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AR アプリケーションノート
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
セラミックスナノインデンテーションによる高速マッピングによる結晶粒の検出
はじめに
ナノインデンテーション 小さなスケールで材料の機械的挙動を測定するために広く適用される技術となっていますi ii。ナノインデンテーション測定による高解像度の荷重変位曲線は、硬度、ヤング率、クリープ、破壊靱性などのさまざまな物理機械的特性を提供します。
高速マッピングのインデントの重要性
ナノインデンテーション技術をさらに普及させるための大きなボトルネックの 1 つは、時間の消費です。従来のナノインデンテーション手順による機械的特性のマッピングは容易に数時間かかる可能性があり、半導体、航空宇宙、MEMS、セラミックタイルなどの消費者製品などの大量生産産業への技術の適用を妨げています。
セラミック タイル製造業界では高速マッピングが不可欠であることが証明されており、単一のセラミック タイル全体にわたる硬度とヤング率のマッピングにより、表面がどの程度均質であるかを示すデータの分布が示されます。このマッピングでは、タイル上の柔らかい領域の輪郭を描くことができ、誰かの住居で日常的に起こる物理的な衝撃によって故障しやすい場所を示します。比較研究のためにさまざまなタイプのタイルにマッピングを作成したり、品質管理プロセスでタイルの一貫性を測定するために類似したタイルのバッチにマッピングを作成したりできます。測定セットアップの組み合わせは広範囲にわたるだけでなく、高速マッピング方法により正確かつ効率的に行うことができます。
測定目的
この研究では、ナノベー メカニカルテスター、FastMap モードでは、床タイルの機械的特性を高速でマッピングするために使用されます。高い精度と再現性で 2 つの高速ナノインデンテーション マッピングを実行する Nanovea Mechanical Tester の能力を紹介します。
テスト条件
Nanovea Mechanical Tester を使用して、Berkovich 圧子を使用して床タイル上で FastMap モードで一連のナノ圧痕を実行しました。作成された 2 つのインデント マトリックスについてのテスト パラメーターを以下にまとめます。
表 1: テストパラメータの概要。
結果・考察
図 1: 625 インデントの硬度マッピングの 2D および 3D ビュー。
図 2: 粒子を示す 625 インデントのマトリックスの顕微鏡写真。
625 インデントのマトリックスを 0.20 mm で実行2 目に見える大きな粒子が存在する領域。この粒子 (図 2) は、タイルの表面全体よりも低い平均硬度を持っていました。 Nanovea Mechanical ソフトウェアを使用すると、図 1 に示す硬度分布マップを 2D および 3D モードで表示できます。サンプル ステージの高精度位置制御を使用して、このソフトウェアを使用すると、このような領域を詳細にターゲットにすることができます。機械的特性のマッピング。
図 3: 1600 インデントの硬度マッピングの 2D および 3D ビュー。
図 4: 1600 インデントのマトリックスの顕微鏡写真。
表面の均一性を測定するために、同じタイル上に 1600 インデントのマトリックスも作成されました。ここでもユーザーは、凹んだ表面の顕微鏡画像だけでなく、3D または 2D モード (図 3) で硬度分布を見ることができます。提示された硬度分布に基づいて、高硬度と低硬度のデータ ポイントが均一に散在しているため、材料は多孔質であると結論付けることができます。
従来のナノインデンテーション手順と比較して、この研究の FastMap モードは時間が大幅に短縮され、コスト効率が高くなります。これにより、硬度やヤング率などの機械的特性の迅速な定量的マッピングが可能になり、大量生産におけるさまざまな材料の品質管理に重要な粒子検出と材料の一貫性のためのソリューションが提供されます。
まとめ
この研究では、FastMap モードを使用して迅速かつ正確なナノインデンテーション マッピングを実行する Nanovea Mechanical Tester の能力を紹介しました。セラミックタイル上の機械的特性マップは、ステージの位置制御（精度0.2μm）とフォースモジュールの感度を利用して、表面粒子を検出し、表面の均一性を高速で測定します。
この研究で使用されたテストパラメータは、マトリックスとサンプル材料のサイズに基づいて決定されました。さまざまなテスト パラメーターを選択して、合計押し込みサイクル時間を 1 つの押し込みあたり 3 秒 (または 10 つの押し込みごとに 30 秒) に最適化できます。
Nanovea 機械試験機の Nano および Micro モジュールにはすべて、ISO および ASTM 準拠の押込み試験機、引っかき試験機、摩耗試験機のモードが含まれており、単一システムで最も広範でユーザーフレンドリーな試験を提供します。 Nanovea の比類のない製品ラインナップは、硬度、ヤング率、破壊靱性、接着力、耐摩耗性などを含む、薄いまたは厚い、柔らかいまたは硬いコーティング、フィルム、および基材の機械的特性の全範囲を決定するための理想的なソリューションです。
さらに、オプションの 3D 非接触プロファイラーと AFM モジュールを使用して、粗さなどの他の表面測定に加えて、圧痕、傷、磨耗トラックの高解像度 3D イメージングを行うことができます。
著者: Duanjie Li、PhD ピエール・ルルーとジョセリン・エスパルザによる改訂
マイクロインデンテーションによる採掘作業の改善
マイクロインデンテーションの研究および品質管理
岩石力学は、岩石の力学的挙動を研究する学問であり、鉱業、掘削、貯水池生産、土木建設産業で応用されています。機械的特性を正確に測定できる高度な計測機器により、これらの産業では部品や手順の改良が可能です。岩石力学をミクロのスケールで理解することで、品質管理の手順を確実に実行することができます。
マイクロインデンテーション 岩石力学関連の研究に使用される重要なツールです。これらの技術は、岩盤特性のさらなる理解を提供することにより、掘削技術を進歩させます。マイクロインデンテーションは、採掘手順を改善するドリルヘッドを改良するために使用されます。マイクロインデンテーションは、鉱物からのチョークや粉末の形成を研究するために使用されてきました。マイクロインデンテーションの研究には、単一の機器で硬度、ヤング率、クリープ、応力ひずみ、破壊靱性、圧縮を含めることができます。
測定目的
このアプリケーションでは Nanovea 機械試験機 鉱物岩サンプルのビッカース硬度 (Hv)、ヤング率、および破壊靱性を測定します。この岩は黒雲母、長石、石英で構成されており、標準的な花崗岩の複合材料を形成しています。それぞれが個別にテストされます。
結果および考察
このセクションでは、異なる試料の主な数値結果を比較した要約表と、実施した各圧痕を含む完全な結果リスト（可能な場合は圧痕の顕微鏡写真付き）を掲載しています。これらの全結果は、硬度とヤング率の測定値を押し込み深さ（Δd）として、その平均値と標準偏差を表示しています。なお、表面粗さが圧痕と同じ大きさの範囲にある場合、結果に大きなばらつきが生じる可能性があることを考慮する必要があります。
硬度と破壊靭性の主な数値結果の概要表
まとめ
ナノベアメカニカルテスターは、鉱物性岩石の硬い表面で再現性と正確な圧痕結果を実証しています。花崗岩を形成する各材料の硬度とヤング率は、深さ対荷重の曲線から直接測定されました。表面が粗いため、より高い荷重で試験を行うことになり、微小亀裂が発生する可能性がありました。このマイクロクラックが、測定値のばらつきの原因になっていると思われます。試料表面が粗いため、標準的な顕微鏡観察ではクラックを認識することができませんでした。そのため、クラックの長さを測定する必要がある従来の破壊靭性数値の算出は不可能である。その代わりに、荷重を増加させながら、深さ対荷重曲線の転位からクラックの発生を検出するシステムを使用した。
破壊閾値荷重は破壊が発生した荷重で報告された。単に亀裂の長さを測定する従来の破壊靭性試験とは異なり、閾値破壊が始まる荷重が得られます。さらに、制御された厳密な監視環境下での硬度測定により、様々なサンプルを比較するための定量的な値として使用することができます。
さて、次はアプリケーションについてです。
インライン粗さ検査
インラインプロファイラによるエラーの即時検出
Surface roughness and texture is vital to the end-use of a product. Fast, quanti able, and reliable inline inspection of the product surface ensures detecting the defective products immediately so as to determine the work
conditions of the production line. It not only improves productivity and e ciency, but also reduces defect rates,
re-work, and waste.
インライン粗さ検査における非接触式プロファイラの重要性
表面欠陥は、材料の加工や製品の製造に起因します。インライン表面品質検査により、最終製品の最も厳密な品質管理が保証されます。ナノベア 3D非接触形状計 非接触でサンプルの粗さを測定する独自の機能を備えたクロマチック共焦点技術を利用します。複数のプロファイラー センサーを設置して、製品のさまざまな領域の粗さと質感を同時に監視できます。解析ソフトウェアによってリアルタイムで計算された粗さのしきい値は、高速で信頼性の高い合否判定ツールとして機能します。
測定目的
本研究では、ポイントセンサーを搭載したナノベアーの粗さ検査コンベアシステムを用いて、アクリルとサンドペーパーサンプルの表面粗さを検査します。生産ラインにおいて、高速で信頼性の高いインライン粗さ検査をリアルタイムに提供するナノベアーの能力を紹介します。
結果および考察
コンベア式プロフィロメータシステムは、トリガモードと連続モードの2つのモードで動作させることができる。図2に示すように、トリガーモードでは、試料が光学式プロファイラヘッドの下を通過する際に表面粗さが測定されます。これに対し、連続モードでは、金属板や布地などの連続した試料の表面粗さをノンストップで測定することができます。複数の光学式プロファイラーセンサーを設置し、異なるサンプル領域の粗さをモニターし記録することができます。
リアルタイムの粗さ検査測定中、図4と図5に示すように、合格と不合格の警告がソフトウェアのウィンドウに表示されます。粗さの値が与えられた閾値の範囲内にある場合、測定された粗さは緑色でハイライトされます。しかし、測定された表面粗さが設定されたしきい値の範囲外である場合、ハイライトは赤色に変化する。これは、ユーザーが製品の表面仕上げの品質を判断するためのツールを提供するものである。
以下では、アクリルと紙やすりの2種類の試料を用いて、検査システムのトリガーモードと連続モードのデモンストレーションを行います。
トリガーモード。アクリル試料の表面検査
図1に示すように、一連のアクリル試料はコンベアベルト上に整列され、光学式プロファイラヘッドの下を移動します。図6の擬似カラー図は、表面の高さの変化を示しています。鏡面仕上げされたアクリルサンプルの一部は、図6bに示すように、サンディングされて粗い表面テクスチャを形成していた。
アクリルサンプルは光学式プロファイラヘッドの下を一定速度で移動するため、図7および図8に示すように表面形状が測定される。測定されたプロファイルの粗さ値も同時に計算され、閾値と比較されます。粗さの値が設定されたしきい値を超えると赤色のフェイルアラートが起動し、ユーザーは生産ライン上の不良品を即座に発見し、場所を特定することができるようになります。
連続モード。サンドペーパーサンプルの表面検査
図9に示すように、サンドペーパーサンプル表面の表面高さマップ、粗さ分布マップ、および粗さ閾値の合否マップを作成した。サンドペーパーサンプルは、表面高さマップに示されるように、使用部分にいくつかの高いピークがある。図9Cのパレット内の異なる色は、局所表面の粗さ値を表している。粗さマップは、サンドペーパーサンプルの無傷の領域で均質な粗さを示す一方、使用済みの領域は濃い青色で強調され、この領域で粗さの値が低下していることを示している。図9Dに示すように、このような領域を特定するために、粗さの合否のしきい値を設定することができます。
サンドペーパーがインラインプロファイラセンサーの下を連続的に通過すると、図10にプロットされているように、リアルタイムの局所粗さ値が計算され記録される。設定された粗さのしきい値に基づいて合否のアラートがソフトウェア画面に表示され、品質管理のための迅速かつ信頼性の高いツールとして機能する。生産ラインにおける製品の表面品質をその場で検査し、不良箇所をいち早く発見することができる。
まとめ
このアプリケーションでは、光学式非接触プロファイラーセンサーを搭載したナノベアコンベアプロフィロメーターが、信頼性の高いインライン品質管理ツールとして効果的かつ効率的に機能することを示しました。
生産ラインに設置することで、製品の表面品質をその場で監視することができる検査装置です。粗さの閾値は、製品の表面品質を判断するための信頼できる基準として機能し、ユーザーは不良品にいち早く気づくことができます。トリガーモードと連続モードの2つの検査モードがあり、さまざまな種類の製品の検査に対応します。
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。ナノベアプロフィロメータは、半導体、マイクロエレクトロニクス、太陽電池、ファイバー、光学、自動車、航空宇宙、冶金、機械加工、コーティング、医薬品、バイオメディカル、環境などの分野で、ほぼすべての表面を測定することができます。
さて、次はアプリケーションについてです。
ブロック・オン・リング摩耗試験
ブロック・オン・リングの摩耗評価の重要性
摺動摩耗とは、荷重がかかった状態で、2つの材料が接触部で互いに滑り、材料が徐々に失われることである。自動車、航空宇宙、石油・ガスなど、機械やエンジンが稼働している様々な産業で必然的に発生する。このような摺動運動は、表面での深刻な機械的摩耗や材料移動を引き起こし、生産効率や機械性能の低下、あるいは機械の破損につながる可能性がある。
滑り摩耗には、凝着摩耗、二体摩耗、三体摩耗、疲労摩耗など、接触面で発生する複雑な摩耗メカニズムが関与することがよくあります。材料の摩耗挙動は、通常の荷重、速度、腐食、潤滑などの作業環境に大きく影響されます。多用途な トライボメータ さまざまな現実的な作業条件をシミュレートできるため、摩耗評価に最適です。
ブロック オン リング (ASTM G77) 試験は、さまざまなシミュレーション条件で材料の滑り摩耗挙動を評価する広く使用されている手法で、特定のトライボロジー用途における材料カップルの信頼できるランク付けを可能にします。
ブロック オン リング (ASTM G77) 試験は、さまざまなシミュレーション条件で材料の滑り摩耗挙動を評価する広く使用されている手法で、特定のトライボロジー用途における材料カップルの信頼できるランク付けを可能にします。
測定目的
このアプリケーションでは、ナノベアメカニカルテスターが、ステンレス鋼SS304とアルミニウムAl6061金属合金サンプルのYSとUTSを測定しています。これらのサンプルは、ナノベアの圧痕法の信頼性を示す、一般的に認識されているYSとUTSの値で選ばれました。
S-10 リング上の H-30 ブロックの滑り摩耗挙動は、Block-on-Ring モジュールを使用する Nanovea のトライボメータによって評価されました。 H-30 ブロックは硬度 30HRC の 01 工具鋼で作られていますが、S-10 リングは表面硬度 58 ～ 63 HRC の鋼タイプ 4620、リング直径約 34.98 mm です。摩耗挙動への影響を調査するために、乾燥した潤滑環境でブロック オン リング テストが実行されました。潤滑試験は USP 重鉱油で実施されました。 Nanovea の摩耗痕跡を調査しました。 3D非接触表面形状計。試験パラメータを表 1 にまとめます。摩耗率 (K) は、式 K=V/(F×s) を使用して評価しました。ここで、V は摩耗量、F は垂直荷重、s は滑り距離です。
結果および考察
図 2 は、乾燥環境と潤滑環境でのブロックオンリング テストの摩擦係数 (COF) を比較しています。乾燥した環境では、潤滑された環境よりもブロックの摩擦が大幅に大きくなります。 COF
最初の 50 回転のならし期間中に変動し、残りの 200 回転摩耗テストでは約 0.8 の一定 COF に達します。比較すると、USP 重鉱油潤滑で実行されたブロック オン リング テストは、500,000 回転摩耗テスト全体を通じて 0.09 という低い COF を一定に示しました。潤滑剤は、表面間の COF を最大 90 分の 1 に大幅に削減します。
図3，図4に乾式および潤滑式摩耗試験後のブロックの摩耗痕の光学画像と断面2次元プロフィールを示す。また，摩耗痕の体積と摩耗速度を表2に示す。72rpmの低回転数で200回転させた乾式摩耗試験後のスチールブロックは、9.45mm˙と大きな摩耗痕体積を示しています。これに対し、鉱物油潤滑剤を用いて197rpmの高速回転で50万回転させた摩耗試験では、0.03mm˙と大幅に小さい摩耗痕が形成されました。
図3は、潤滑摩耗試験での穏やかな摩耗に比べ、乾式摩耗試験での激しい摩耗の様子を示しています。乾式摩耗試験で発生する高熱と激しい振動は、金属片の酸化を促進し、激しい3体摩耗を引き起こします。潤滑摩耗試験では、鉱油が摩擦を減らし、接触面を冷却し、摩耗中に生じた摩耗粉を運び去ります。この結果、摩耗量は約8×10ˆと大幅に減少した。このような環境による耐摩耗性の大きな違いは、現実的な使用条件下での適切な滑り摩耗シミュレーションの重要性を示している。
試験条件にわずかな変化が加わると、摩耗の挙動が大きく変化することがあります。ナノベアのトライボメータは汎用性が高いため、高温、潤滑、トライボコロージョンの各条件で摩耗測定が可能です。高度なモーターによる正確な速度および位置制御により、0.001～5000rpmの速度で摩耗試験を行うことができるため、研究/試験ラボにとって、さまざまな⾰命条件での摩耗を調べるための理想的なツールとなっています。
試料の表面状態は、Nanovea社の非接触型光学式プロイオメーターで検査した。図5は、摩耗試験後のリングの表面形態を示しています。摺動摩耗により生じた表面形態と粗さをより良く表現するために、円筒形状を除去しています。200回転の乾式摩耗試験では、3体摩耗により著しい表面荒れが発生しました。乾式摩耗試験後のブロックとリングの粗さRaは、それぞれ14.1μmと18.1μmであるのに対し、より高速の50万回転潤滑摩耗試験では5.7μmと9.1μmとなりました。このテストは、ピストンリングとシリンダーの接触面に適切な潤滑を行うことの重要性を示しています。激しい摩耗は、無潤滑では接触面を素早く損傷させ、不可逆的なサービス品質の劣化、さらにはエンジンの破損につながる。
まとめ
この研究では、ASTM G77 規格に準拠したブロック オン リング モジュールを使用して、Nanovea のトライボメーターを使用してスチール金属カップルの滑り摩耗挙動を評価する方法を紹介します。潤滑剤は、材料対の摩耗特性において重要な役割を果たします。鉱油は、H-30 ブロックの摩耗率を約 8×10 分の 1 に減少させ、COF を約 90 分の 1 に減少させます。 Nanovea のトライボメーターは多用途性を備えているため、さまざまな潤滑、高温、摩擦腐食条件下での摩耗挙動を測定するための理想的なツールとなっています。
Nanovea のトライボメーターは、ISO および ASTM 準拠の回転モードおよび直線モードを使用して、正確で再現性のある摩耗および摩擦試験を提供します。また、オプションの高温摩耗、潤滑、および摩擦腐食モジュールも 1 つの事前統合システムで利用できます。 Nanovea の比類のない製品群は、薄いか厚いか、柔らかいか硬いコーティング、フィルム、および基材のあらゆる範囲のトライボロジー特性を決定するための理想的なソリューションです。
さて、次はアプリケーションについてです。
3次元形状測定による複合材料解析
複合材料における非接触形状測定の重要性
複合材料の補強用途では、欠陥を最小限に抑え、可能な限り強度を高めることが重要です。異方性材料であるため、織物の方向が一定であることが、高い性能予測性を維持するために重要である。複合材料は重量に対する強度が最も高い材料の一つであり、場合によっては鉄よりも強くなります。化学的な脆弱性や熱膨張の影響を最小限に抑えるために、複合材料の露出表面積を制限することが重要です。プロフィロメトリーによる表面検査は、長期間の使用に耐える強度を確保するために、複合材料の品質管理製造に不可欠です。
ナノベアの 3D非接触形状計 タッチプローブや干渉法などの他の表面測定技術とは異なります。当社の表面形状計は軸色収差を使用してほぼあらゆる表面を測定し、オープンステージングにより準備を必要とせずにあらゆるサイズのサンプルを測定できます。ナノからマクロまでの測定は、サンプルの反射率や吸収の影響を受けることなく表面プロファイル測定中に得られます。当社の表面形状計は、ソフトウェア操作なしで高い表面角度を測定できる高度な機能を備えており、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。非接触粗面計技術は、複合材料表面の研究を最大限に高めるための理想的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使用されたナノベアーのHS2000Lプロフィロメーターは、炭素繊維複合材料の2つの織り目の表面を測定しました。表面粗さ、織り長、等方性、フラクタル解析、およびその他の表面パラメータを使用して、複合材料を特性評価します。測定領域はランダムに選択され、Nanoveaの強力な表面分析ソフトウェアを使用して特性値を比較できるほど十分に大きいと想定されています。
結果および考察
表面解析
高さパラメータは、繊維/マトリックス比が低い複合材部品がどの程度粗くなるかを決定します。私たちの結果は、異なる織り方のタイプと布地を比較して、後処理による表面仕上げを決定しています。表面仕上げは、空気力学が関係するようなアプリケーションで重要になります。
等方性
等方性は、織物の方向性を示し、期待される特性値を決定します。我々の研究では、双方向性複合材料が予想通り〜60%の等方性であることを示しています。一方、一方向性複合材料は、強い単一繊維経路方向繊維のため、〜13%の等方性であることがわかります。
織物分析
織り目の大きさは、複合材料に使用される繊維の詰め具合と幅を決定します。私たちの研究は、部品の品質を保証するために、ミクロン単位の精度で織りのサイズをいかに簡単に測定できるかを示しています。
テクスチャー解析
支配的な波長のテクスチャー分析から、どちらのコンポジットもストランドサイズは4.27ミクロンであることがわかりました。繊維表面のフラクタル次元解析は、繊維がマトリックスに定着しやすいかどうかを調べるために、平滑度を決定します。一方向繊維のフラクタル次元は、双方向繊維よりも高く、複合材料の加工に影響を与える可能性があります。
結論
このアプリケーションでは、ナノベアーの HS2000L 非接触型プロフィロメーターが複合材料の繊維表面を正確に特性評価できることを示しました。高さパラメータ、等方性、テクスチャ分析、距離測定などを用いて、炭素繊維の織り方の違いを識別しました。
ナノベアのプロフィロメーターによる表面計測は、複合材料の損傷を正確かつ迅速に軽減し、部品の欠陥を減らし、複合材料の能力を最大化します。ナノベアの3Dプロフィロメーターの速度は、<1mm/sから500mm/sまであり、研究用途から高速検査のニーズまで対応可能です。ナノベアーのプロフィロメーターはソリューションです。
あらゆる複合的な測定ニーズに対応します。
さて、次はアプリケーションについてです。
ナノインデンテーションを用いた生体組織硬度評価
生体組織ナノインデンテーションの重要性
組織から脆性材料まで様々な先端材料を扱う今日の品質管理環境では、従来の機械試験（硬さ、付着力、圧縮、穿刺、降伏強度など）はより高い精度と信頼性を要求されています。従来の機械式測定器では、先端材料に求められる繊細な荷重制御や分解能を実現することはできませんでした。生体材料に関連する課題として、非常に柔らかい材料に対して正確な荷重制御が可能な機械試験を開発する必要があります。これらの材料は、適切な特性測定を確実に行うために、大きな深さ範囲を持つ非常に低いサブmNの試験荷重を必要とします。さらに、1つのシステムで多くの異なるタイプの機械的試験を実施することができ、より高い機能性を実現します。これにより、生体材料の硬さ、弾性率、損失弾性率、貯蔵弾性率、クリープに加え、耐傷つき性、降伏強度などの重要な測定を行うことができます。
測定目的
このアプリケーションでは、ナノインデンテーション・モードのナノベアーの機械試験機を使用して、プロシュートの脂肪、淡肉、濃肉の3つの部位における生体材料代替物の硬度および弾性率を調査しています。
ナノインデンテーションは、ASTM E2546およびISO 14577の計装化された圧子規格に基づくものです。既知の形状の圧子先端を試験材料の特定部位に打ち込み、法線荷重を増加させながら制御する確立された方法を用います。あらかじめ設定された最大深度に達すると、法線荷重は完全に緩和されるまで減少します。荷重はピエゾアクチュエータによって加えられ、高感度ロードセルを用いた制御ループで測定されます。実験中は、試料表面に対する圧子の位置が高精度な静電容量式センサーでモニターされます。結果として得られる荷重と変位の曲線は、試験材料の機械的性質に特化したデータを提供します。確立されたモデルは、測定されたデータから定量的な硬度や弾性率を計算します。ナノインデンテーションは、ナノメートルスケールでの低荷重・浸透深さ測定に適しています。
結果および考察
以下の表は、硬さおよびヤング率の測定値の平均値および標準偏差です。表面粗さが大きい場合、圧痕の大きさが小さくなり、測定結果に大きなばらつきが生じることがあります。
脂肪部分の硬さは、肉部分の約半分でした。肉処理により、色の濃い肉部の方が色の薄い肉部より硬くなった。弾性率と硬度は、脂肪部分と肉部分の口当たりの良さに直接関係しています。脂肪部分と淡色肉部分は、60秒後に濃色肉部分よりも高い割合でクリープが継続している。
詳細結果 - 脂肪
詳細結果 - ライトミート
詳細結果 - ダークミート
結論
このアプリケーションでは、Nanovea の 機械試験機 ナノインデンテーションモードでは、高いサンプル表面粗さを克服しながら、脂肪と肉の領域の機械的特性を確実に決定します。これは、Nanovea の機械的試験機の幅広い比類のない機能を実証しました。このシステムは、非常に硬い材料と柔らかい生体組織の正確な機械的特性測定を同時に提供します。
ピエゾテーブルと閉ループ制御されたロードセルにより、1～5kPaの硬質または軟質のゲル材料を正確に測定することができます。同じシステムを使用して、最大400Nまでの高荷重での生体材料の試験が可能です。また、マルチサイクル荷重による疲労試験や、円柱状の平らなダイヤモンドチップを用いた各ゾーンの降伏強度情報の取得が可能です。また、DMA（Dynamic Mechanical Analysis）により、閉ループ荷重制御で粘弾性特性の損失係数や貯蔵係数を高精度に評価することが可能です。また、様々な温度や液下での試験も同装置で可能です。
ナノベアのメカニカルテスターは、生物学的およびソフトポリマー/ゲルアプリケーションのための優れたツールであり続けています。
さて、次はアプリケーションについてです。
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。
鉄鋼とアルミニウムの降伏強度と引張強度
圧子による降伏強度と極限引張強度の測定の重要性
従来、降伏強度と極限引張強度の試験は、試験片を引き離すのに大きな力を必要とする大型の引張試験機を使って行われてきました。各試料を一度しか試験できない材料に対して、多くの試験片を適切に作成することはコストと時間のかかる作業です。試験片に小さな欠陥があると、試験結果に顕著なばらつきが生じます。市場に出ている引張試験機の構成やアライメントが異なると、試験の仕組みや結果に大きなばらつきが生じることがよくあります。
ナノベアの革新的な圧子法により、従来の引張試験で測定した値に匹敵する降伏強度や極限引張強度の値を直接得ることができます。この測定法は、あらゆる産業において試験の新たな可能性を切り開くものです。シンプルな実験構成により、引張試験に必要な複雑なクーポン形状に比べ、サンプル準備にかかる時間とコストを大幅に削減できます。小さな圧痕で、1つの試料で複数の測定が可能です。サンプル加工時に発生する引張試験用クーポンの欠陥の影響を防ぐことができます。小さなサンプルで局所的にYSやUTSを測定することで、パイプラインや自動車構造物のマッピングや局所的な欠陥の検出が可能です。
測定目的
このアプリケーションでは、ナノベア メカニカルテスター ステンレス鋼 SS304 およびアルミニウム Al6061 金属合金サンプルの降伏強度と極限引張強度を測定します。サンプルは、Nanovea の圧痕法の信頼性を示す、一般的に認識されている降伏強度と極限引張強度の値に基づいて選択されました。
試験方法と手順
降伏強さと極限引張強さのテストは、Nanovea Mechanical Tester で実行されました。 マイクロインデンテーション モード。この用途には、直径 200 μm の円筒形の平らなダイヤモンドチップが使用されました。 SS304 および Al6061 合金は、インデンテーション法の大きな可能性と信頼性を示すために、その広範な産業用途と一般に認識されている降伏強さおよび極限引張強さの値を考慮して選択されました。表面粗さや欠陥が試験結果に影響を与えるのを避けるため、サンプルは試験前に機械的に鏡面仕上げに研磨されました。テスト条件を表 1 に示します。テスト値の再現性を保証するために、各サンプルに対して 10 回を超えるテストが実行されました。
結果および考察
SS304およびAl6061合金サンプルの荷重-変位曲線を、テストサンプル上の平坦な圧子の痕跡を挿入して図3に示します。Nanovea が開発した特殊なアルゴリズムを用いて「S」字型の荷重曲線を解析すると、降伏強度と極限引張強度が算出されます。値は、表 1 にまとめたように、ソフトウェアによって自動的に計算されます。比較のために、従来の引張試験で得られた降伏強度と極限引張強度の値も記載しています。
結論
この研究では、ステンレス鋼およびアルミニウム合金シートのサンプルの降伏強度と極限引張強度を評価する際の Nanovea Mechanical Tester の能力を紹介しました。シンプルな実験設定により、引張試験に必要なサンプル準備の時間とコストが大幅に削減されます。くぼみのサイズが小さいため、1 つのサンプルで複数の測定を実行できます。この方法により、小さなサンプルおよび局所領域での YS/UTS 測定が可能になり、パイプラインまたは自動車構造の YS/UTS マッピングおよび局所欠陥検出のソリューションが提供されます。
Nanovea メカニカル テスターのナノ、マイクロ、またはマクロ モジュールにはすべて、ISO および ASTM 準拠の押込み試験機、スクラッチ試験機、摩耗試験機モードが含まれており、単一システムで利用できる最も広範でユーザー フレンドリーな試験範囲を提供します。 Nanovea の比類のない製品ラインナップは、硬度、ヤング率、破壊靱性、接着性、耐摩耗性などを含む、薄いまたは厚い、柔らかいまたは硬いコーティング、フィルム、および基材の機械的特性の全範囲を決定するための理想的なソリューションです。さらに、オプションの 3D 非接触プロファイラーと AFM モジュールを使用して、粗さなどの他の表面測定に加えて、圧痕、傷、磨耗トラックの高解像度 3D イメージングを行うことができます。
動的負荷トライボロジー
動的負荷トライボロジー
はじめに
摩耗は、事実上すべての産業分野で発生しており、GDPの0.75%に相当するコストがかかっています1。トライボロジーの研究は、生産効率の向上、アプリケーションの性能向上、材料、エネルギー、環境の保護に不可欠です。トライボロジーの応用分野では、振動や揺れが避けられない。過度な外部振動は摩耗を促進し、機械部品の壊滅的な故障につながるサービス性能を低下させます。
従来の死荷重式トライボメータは、質量分銅で通常の荷重をかけます。このような負荷方法では、負荷の選択肢が一定に制限されるだけでなく、高負荷や高速度での激しい非制御振動が発生し、摩耗挙動の評価が制限され一貫性を欠くことになります。材料の摩耗挙動に及ぼす制御された振動の影響を確実に評価することは、さまざまな産業用途における研究開発や品質管理にとって望ましいことです。
Nanoveaの画期的な高負荷 トライボメータ 動的荷重制御システムにより、最大耐荷重は 2000 N です。高度な空気圧圧縮空気負荷システムにより、ユーザーは摩耗プロセス中に発生する望ましくない振動を減衰するという利点を利用して、高い垂直荷重下での材料のトライボロジー挙動を評価できます。したがって、古い設計で使用されていた緩衝スプリングを必要とせず、荷重が直接測定されます。並列電磁石振動負荷モジュールは、最大 20 N の所望の振幅と最大 150 Hz の周波数の適切に制御された振動を適用します。
上部ホルダーにかかる横力から直接摩擦を高精度に測定します。変位はその場で監視され、テストサンプルの摩耗挙動の変化についての洞察が得られます。制御された振動荷重下での摩耗試験は、腐食、高温、多湿、および潤滑環境で実行して、トライボロジー用途の実際の作業条件をシミュレートすることもできます。統合された高速 非接触表面形状計 摩耗トラックの形態と摩耗量を数秒で自動的に測定します。
測定目的
この研究では、制御された振動負荷条件下で、さまざまなコーティングと金属サンプルのトライボロジー挙動を研究するNanovea T2000動的負荷トライボメーターの能力を紹介します。
試験方法
300μm厚の耐摩耗性コーティングのトライボロジー挙動、例えば摩擦係数、COF、耐摩耗性を評価し、ASTM G992に準拠したピン・オン・ディスクセットアップを用いた従来の死荷重トライボメータとナノベアT2000トライボメータで比較しました。
制御された振動下で、Cu および TiN でコーティングされた別々のサンプルを 6 mm Al2O3 ボールに対して、Nanovea T2000 トライボメーターの動的負荷トライボロジー モードによって評価しました。
試験パラメータを表1にまとめた。
ラインセンサーを搭載した内蔵の3Dプロフィロメーターが試験後に自動的に摩耗痕をスキャンし、最も正確な摩耗量を数秒で測定します。
結果および考察
空気圧負荷方式と死荷重方式の比較
ナノベアT2000トライボメータを用いた耐摩耗性皮膜のトライボロジー挙動を、従来のデッドロード（DL）トライボメータと比較した。図2は、コーティングのCOFの変化を示しています。摩耗試験中、コーティングは0.6程度のCOFを示すことが分かります。しかし、図3に示した摩耗痕の異なる20箇所の断面プロファイルから、死荷重方式ではコーティングがより激しく摩耗していることがわかります。
デッドロードシステムは、高荷重・高速回転での摩耗により、激しい振動が発生します。接触面に集中する大きな圧力と高速の摺動により、大きな重量振動と構造振動が発生し、摩耗を加速させる。従来の死荷重式トライボメータは、質量分銅を用いて荷重を加える。しかし、高荷重・高速回転の過酷な摩耗条件下では、大きな振動によりウエイトが何度もバウンドし、摩耗痕が不均一になるため、信頼性の低いトライボロジー評価となります。算出された摩耗量は 8.0±2.4×10-4 mm3/N m であり，高い摩耗量と大きな標準偏差を示した。
ナノベアT2000トライボメータは、振動を減衰させるための動的制御負荷システムで設計されています。通常の荷重を圧縮空気で加えることにより、摩耗プロセスで発生する望ましくない振動を最小限に抑えます。さらに、アクティブな閉ループ負荷制御により、摩耗試験の間、一定の負荷がかかり、スタイラスは摩耗痕の深さの変化に追従します。図3aに示すように、より一貫した摩耗痕のプロファイルが測定され、3.4±0.5 x 10-4 mm3/N mという低い摩耗率を実現しました。
図 4 に示す摩耗痕の分析から、ナノベアトライボメーターの空気圧圧縮空気負荷システムによる摩耗試験では、従来のデッドロードトライボメーターと比較して、より滑らかで一貫した摩耗痕が形成されることが確認できます。さらに、Nanovea T2000 トライボメータは、摩耗プロセス中のスタイラスの変位を測定し、摩耗挙動の進行状況をその場でさらに把握することができます。
Cu試料の摩耗に伴う制御された発振の様子
ナノベア T2000 トライボメーターの平行振動負荷電磁石モジュールでは、制御された振幅と周波数の振動が材料の摩耗挙動に及ぼす影響を調査することができます。図6に示すように、CuサンプルのCOFをその場で記録しています。Cu 試料は、最初の 330 回転の測定では、約 0.3 の一定の COF を示し、界面に安定した接触が形成され、比較的滑らかな摩耗痕が形成されていることがわかる。これは，界面に安定した接触が形成され，比較的滑らかな摩耗痕が形成されていることを示す。摩耗試験を継続すると，COFの変動は摩耗メカニズムの変化を示すようになる。一方，50N で 5N の振幅制御振動を与えた摩耗試験では，摩耗の初期に COF が急激に増加し，摩耗試験中に大きな変動を示すなど，異なる摩耗挙動を示すことが分かる。このようなCOFの挙動は，常用荷重の振動が接触部の不安定な摺動状態に関与していることを示唆している。
図 7 は，一体型非接触光学式プロフィロメータで測定した摩耗痕の形態 を比較したものである。5Nの振幅で制御された銅試料では、無振動時の5.03×108μm3に対して、1.35×109μm3と非常に大きな摩耗痕が観察されます。振動を制御することで摩耗速度が約2.7倍加速され、振動が摩耗挙動に決定的な影響を与えることが示された。
TiNコーティングの摩耗に及ぼす制御された揺らぎ
図8にTiNコーティング試料のCOFと摩耗痕を示す。TiNコーティングは，試験中のCOFの変化で示されるように，振動下で著しく異なる摩耗挙動を示す．このように，TiNコーティングは，TiNコーティングとAl₂O₃ボールとの界面での安定した摺動接触により，摩耗試験開始時のランイン期間に続いて〜0.3の一定のCOFを示す．しかし、TiNコーティングが破壊し始めると、Al₂O₃ボールはコーティングを貫通し、その下の新鮮なスチール基材と摺動するようになります。同時に摩耗痕に硬いTiNコーティングの破片が大量に発生し、安定した2体摺動摩耗が3体摩耗摩耗に変化します。このような材料カップルの特性の変化は，COFの変化のバラツキを増大させる．5Nと10Nの振動が加わることで、TiNコーティングの破損が400回転から100回転以下まで加速される。振動を制御した摩耗試験後のTiNコーティング試料の摩耗痕が大きくなっていることは、このようなCOFの変化と一致している。
結論
ナノベアトライボメータT2000の高度な空圧負荷システムは、従来のデッドロードシステムと比較して、自然に素早く振動を減衰させるという本来の優位性を持っています。この空気圧システムの技術的優位性は、サーボモーターとスプリングの組み合わせで荷重をかける荷重制御システムと比較しても明らかです。この技術により、本研究で実証されたように、高荷重における信頼性の高い、より制御性の高い摩耗評価が保証されます。さらに、アクティブな閉ループ負荷システムは、ブレーキシステムで見られる実際のアプリケーションをシミュレートするために、摩耗試験中に通常の負荷を所望の値に変更することができます。
試験中に制御されていない振動条件の影響を受ける代わりに、ナノベア T2000 動的負荷トライボメータを使用すれば、さまざまな制御振動条件下での材料のトライボロジー挙動を定量的に評価できることを示しました。振動は、金属やセラミックコーティングの試料の摩耗挙動に大きな役割を果たします。
平行電磁石振動負荷モジュールは、設定された振幅と周波数で精密に制御された振動を提供し、環境振動が重要な要素となりがちな実環境での摩耗プロセスをシミュレートすることを可能にします。摩耗中に振動が加わると、CuとTiNコーティングの両サンプルは摩耗率が大幅に増加します。摩擦係数の変化と触針の変位をその場で測定することは、トライボロジー応用における材料の性能を示す重要な指標となります。統合型3D非接触プロフィロメーターは、摩耗量を正確に測定し、摩耗痕の詳細な形態を数秒で解析するツールを提供し、摩耗メカニズムの基本的な理解により多くの洞察を与えます。
T2000は、セルフチューニングされた高品質・高トルクのモーターを搭載し、20ビットの内部速度と16ビットの外部位置エンコーダを備えています。これにより、トライボメータは0.01～5000rpmの範囲で、ステップ状にジャンプしたり連続的に変化する比類ない回転速度を提供することができます。ナノベーストライボメータは、下部にトルクセンサーを配置したシステムとは異なり、上部に高精度ロードセルを配置し、摩擦力を正確かつ個別に測定しています。
ナノベーストライボメータは、ISOおよびASTMに準拠した回転および直線モード（4ボール、スラストワッシャー、ブロックオンリング試験を含む）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、トライボコロージョンを1つの統合済みシステムで行うことができます。ナノベア T2000 は、薄手・厚手、軟質・硬質のコーティング、フィルム、基材など、あらゆる種類のトライボロジー特性を測定できる理想的なソリューションです。
