さは 0.413 mm でした。ねじ山の間の平均角度は 61.3°であると測定されました。

ここに掲載したデータは、解析ソフトで利用できる計算の一部に過ぎません。

作成者
Duanjie Li 博士、Jonathan Thomas、Pierre Leroux

表面処理銅線の耐摩耗性とスクラッチ性の評価

銅線の摩耗・傷評価の重要性

銅は、電磁石や電信機の発明以来、電気配線に使用されてきた長い歴史があります。銅線は、耐食性、はんだ付け性、150℃までの高温での特性から、パネル、メーター、コンピューター、事務機、家電製品など、幅広い電子機器に使用されています。採掘される銅の約半分は、電線・ケーブルの導体製造に使用されています。

銅線の表面品質は、アプリケーションの性能と寿命にとって非常に重要です。ワイヤの微細な欠陥は、過度の摩耗、亀裂の発生と伝播、導電性の低下、不十分なはんだ付け性などにつながる可能性があります。銅線の適切な表面処理は伸線時に発生する表面欠陥を取り除き、耐腐食性、耐傷性、耐摩耗性を向上させます。銅線を使った多くの航空宇宙用途では、予期せぬ機器の故障を防ぐため、その挙動を制御する必要があります。銅線表面の耐摩耗性や耐傷性を正しく評価するためには、定量的で信頼性の高い測定が必要です。

測定目的

このアプリケーションでは、異なる銅線の表面処理を制御した摩耗プロセスをシミュレートしています。スクラッチテスト処理された表面層に破損を引き起こすのに必要な荷重を測定します。この研究では Nanovea を紹介しますトライボメータとメカニカルテスター電線の評価・品質管理に最適なツールです。

試験方法と手順

銅線 (ワイヤ A およびワイヤ B) の 2 つの異なる表面処理の摩擦係数 (COF) と耐摩耗性は、線形往復摩耗モジュールを使用する Nanovea トライボメータによって評価されました。 Al₂O₃ ボール (直径 6 mm) が、この用途で使用される相手材です。 Nanovea の摩耗痕跡を調査しました。 3D非接触表面形状計。テストパラメータを表 1 にまとめます。

本研究では、カウンター材料として滑らかなAl₂O₃球を例として使用した。形状や表面仕上げが異なる任意の固体材料は、実際の適用状況をシミュレートするために、カスタムフィクスチャを使用して適用することができます。

ロックウェルCダイヤモンドスタイラス（半径100μm）を装備したナノベアーの機械式試験機で、マイクロスクラッチモードを使ってコーティングワイヤの順荷重スクラッチ試験を実施しました。スクラッチ試験のパラメータとチップの形状を表2に示す。

結果および考察

銅線の磨耗。

図 2 は，摩耗試験中の銅線の COF の変化を示している。A線は摩耗試験中、COFが〜0.4と安定しているのに対し、B線は最初の100回転でCOFが〜0.35となり、徐々に〜0.4まで増加した。

図3は、試験後の銅線の摩耗痕を比較したものです。ナノベアの3D非接触プロフィロメータは、摩耗痕の詳細な形態について優れた分析を提供しました。摩耗のメカニズムを根本的に理解することで、摩耗痕の体積を直接かつ正確に把握することができます。ワイヤーBの表面は、600回転の摩耗試験後に摩耗痕が顕著に損傷しています。プロフィロメーターの3D表示では、ワイヤーBの表面処理層が完全に除去され、摩耗プロセスが大幅に加速されたことが分かります。このため、ワイヤーBの銅基板が露出している部分には、平坦な摩耗痕が残っています。この結果、ワイヤBを使用する電気機器の寿命が著しく短くなる可能性があります。一方、ワイヤーAは比較的摩耗が少なく、浅い摩耗痕が残っています。また，ワイヤAの表面処理層は，ワイヤBの表面処理層のように同じ条件下で剥離することはなかった。

銅線表面の傷つきにくさ。

図4は、試験後のワイヤのスクラッチ痕を示したものである。ワイヤーAの保護層は非常に優れた耐傷性を示し、〜12.6Nの荷重で剥離した。これに対し、ワイヤBの保護層は荷重～1.0Nで剥離した。このようにワイヤの耐傷性に大きな差があることから、ワイヤAは耐摩耗性が大幅に向上していることがわかる。図5に示すように、スクラッチ試験中の法線力、COF、深さの変化から、試験中の皮膜破壊についてより深く理解することができる。

結論

この対照研究では、表面処理された銅線の耐摩耗性を定量的に評価するナノベア社のトライボメータと、銅線の耐傷性を確実に評価するナノベア社のメカニカルテスターを紹介しました。ワイヤの表面処理は、その寿命期間中のトライボメカニカル特性に重要な役割を果たします。ワイヤーAの適切な表面処理により、耐摩耗性と耐傷性が大幅に向上し、過酷な環境下での電線の性能と寿命に重要な役割を果たしました。

ナノベアのトライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転モードとリニアモードによる精密で再現性の高い摩耗・摩擦試験と、オプションの高温摩耗、潤滑、トライボ腐食モジュールを1つの統合済みシステムで利用することができます。ナノベアの比類なき製品群は、薄型・厚型、軟質・硬質コーティング、フィルム、基材のあらゆるトライボロジー特性を測定するための理想的なソリューションです。

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製品情報

プロフィロメーター

PS50 - Advanced Compact

JR25 - Portable Compact

JR100 - Portable High Speed

ST400 - Modular Standard

ST500 - Modular Large Area

AFM Pro - Extended Range

In-Line QC - Roughness, Texture & Finish

Nanoindenters & Scratch Testers

CB500 - Advanced Compact

PB1000 - Advanced Large Platform

真空システム

トライボメータ

T50 - Free Weight Benchtop

T200 - Pneumatic Compact

T2000 - Pneumatic High Load

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

CR-8R - Ball Cratering Coating Thickness

真空システム

ラボサービス

非接触型プロフィロメトリー解析

インデンテーションとスクラッチテスト

摩擦・摩耗試験

表面トポロジーと化学分析

テストソリューション

プロフィロメトリー

粗さ・仕上がり

ジオメトリとシェイプ

平坦度・反り

体積・面積

ステップの高さと厚み

テクスチャー＆グレーン

メカニカルテスト

圧痕｜硬度・弾性率

圧痕｜応力と歪み

圧痕｜クリープ＆リラクゼーション

圧痕｜紛失と保管

圧痕｜破壊靭性

圧痕｜降伏強度・疲労強度

高温

湿度

バキューム

スクラッチ｜接着剤の不具合

スクラッチ｜コヒーシブフェイル

スクラッチ｜スクラッチハードネス

スクラッチ｜マルチパスウェア

摩擦｜摩擦係数

低温

液体

トライボロジー試験

リニア

回転式

ブロック・オン・リング

リング・オン・リング

スクラッチテスト

ブレーキ摩擦試験

高温

低温

腐食

液体

湿度・不活性ガス

バキューム

アプリケーション

産業別

バイオ・バイオテクノロジー

建設資材

コンシューマープロダクツ

医療機器

金属製造・機械加工

石油・鉱業

光学系

ペイント＆コーティング

医薬

半導体・エレクトロニクス

繊維・皮革・紙

金型・機械

地上交通機関

宇宙・航空

軍事・防衛