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나노 인덴테이션을 이용한 코르크의 동적 역학 분석

동적 기계 분석

나노 인덴테이션을 사용한 코르크의

작성자

프랭크 리우

소개

동적 기계 분석(DMA)은 재료의 기계적 특성을 조사하는 데 사용되는 강력한 기술입니다. 이 애플리케이션에서는 와인 밀봉 및 숙성 공정에 널리 사용되는 재료인 코르크의 분석에 중점을 둡니다. 떡갈나무의 껍질에서 얻은 코르크는 합성 폴리머와 유사한 기계적 특성을 제공하는 독특한 세포 구조를 나타냅니다. 한 축에서 코르크는 벌집 구조를 가지고 있습니다. 다른 두 축은 직사각형과 같은 여러 개의 프리즘 구조로 되어 있습니다. 따라서 코르크는 테스트하는 방향에 따라 서로 다른 기계적 특성을 제공합니다.

코르크 기계적 물성 평가에서 동적 기계 분석(DMA) 테스트의 중요성

코르크의 품질은 코르크의 기계적 및 물리적 특성에 따라 크게 달라지며, 이는 와인 마개의 효율성에 결정적인 영향을 미칩니다. 코르크 품질을 결정하는 주요 요인으로는 유연성, 단열성, 복원력, 기체 및 액체 불투과성 등이 있습니다. 동적 기계 분석(DMA) 테스트를 활용하면 코르크의 유연성 및 복원력을 정량적으로 평가할 수 있어 신뢰할 수 있는 평가 방법을 제공합니다.

나노베아 PB1000 기계식 테스터는 나노 인덴테이션 모드를 사용하면 이러한 특성, 특히 영탄성률, 저장탄성률, 손실탄성률 및 탄델타(탄(δ))를 분석할 수 있습니다. 또한 DMA 테스트를 통해 코르크 소재의 상변이, 경도, 응력 및 변형률에 대한 귀중한 데이터를 수집할 수 있습니다. 이러한 종합적인 분석을 통해 코르크의 기계적 거동과 와인 마개 용도에 대한 적합성에 대한 심층적인 통찰력을 얻을 수 있습니다.

측정 목표

이 연구에서는 나노인덴테이션 모드에서 나노베아 PB1000 기계식 테스터를 사용하여 4개의 코르크 마개에 대해 동적 기계 분석(DMA)을 수행합니다. 코르크 마개의 품질은 다음과 같이 표시됩니다: 1 - 플로르, 2 - 퍼스트, 3 - 콜메이트, 4 - 합성 고무. 각 코르크 마개에 대해 축 방향과 반경 방향 모두에서 DMA 압흔 테스트를 실시했습니다. 코르크 마개의 기계적 반응을 분석하여 동적 거동에 대한 통찰력을 얻고 다양한 방향에서 성능을 평가하고자 했습니다.

나노비아

PB1000

테스트 매개변수

최대 힘75mN
로딩 속도150mN/min
하역 요금150mN/min
증폭도5mN
주파수1Hz
CREEP60 s

들여쓰기 유형

51200 강철

직경 3mm

결과

아래 표와 그래프에서는 각 샘플과 방향에 따른 영탄성계수, 저장탄성계수, 손실탄성계수 및 탄젠트 델타를 비교합니다.

영의 계수: 강성; 값이 높으면 강성, 낮으면 유연성을 나타냅니다.

스토리지 모듈러스: 탄성 반응; 재료에 저장된 에너지.

손실 계수: 점성 반응; 열로 인한 에너지 손실.

황갈색(δ): 댐핑; 값이 클수록 더 많은 댐핑을 나타냅니다.

축 방향

스토퍼영의 계수스토리지 모듈러스손실률TAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
122.567522.272093.6249470.162964
218.5466418.271533.1623490.17409
323.7538123.472673.6178190.154592
423.697223.580642.3470080.099539



방사형 방향

스토퍼영의 계수스토리지 모듈러스손실률TAN
#(MPa)(MPa)(MPa)(δ)
124.7886324.565423.3082240.134865
226.6661426.317394.2862160.163006
344.0786743.614266.3659790.146033
428.0475127.941482.4359780.087173

영의 계수

스토리지 모듈러스

손실률

탠 델타

축 방향으로 테스트했을 때 코르크 마개의 영탄성계수는 크게 다르지 않습니다. 스토퍼 #2와 #3만 반경 방향과 축 방향의 영 탄성률에서 뚜렷한 차이를 보였습니다. 결과적으로 저장 탄성률과 손실 탄성률도 축 방향보다 반경 방향에서 더 높습니다. 스토퍼 #4는 손실 계수를 제외하고는 천연 코르크 마개와 비슷한 특성을 보입니다. 이는 천연 코르크가 합성 고무 소재보다 점성이 더 높다는 것을 의미하기 때문에 매우 흥미로운 결과입니다.

결론

나노베아 기계 테스터 Nano Scratch Tester 모드에서는 페인트 코팅 및 하드 코팅의 다양한 실제 실패를 시뮬레이션할 수 있습니다. 제어되고 면밀히 모니터링되는 방식으로 증가하는 부하를 적용함으로써 계측기는 어떤 부하 오류가 발생하는지 식별할 수 있습니다. 이는 긁힘 방지에 대한 정량적 값을 결정하는 방법으로 사용될 수 있습니다. 풍화 작용 없이 테스트된 코팅은 약 22mN에서 첫 번째 균열이 있는 것으로 알려져 있습니다. 5mN에 가까운 값을 사용하면 7년 랩으로 인해 페인트 품질이 저하된 것이 분명합니다.

원래 프로파일을 보정하면 스크래치 중 보정된 깊이를 얻을 수 있으며 스크래치 후 잔류 깊이도 측정할 수 있습니다. 이를 통해 하중 증가에 따른 코팅의 소성 및 탄성 거동에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 균열과 변형에 대한 정보는 모두 하드코트 개선에 유용하게 사용될 수 있습니다. 또한 표준 편차가 매우 작아 제조업체가 하드 코트/도료의 품질을 개선하고 풍화 효과를 연구하는 데 도움이 될 수 있는 계측기 기술의 재현성을 보여줍니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

금속 기판의 페인트에 대한 나노 스크래치 및 마모 테스트

나노 스크래치 및 마 테스트

금속 기판에 페인트의 비율

작성자

수잔 카벨로

소개

하드코트가 있든 없든 페인트는 가장 일반적으로 사용되는 코팅 중 하나입니다. 자동차, 벽, 가전제품 등 보호 코팅이 필요하거나 단순히 미적 목적이 있는 거의 모든 곳에서 페인트를 볼 수 있습니다. 기본 기질을 보호하기 위한 페인트에는 종종 페인트에 불이 붙는 것을 방지하거나 페인트의 색이 변하거나 갈라지는 것을 방지하는 화학 물질이 포함되어 있습니다. 미적 목적으로 사용되는 페인트는 종종 다양한 색상으로 제공되지만 반드시 기질을 보호하거나 긴 수명을 위한 것이 아닐 수도 있습니다.

그럼에도 불구하고 모든 페인트는 시간이 지남에 따라 약간의 풍화를 겪습니다. 페인트의 풍화는 종종 제조사가 의도한 것과 다른 특성을 만들 수 있습니다. 더 빨리 부서지거나 열에 의해 벗겨지거나 색이 바래거나 갈라질 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 페인트의 특성이 다양하게 변하기 때문에 제조업체는 다양한 페인트를 제공합니다. 페인트는 개별 고객의 다양한 요구 사항을 충족하도록 맞춤 제작됩니다.

품질 관리를 위한 나노 스크래치 테스트의 중요성

페인트 제조업체의 주요 관심사는 제품이 균열을 견딜 수 있는 능력입니다. 페인트가 갈라지기 시작하면 페인트가 도포된 기질을 보호하지 못하기 때문에 고객을 만족시키지 못합니다. 예를 들어, 나뭇가지가 자동차 측면에 부딪혀 페인트가 갈라지기 시작하면 페인트 제조업체는 페인트의 품질 저하로 인해 사업을 잃게 될 것입니다. 페인트 아래의 금속이 노출되면 새로운 노출로 인해 녹이 슬거나 부식되기 시작할 수 있기 때문에 페인트의 품질은 매우 중요합니다.

 

이와 같은 이유는 가정 및 사무용품, 전자제품, 장난감, 연구 도구 등 다양한 분야에 적용됩니다. 페인트를 처음 금속 코팅에 적용했을 때는 균열에 강할 수 있지만, 샘플에 풍화가 발생하면 시간이 지남에 따라 특성이 변할 수 있습니다. 그렇기 때문에 페인트 샘플을 풍화 단계에서 테스트하는 것이 매우 중요합니다. 높은 응력 하에서 균열은 불가피할 수 있지만, 제조업체는 소비자에게 최상의 제품을 제공하기 위해 시간이 지남에 따라 변화가 얼마나 약화될 수 있는지, 영향을 미치는 스크래치가 얼마나 깊어야 하는지 예측해야 합니다.

측정 목표

샘플의 거동 효과를 관찰하기 위해서는 제어되고 모니터링되는 방식으로 스크래치 과정을 시뮬레이션해야 합니다. 이 어플리케이션에서는 나노 스크래치 테스트 모드의 NANOVEA PB1000 기계식 테스터를 사용하여 금속 기판의 약 7 년 된 30-50 μm 두께의 페인트 샘플에 고장을 일으키는 데 필요한 하중을 측정합니다.

2μm 다이아몬드 팁 스타일러스를 0.015mN ~ 20.00mN 범위의 점진적 하중으로 사용하여 코팅을 스크래치했습니다. 스크래치의 실제 깊이 값을 결정하기 위해 0.2mN 하중으로 페인트의 사전 및 사후 스캔을 수행했습니다. 실제 깊이는 테스트 중 샘플의 소성 및 탄성 변형을 분석하는 반면, 사후 스캔은 스크래치의 소성 변형만 분석합니다. 균열로 인해 코팅이 실패한 지점을 실패 지점으로 간주합니다. 테스트 매개변수를 결정하기 위해 ASTMD7187을 기준으로 사용했습니다.

 

풍화된 샘플을 사용했기 때문에 약한 단계에서 페인트 샘플을 테스트하면 실패 지점이 더 낮다는 결론을 내릴 수 있습니다.

 

이 샘플에 대해 다음과 같은 5가지 테스트를 수행했습니다.

정확한 장애 임계 부하를 결정합니다.

나노비아

PB1000

테스트 매개변수

다음 ASTM D7027

거칠기 표준의 표면은 그림 1과 같이 192개의 밝은 선을 생성하는 고속 센서가 장착된 나노베아 ST400을 사용하여 스캔했습니다. 이 192개의 포인트가 동시에 샘플 표면을 스캔하기 때문에 스캔 속도가 크게 향상되었습니다.

로드 유형 프로그레시브
초기 로드 0.015 mN
최종 로드 20mN
로딩 속도 20mN/min
스크래치 길이 1.6mm
스크래치 속도, dx/dt 1.601mm/min
사전 스캔 로드 0.2mN
스캔 후 로드 0.2mN
원뿔형 인덴터 90° 원뿔형 팁 반경 2 µm

들여쓰기 유형

원뿔형

다이아몬드 90° 콘

2 µm 팁 반경

원뿔형 인덴터 다이아몬드 90° 원뿔형 팁 반경 2 µm

결과

이 섹션에서는 스크래치 테스트 중 장애에 대해 수집된 데이터를 제시합니다. 첫 번째 섹션에서는 스크래치에서 관찰된 장애를 설명하고 보고된 임계 부하를 정의합니다. 다음 부분에는 모든 샘플의 임계 하중에 대한 요약 표와 그래픽 표현이 포함되어 있습니다. 마지막 부분에서는 각 스크래치에 대한 임계 하중, 각 불량의 현미경 사진, 테스트 그래프 등 각 샘플에 대한 자세한 결과를 제시합니다.

관찰된 장애 및 임계 부하 정의

중대한 실패:

초기 피해

스크래치 트랙을 따라 손상이 관찰되는 첫 번째 지점입니다.

나노 스크래치 치명적 고장 초기 손상

중대한 실패:

완전한 손상

이 시점에서 스크래치 트랙을 따라 페인트가 깨지고 갈라지는 부분이 더 크게 손상됩니다.

나노 스크래치 치명적 고장 완전 손상

자세한 결과

* 기판 균열 지점에서 측정한 실패 값입니다.

크리티컬 로드
스크래치 초기 피해 [mN] 전체 손상 [µm]
1 14.513 4.932
2 3.895 4.838
3 3.917 4.930
평균 3.988 4.900
STD 개발 0.143 0.054
나노 스크래치 테스트의 전체 스크래치 현미경 사진(1000배 확대).

그림 2: 전체 스크래치 현미경 사진(1000배 확대).

나노 스크래치 테스트의 초기 손상 현미경 사진(1000배 확대)

그림 3: 초기 손상 현미경 사진(1000배 확대).

나노 스크래치 테스트의 전체 손상 현미경 사진(1000배 확대).

그림 4: 전체 손상 현미경 사진(1000배 확대).

선형 나노 스크래치 테스트 마찰력 및 마찰 계수

그림 5: 마찰력 및 마찰 계수.

선형 나노 스크래치 표면 프로파일

그림 6: 표면 프로필.

선형 나노 스크래치 테스트 실제 깊이 및 잔여 깊이

그림 7: 실제 깊이와 잔여 깊이.

결론

나노베아 기계 테스터 에서 나노 스크래치 테스터 모드를 사용하면 페인트 코팅 및 하드 코팅의 많은 실제 실패를 시뮬레이션할 수 있습니다. 제어되고 면밀히 모니터링되는 방식으로 하중을 증가시킴으로써 어떤 하중에서 고장이 발생하는지 파악할 수 있습니다. 이를 통해 스크래치 저항에 대한 정량적 값을 결정할 수 있습니다. 내후성이 없는 상태에서 테스트한 코팅은 약 22mN에서 첫 번째 균열이 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 5mN에 가까운 값은 7년의 랩핑으로 인해 페인트의 성능이 저하되었음을 나타냅니다.

원래 프로파일을 보정하면 스크래치 중에 보정된 깊이를 얻고 스크래치 후 잔류 깊이를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 하중 증가에 따른 코팅의 소성 및 탄성 거동에 대한 추가 정보를 얻을 수 있습니다. 균열과 변형에 대한 정보는 모두 하드코트 개선에 유용하게 사용될 수 있습니다. 또한 표준 편차가 매우 작아 제조업체가 하드 코트/도료의 품질을 개선하고 풍화 효과를 연구하는 데 도움이 될 수 있는 계측기 기술의 재현성을 보여줍니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

3D 프로파일 측정을 이용한 거칠기 매핑 검사

거칠기 매핑 검사

3D 프로파일 측정 사용

작성자

DUANJIE, 박사

소개

표면 거칠기와 질감은 제품의 최종 품질과 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 최상의 처리 및 제어 방법을 선택하려면 표면 거칠기, 질감, 일관성에 대한 철저한 이해가 필수적입니다. 결함이 있는 제품을 적시에 식별하고 생산 라인 조건을 최적화하려면 제품 표면에 대한 빠르고 정량화 가능하며 신뢰할 수 있는 인라인 검사가 필요합니다.

인라인 표면 검사를 위한 3D 비접촉식 프로파일로미터의 중요성

제품의 표면 결함은 재료 가공 및 제품 제조 과정에서 발생합니다. 인라인 표면 품질 검사는 최종 제품의 가장 엄격한 품질 관리를 보장합니다. 나노베아 3D 비접촉식 광학 프로파일러 접촉 없이 샘플의 거칠기를 결정하는 고유한 기능을 갖춘 색채광 기술을 활용합니다. 라인 센서를 사용하면 넓은 표면의 3D 프로파일을 고속으로 스캐닝할 수 있습니다. 분석 소프트웨어에 의해 실시간으로 계산된 거칠기 임계값은 빠르고 안정적인 합격/불합격 도구 역할을 합니다.

측정 목표

이 연구에서는 고속 센서가 장착된 나노베아 ST400을 사용하여 결함이 있는 테프론 샘플의 표면을 검사하여 나노베아의 성능을 보여줍니다.

생산 라인에서 빠르고 안정적인 표면 검사를 제공하는 비접촉식 프로로미터입니다.

나노비아

ST400

결과 및 토론

3D 표면 분석 거칠기 표준 샘플

거칠기 표준의 표면은 그림 1과 같이 192개의 밝은 선을 생성하는 고속 센서가 장착된 나노베아 ST400을 사용하여 스캔했습니다. 이 192개의 포인트가 동시에 샘플 표면을 스캔하기 때문에 스캔 속도가 크게 향상되었습니다.

그림 2는 거칠기 표준 샘플의 표면 높이 맵과 거칠기 분포 맵의 가색 보기를 보여줍니다. 그림 2a에서 거칠기 표준은 각 표준 거칠기 블록의 다양한 색상 그라데이션으로 표시된 것처럼 약간 기울어진 표면을 나타냅니다. 그림 2b에서는 서로 다른 거칠기 블록에서 균일한 거칠기 분포가 나타나며, 색상은 블록의 거칠기를 나타냅니다.

그림 3은 다양한 거칠기 임계값에 따라 분석 소프트웨어에서 생성된 합격/불합격 맵의 예를 보여줍니다. 표면 거칠기가 특정 임계값을 초과하면 거칠기 블록이 빨간색으로 강조 표시됩니다. 이를 통해 사용자는 거칠기 임계값을 설정하여 샘플 표면 마감의 품질을 결정할 수 있습니다.

그림 1: 거칠기 표준 샘플의 광학 라인 센서 스캔

a. 표면 높이 맵:

b. 러프니스 맵:

그림 2: 거칠기 표준 샘플의 표면 높이 맵 및 거칠기 분포 맵의 가색 보기입니다.

그림 3: 거칠기 임계값에 따른 합격/불합격 맵입니다.

결함이 있는 테온 샘플의 표면 검사

테온 샘플 표면의 표면 높이 맵, 거칠기 분포 맵 및 합격/불합격 거칠기 임계값 맵은 그림 4에 나와 있습니다. 표면 높이 맵에 표시된 것처럼 테온 샘플은 샘플의 오른쪽 중앙에 능선 형태가 있습니다.

a. 표면 높이 맵:

그림 4b의 팔레트에서 서로 다른 색상은 로컬 표면의 거칠기 값을 나타냅니다. 거칠기 맵은 테온 샘플의 온전한 영역에서 균일한 거칠기를 나타냅니다. 그러나 움푹 들어간 링과 마모 흉터 형태의 결함은 밝은 색상으로 강조 표시됩니다. 사용자는 그림 4c와 같이 표면 결함을 찾기 위해 합격/불합격 거칠기 임계값을 쉽게 설정할 수 있습니다. 이러한 툴을 통해 사용자는 생산 라인에서 제품 표면 품질을 현장에서 모니터링하고 결함이 있는 제품을 적시에 발견할 수 있습니다. 제품이 인라인 광학 센서를 통과할 때 실시간 거칠기 값이 계산되고 기록되므로 빠르고 신뢰할 수 있는 품질 관리 도구로 사용할 수 있습니다.

b. 러프니스 맵:

c. 합격/불합격 러프니스 임계값 맵:

그림 4: 표면 높이 맵, 거칠기 분포 맵 및 테온 샘플 표면의 합격/불합격 거칠기 임계값 맵입니다.

결론

이 애플리케이션에서는 광학 라인 센서가 장착된 나노베아 ST400 3D 비접촉식 광학 프로파일러가 효과적이고 효율적인 방식으로 신뢰할 수 있는 품질 관리 도구로 작동하는 방법을 보여주었습니다.

광학 라인 센서는 샘플 표면을 동시에 스캔하는 192개의 밝은 선을 생성하여 스캔 속도를 크게 향상시킵니다. 생산 라인에 설치하여 현장에서 제품의 표면 거칠기를 모니터링할 수 있습니다. 거칠기 임계값은 제품의 표면 품질을 판단하는 신뢰할 수 있는 기준으로 작용하여 사용자가 결함이 있는 제품을 제때 발견할 수 있도록 합니다.

여기에 표시된 데이터는 분석 소프트웨어에서 사용할 수 있는 계산의 일부만을 나타냅니다. 나노베아 프로파일로미터는 반도체, 마이크로일렉트로닉스, 태양광, 광섬유, 자동차, 항공우주, 야금, 기계 가공, 코팅, 제약, 생의학, 환경 등 다양한 분야의 거의 모든 표면을 측정합니다.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.