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

Wstęp

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 Dowiedz się więcej o nanoindentation and scratch testing lab services for coating adhesion and failure analysis.

Measurement Method

Nano scratch testing is performed using the Tester mechaniczny 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

Tester mechaniczny

Warunki badania

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	Postępowe
Initial load	0.05 mN
Final load	300 and 100 mN
Sliding speed	0.5 mm/min
Sliding distance	0.5 mm
Indenter geometry	Stożkowa
Indenter material (tip)	Diament
Promień końcówki wgłębnika	20 µm
Temperatura	24°C (room)

Tabela 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	Postępowe
Initial load	0.1 mN
Final load	300 mN
Szybkość ładowania	300 mN/min
Scratch length	0.25 mm
Scratch speed	0.25 mm/min
Indenter geometry	40° cone
Indenter material (tip)	Diament
Promień końcówki wgłębnika	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.

Wyniki i dyskusja

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.

Wniosek

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.

Referencje

[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

Przygotowane przez

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

Wstęp

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 Dowiedz się więcej o non-contact optical profilometry and surface roughness measurement services.

Measurement Method

W tej aplikacji 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
Profilometr optyczny

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.

Parametry pomiarowe

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	Średnia kwadratowa wysokości
Ssk	-0.102		Skośność
Sku	3.715		Kurtoza
Sp	18.861	µm	Maksymalna wysokość piku
Sv	16.553	µm	Maximum pit depth
Sz	35.414	µm	Maksymalna wysokość
Sa	1.888	µm	Średnia arytmetyczna wzrostu

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: Nic
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: Nic

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: Nic
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: Nic

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

Wniosek

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.

Referencje

[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?

Testowanie odporności na zarysowania ochraniaczy ekranu telefonu

Przygotowane przez

Stacey Pereira, Jocelyn Esparza i Pierre Leroux

Zrozumienie odporności na zarysowania w ochraniaczach ekranu telefonu

Powłoki ochronne na ekranach telefonów odgrywają kluczową rolę w zakresie odporności na zarysowania, przyczepności i długoterminowej trwałości. Z biegiem czasu zarysowania, mikropęknięcia i rozwarstwienia powłoki mogą zmniejszyć przejrzystość optyczną i niezawodność - szczególnie w środowiskach o wysokiej intensywności użytkowania. Aby ocenić, w jaki sposób różne zabezpieczenia ekranu są odporne na uszkodzenia mechaniczne, oprzyrządowane testy zarysowań zapewniają wymierny wgląd w mechanizmy uszkodzenia powłoki, w tym przyczepność, spójność i pękanie.

W tym badaniu, Tester mechaniczny NANOVEA PB1000 służy do porównywania ochraniaczy ekranu z TPU i szkła hartowanego pod kontrolowanym obciążeniem progresywnym. Korzystając z precyzyjnej detekcji emisji akustycznej, identyfikujemy krytyczne obciążenia awaryjne i charakteryzujemy, w jaki sposób każdy materiał reaguje na rosnące naprężenia mechaniczne.

Dlaczego testy odporności na zarysowania mają znaczenie dla ochraniaczy ekranu?

Wielu użytkowników zakłada, że grubsze lub twardsze ochraniacze automatycznie działają lepiej, ale rzeczywista trwałość zależy od tego, jak materiał zachowuje się pod obciążeniem progresywnym, odkształceniem powierzchni i miejscowym naprężeniem. Oprzyrządowane testy zarysowań umożliwiają inżynierom pomiar przyczepności powłoki, wytrzymałości kohezyjnej, odporności na zużycie powierzchni oraz dokładnych obciążeń, przy których dochodzi do inicjacji lub propagacji uszkodzeń.

Analizując punkty inicjacji pęknięć, zachowanie podczas rozwarstwiania i tryby awarii, producenci mogą zweryfikować wydajność ochrony ekranu na potrzeby badań i rozwoju, kontroli jakości lub porównawczych testów porównawczych. Testy nano- i mikro-zarysowań oferują powtarzalny, oparty na danych wgląd w rzeczywistą trwałość znacznie wykraczającą poza tradycyjne oceny twardości.

ℹ️ Dowiedz się więcej o usługi testowania zarysowań i przyczepności powłok i zabezpieczeń ekranu.

Cel testu Scratch:
Pomiar obciążeń awaryjnych w osłonach ekranu

Celem tego badania jest zademonstrowanie, w jaki sposób tester mechaniczny NANOVEA PB1000 przeprowadza powtarzalne, znormalizowane testy odporności na zarysowania zarówno polimerowych, jak i szklanych osłon ekranu. Poprzez stopniowe zwiększanie przyłożonego obciążenia, system wykrywa obciążenia krytyczne dla uszkodzenia spoiwa i kleju, rejestruje sygnały emisji akustycznej i koreluje te zdarzenia z głębokością zarysowania, siłą tarcia i deformacją powierzchni.

Metodologia ta zapewnia pełny profil mechaniczny każdej powłoki ochronnej, umożliwiając producentom i zespołom badawczo-rozwojowym ocenę receptur materiałów, siły przyczepności powłoki, trwałości powierzchni i optymalnej grubości powłoki w celu poprawy wydajności produktu. Te oceny zarysowań są częścią szerszego pakietu produktów NANOVEA. rozwiązania do testów mechanicznych wykorzystywane do charakteryzowania powłok, folii i podłoży w środowiskach badawczo-rozwojowych, kontroli jakości i produkcyjnych.

NANOVEA PB1000 - duża platforma
Tester mechaniczny

Parametry testu zarysowań i konfiguracja urządzenia

Ocena odporności na zarysowania ochraniaczy ekranu z TPU i szkła hartowanego została przeprowadzona w kontrolowanych warunkach, aby zapewnić powtarzalność i dokładne wykrywanie uszkodzeń. Poniższe parametry definiują konfigurację do testowania zarysowań pod obciążeniem progresywnym stosowaną w testerze mechanicznym NANOVEA PB1000.

TYP OBCIĄŻENIA	PROGRESYWNY
OBCIĄŻENIE POCZĄTKOWE	0.1 N
OBCIĄŻENIE KOŃCOWE	12 N
PRĘDKOŚĆ PRZESUWANIA	3,025 mm/min
ODLEGŁOŚĆ PRZESUWU	3 mm
GEOMETRIA WGŁĘBNIKA	ROCKWELL (STOŻEK 120°)
MATERIAŁ WGŁĘBNIKA (KOŃCÓWKA)	DIAMENT
PROMIEŃ KOŃCÓWKI WGŁĘBNIKA	50 µm
ATMOSFERY	POWIETRZE
TEMPERATURA	24°C (TEMP. POKOJOWA)

TABELA 1: Parametry testowe używane do testowania zarysowań

Próbka ochraniacza ekranu zamontowana na testerze mechanicznym NANOVEA PB1000 podczas pomiaru zarysowania przy obciążeniu progresywnym.

Próbki ochraniaczy ekranu używane do testów odporności na zarysowania

W celu porównania różnic w odporności na zarysowania, odporności na uszkodzenia i trwałości mechanicznej wybrano dwa dostępne na rynku materiały ochraniaczy ekranu. Obie próbki zostały bezpiecznie zamontowane na testerze mechanicznym NANOVEA PB1000 i ocenione w identycznych warunkach obciążenia progresywnego, aby zapewnić spójne i bezstronne porównanie.

Ochraniacz ekranu z TPU reprezentuje elastyczną folię polimerową o wysokiej elastyczności, ale niższej odporności na ścieranie, podczas gdy ochraniacz ze szkła hartowanego reprezentuje sztywny, kruchy materiał zaprojektowany z myślą o wysokiej twardości i zwiększonej ochronie przed uderzeniami. Testowanie obu materiałów pod tym samym profilem obciążenia pozwala na jasną ocenę, w jaki sposób skład materiału, elastyczność i twardość wpływają na tryby uszkodzenia zarysowania.

Ochraniacz ekranu TPU

Szkło hartowane

RYSUNEK 1: Ochraniacze ekranu z TPU i szkła hartowanego przygotowane do testów odporności na zarysowania.

Wyniki testów na zarysowania: Tryby awarii w ochraniaczach ekranu z TPU i szkła hartowanego

TYP OSŁONY EKRANU	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #1 (N)	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #2 (N)
TPU	n/d	2.004 ± 0.063
SZKŁO HARTOWANE	3.608 ± 0.281	7.44 ± 0.995

TABELA 2: Podsumowanie obciążeń krytycznych dla każdej próbki ochraniacza ekranu.

Ponieważ ochraniacze ekranu z TPU i szkła hartowanego mają zasadniczo różne właściwości mechaniczne, każda próbka wykazywała różne tryby uszkodzenia i progi obciążenia krytycznego podczas testów zarysowania pod obciążeniem progresywnym. Tabela 2 podsumowuje zmierzone obciążenia krytyczne dla każdego materiału.

Obciążenie krytyczne #1 reprezentuje pierwszy obserwowalny punkt uszkodzenia spoistości pod mikroskopem optycznym, taki jak inicjacja pęknięcia lub pęknięcie promieniowe.

Obciążenie krytyczne #2 odpowiada pierwszemu poważnemu zdarzeniu wykrytemu za pomocą monitorowania emisji akustycznej (AE), zwykle reprezentującemu większe uszkodzenie strukturalne lub zdarzenie penetracji.

Ochraniacz ekranu TPU - elastyczne zachowanie polimeru

Ochraniacz ekranu TPU wykazywał tylko jedno znaczące zdarzenie krytyczne (obciążenie krytyczne #2). Obciążenie to odpowiada punktowi wzdłuż śladu zarysowania, w którym folia zaczęła się podnosić, odklejać lub rozwarstwiać od powierzchni ekranu telefonu.

Po przekroczeniu obciążenia krytycznego #2 (≈2,00 N), wgłębnik wniknął wystarczająco, aby spowodować widoczne zadrapanie bezpośrednio na ekranie telefonu przez pozostałą część testu. Nie wykryto żadnego oddzielnego zdarzenia obciążenia krytycznego #1, co jest zgodne z wysoką elastycznością materiału i niższą wytrzymałością kohezyjną.

Ochraniacz ekranu ze szkła hartowanego - kruche zachowanie podczas awarii

Ochraniacz ekranu ze szkła hartowanego wykazał dwa różne obciążenia krytyczne, charakterystyczne dla materiałów kruchych:

Obciążenie krytyczne #1 (≈3,61 N): Pod mikroskopem zaobserwowano pęknięcia promieniowe i inicjację pęknięć, co wskazuje na wczesne uszkodzenie kohezyjne warstwy szkła.
Obciążenie krytyczne #2 (≈7,44 N): Duży skok AE i gwałtowny wzrost głębokości zarysowania wskazywały na penetrację protektora przy wyższych obciążeniach.

Chociaż wielkość AE była wyższa niż w przypadku TPU, żadne uszkodzenia nie zostały przeniesione na ekran telefonu, demonstrując zdolność ochraniacza ze szkła hartowanego do pochłaniania i rozkładania obciążenia przed katastrofalną awarią.

W obu materiałach obciążenie krytyczne #2 odpowiadało momentowi, w którym wgłębnik przebił osłonę ekranu, potwierdzając limit ochronny każdej próbki.

Ochraniacz ekranu TPU: Dane z testów zarysowań i analiza awarii

SCRATCH	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #2 (N)
1	2.033
2	2.047
3	1.931
ŚREDNIA	2.003
ODCHYLENIE STANDARDOWE	0.052

TABELA 3: Obciążenia krytyczne zmierzone podczas testów zarysowań ochraniacza ekranu TPU.

RYSUNEK 2: Siła tarcia, obciążenie normalne, emisja akustyczna (AE) i głębokość zarysowania w zależności od długości zarysowania dla ochraniacza ekranu TPU. (B) Obciążenie krytyczne #2

RYSUNEK 3: Obraz mikroskopii optycznej ochraniacza ekranu TPU przy obciążeniu krytycznym #2 (powiększenie 5×; szerokość obrazu 0,8934 mm).

RYSUNEK 4: Pełnowymiarowy obraz ochraniacza ekranu TPU po zarysowaniu, pokazujący pełny ślad zarysowania po testach obciążenia progresywnego.

Ochraniacz ekranu ze szkła hartowanego: Dane obciążenia krytycznego i zachowanie przy pękaniu

SCRATCH	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #1 (N)	OBCIĄŻENIE KRYTYCZNE #2 (N)
1	3.923	7.366
2	3.382	6.483
3	3.519	8.468
ŚREDNIA	3.653	6.925
ODCHYLENIE STANDARDOWE	0.383	0.624

TABELA 4: Obciążenia krytyczne zmierzone podczas testów zarysowania osłony ekranu ze szkła hartowanego.

ℹ️ Dla porównania z niekrzemianowymi powłokami polimerowymi, zobacz nasze badanie na temat Testy zużycia powłoki PTFE, który podkreśla zachowanie podczas uszkodzenia folii polimerowych o niskim współczynniku tarcia w podobnych warunkach obciążenia progresywnego.

RYSUNEK 5: Siła tarcia, obciążenie normalne, emisja akustyczna (AE) i głębokość zarysowania w zależności od długości zarysowania dla osłony ekranu ze szkła hartowanego. (A) Obciążenie krytyczne #1 (B) Obciążenie krytyczne #2

RYSUNEK 6: Obrazy mikroskopii optycznej przedstawiające miejsca uszkodzenia dla obciążenia krytycznego #1 (po lewej) i obciążenia krytycznego #2 (po prawej) w 5-krotnym powiększeniu (szerokość obrazu: 0,8934 mm).

RYSUNEK 7: Obraz mikroskopii optycznej śladu zarysowania szkła hartowanego po teście, podkreślający inicjację pęknięcia (CL#1) i końcową strefę penetracji (CL#2) po testach z obciążeniem progresywnym.

Wnioski: Porównanie odporności na zarysowania ochraniaczy ekranu z TPU i szkła hartowanego

Badanie to pokazuje, w jaki sposób tester mechaniczny NANOVEA PB1000 zapewnia kontrolowane, powtarzalne i bardzo czułe pomiary odporności na zarysowania przy użyciu progresywnego obciążenia i wykrywania emisji akustycznej (AE). Precyzyjnie rejestrując zarówno uszkodzenia kohezyjne, jak i adhezyjne, system umożliwia wyraźne porównanie zachowania TPU i hartowanego szkła w warunkach rosnącego obciążenia mechanicznego.

Wyniki eksperymentów potwierdzają, że szkło hartowane wykazuje znacznie wyższe obciążenia krytyczne niż TPU, zapewniając lepszą odporność na zarysowania, opóźnioną inicjację pękania i niezawodną ochronę przed penetracją wgłębnika. Niższa wytrzymałość kohezyjna TPU i wcześniejsza delaminacja podkreślają jego ograniczenia w środowiskach o wysokim obciążeniu.

Po zidentyfikowaniu obciążeń awaryjnych, powstałe ślady zarysowań mogą być również analizowane przy użyciu funkcji bezdotykowy profilometr optyczny 3D do pomiaru głębokości rowka, odkształcenia szczątkowego i topografii po zarysowaniu. Pomaga to uzupełnić profil mechaniczny każdego materiału.

Tester mechaniczny NANOVEA został zaprojektowany do dokładnych i powtarzalnych testów wgłębień, zarysowań i zużycia oraz obsługuje nano- i mikromoduły zgodne z normami ISO i ASTM. Jego wszechstronność sprawia, że jest to idealne rozwiązanie do oceny pełnego profilu mechanicznego cienkich warstw, powłok, polimerów, szkieł i podłoży w badaniach i rozwoju, produkcji i kontroli jakości.

Często zadawane pytania
Informacje o testach odporności na zarysowania

Czym jest test odporności na zarysowania?

Testy odporności na zarysowania oceniają, jak materiał lub powłoka reaguje, gdy diamentowy trzpień pomiarowy przykłada stopniowo rosnące obciążenie. Test identyfikuje krytyczne obciążenia, przy których występują uszkodzenia spójności lub przyczepności, zapewniając wymierną miarę trwałości, siły przyczepności i odporności na uszkodzenia powierzchni.

Jaka jest różnica między uszkodzeniem kohezyjnym a adhezyjnym?

Występuje uszkodzenie spójności w ramach powłoki lub materiału, takich jak pęknięcia, rozdarcia lub pęknięcia wewnętrzne.
Uszkodzenie kleju ma miejsce, gdy powłoka odrywa się od podłoża, co wskazuje na niewystarczającą siłę wiązania.

NANOVEA PB1000 wykrywa oba te czynniki za pomocą zsynchronizowanego monitorowania emisji akustycznej, śledzenia głębokości zarysowania i analizy tarcia.

Dlaczego warto używać testera mechanicznego zamiast metod ręcznych?

Tester mechaniczny, taki jak NANOVEA PB1000, zapewnia precyzyjne, powtarzalne i znormalizowane pomiary, zapewniając wiarygodne dane do badań i rozwoju, walidacji produkcji i kontroli jakości. Oferuje również zaawansowane funkcje, takie jak wykrywanie emisji akustycznej i monitorowanie głębokości w czasie rzeczywistym, których nie mogą zapewnić metody ręczne.

Potrzebujesz niezawodnego testu zarysowań dla swoich materiałów?

Pomiar zużycia in situ w wysokiej temperaturze

POMIAR ZUŻYCIA IN SITU W WYSOKIEJ TEMPERATURZE

PRZY UŻYCIU TRYBOMETRU

Przygotowane przez

Duanjie Li, PhD

WPROWADZENIE

Liniowy zmienny transformator różnicowy (LVDT) jest rodzajem wytrzymałego transformatora elektrycznego używanego do pomiaru przemieszczenia liniowego. Znalazł on szerokie zastosowanie w wielu aplikacjach przemysłowych, w tym w turbinach energetycznych, hydraulice, automatyce, samolotach, satelitach, reaktorach jądrowych i wielu innych.

W tym badaniu przedstawiamy dodatki LVDT i moduły wysokotemperaturowe NANOVEA Tribometr które umożliwiają pomiar zmiany głębokości śladu zużycia badanej próbki podczas procesu zużycia w podwyższonych temperaturach. Umożliwia to użytkownikom korelację różnych etapów procesu zużycia ze zmianą współczynnika COF, co ma kluczowe znaczenie dla poprawy podstawowego zrozumienia mechanizmu zużycia i właściwości tribologicznych materiałów do zastosowań wysokotemperaturowych.

CEL POMIARU

W tej pracy. chcielibyśmy zaprezentować możliwości Tribometru NANOVEA T50 do monitorowania in situ ewolucji procesu zużycia materiałów w podwyższonych temperaturach.

Proces zużycia ceramiki glinokrzemianowej w różnych temperaturach jest symulowany w sposób kontrolowany i monitorowany.

NANOVEA

T50

PROCEDURA TESTOWA

Zachowanie tribologiczne, np. współczynnik tarcia (COF) i odporność na zużycie płytek ceramicznych z krzemianu glinu oceniano za pomocą Tribometru NANOVEA. Płytka ceramiczna z krzemianu glinu była podgrzewana w piecu od temperatury pokojowej (RT) do podwyższonej temperatury (400°C i 800°C), a następnie w takich temperaturach przeprowadzano testy zużycia.

Dla porównania, badania zużycia przeprowadzono po schłodzeniu próbki z 800°C do 400°C, a następnie do temperatury pokojowej. Do badanych próbek przyłożono końcówkę z kulką AI2O3 (śr. 6mm, Grade 100). COF, głębokość zużycia i temperatura były monitorowane in situ.

PARAMETRY BADANIA

pomiaru pin-on-disk

Szybkość zużycia, K, oceniano za pomocą wzoru K=V/(Fxs)=A/(Fxn), gdzie V to objętość zużyta, F to obciążenie normalne, s to droga ślizgowa, A to pole przekroju poprzecznego ścieżki zużycia, a n to liczba obrotów. Chropowatość powierzchni i profile ścieżek zużycia oceniano za pomocą NANOVEA Optical Profiler, a morfologię ścieżek zużycia badano za pomocą mikroskopu optycznego.

WYNIKI I DYSKUSJA

Współczynnik COF i głębokość śladu zużycia zarejestrowane in situ są pokazane odpowiednio na RYSUNKU 1 i RYSUNKU 2. Na RYSUNKU 1, "-I" oznacza badanie przeprowadzone, gdy temperatura została zwiększona z RT do podwyższonej temperatury. "-D" reprezentuje temperaturę obniżoną z wyższej temperatury 800°C.

Jak widać na RYSUNKU 1, próbki badane w różnych temperaturach wykazują porównywalny współczynnik COF wynoszący ~0,6 w trakcie pomiarów. Tak wysoki COF prowadzi do przyspieszonego procesu zużycia, w wyniku którego powstaje znaczna ilość odłamków. Głębokość śladu zużycia była monitorowana podczas testów zużycia za pomocą LVDT, jak pokazano na RYS. 2. Testy przeprowadzone w temperaturze pokojowej przed nagrzaniem próbki i po schłodzeniu próbki pokazują, że płyta ceramiczna z krzemianu glinu wykazuje progresywny proces zużycia w RT, głębokość śladu zużycia stopniowo wzrasta podczas testu zużycia do ~170 i ~150 μm, odpowiednio.

Dla porównania, testy zużycia w podwyższonych temperaturach (400°C i 800°C) wykazują inne zachowanie - głębokość śladu zużycia wzrasta szybko na początku procesu zużycia, a następnie zwalnia w miarę trwania testu. Głębokość ścieżki zużycia dla testów przeprowadzonych w temperaturach 400°C-I, 800°C i 400°C-D wynosi odpowiednio ~140, ~350 i ~210 μm.

RYSUNEK 1. Współczynnik tarcia podczas badań pin-on-disk w różnych temperaturach

RYSUNEK 2. Ewolucja głębokości śladu zużycia płytki ceramicznej z krzemianu glinu w różnych temperaturach

Średnia szybkość zużycia i głębokość śladu zużycia płytek ceramicznych z krzemianu glinu w różnych temperaturach zostały zmierzone przy użyciu NANOVEA Optical Profiler jak podsumowano w RYSUNEK 3. Głębokość śladu zużycia jest zgodna z zarejestrowaną za pomocą LVDT. Płyta ceramiczna z krzemianu glinu wykazuje znacznie zwiększony wskaźnik zużycia ~0,5 mm3/Nm w temperaturze 800°C, w porównaniu do wskaźników zużycia poniżej 0,2 mm3/N w temperaturze poniżej 400°C. Płytka ceramiczna z krzemianu glinu nie wykazuje znacząco poprawionych właściwości mechanicznych/tribologicznych po krótkim procesie ogrzewania, posiadając porównywalny wskaźnik zużycia przed i po obróbce cieplnej.

Ceramika krzemianowa z tlenku glinu, znana również jako lawa i cudowny kamień, jest miękka i możliwa do obróbki przed obróbką cieplną. Długi proces wypalania w podwyższonej temperaturze do 1093°C może znacznie zwiększyć jej twardość i wytrzymałość, po czym wymagana jest obróbka diamentowa. Taka unikalna cecha sprawia, że ceramika glinowo-krzemianowa jest idealnym materiałem do rzeźby.

W niniejszej pracy wykazaliśmy, że obróbka cieplna w niższej temperaturze niż wymagana do wypalania (800°C vs 1093°C) w krótkim czasie nie poprawia właściwości mechanicznych i tribologicznych ceramiki z krzemianu glinu, co sprawia, że właściwe wypalanie jest niezbędnym procesem dla tego materiału przed jego wykorzystaniem w rzeczywistych zastosowaniach.

RYSUNEK 3. Szybkość zużycia i głębokość śladu zużycia próbki w różnych temperaturach

PODSUMOWANIE

Na podstawie kompleksowej analizy tribologicznej w tym badaniu, pokazujemy, że płyta ceramiczna z krzemianu glinu wykazuje porównywalny współczynnik tarcia w różnych temperaturach od temperatury pokojowej do 800°C. Jednakże, wykazuje znacznie zwiększoną szybkość zużycia ~0,5 mm3/Nm w 800°C, co pokazuje znaczenie właściwej obróbki cieplnej tej ceramiki.

Tribometry NANOVEA są w stanie ocenić właściwości tribologiczne materiałów przeznaczonych do zastosowań w wysokich temperaturach do 1000°C. Funkcja pomiaru in situ COF i głębokości śladu zużycia pozwala użytkownikom na korelację różnych etapów procesu zużycia z ewolucją COF, co jest kluczowe w poprawie fundamentalnego zrozumienia mechanizmu zużycia i właściwości tribologicznych materiałów stosowanych w podwyższonych temperaturach.

Tribometry NANOVEA oferują precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia w trybach obrotowym i liniowym zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Niezrównana oferta NANOVEA jest idealnym rozwiązaniem do określenia pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży.

Opcjonalne bezdotykowe profilery 3D są dostępne dla wysokiej rozdzielczości obrazowania 3D śladów zużycia, jako dodatek do innych pomiarów powierzchni, takich jak chropowatość.

Masz podobną aplikację?

Analiza powierzchni rybiej łuski z wykorzystaniem optycznego profilera 3D

Dowiedz się więcej

ANALIZA POWIERZCHNI RYBIEJ ŁUSKI

przy użyciu PROFILERA OPTYCZNEGO 3D

Przygotowane przez

Andrea Novitsky

WPROWADZENIE

Morfologię, wzory i inne cechy łuski ryb bada się za pomocą NANOVEA Bezkontaktowy profiler optyczny 3D. Delikatny charakter tej próbki biologicznej wraz z jej bardzo małymi rowkami o dużym kącie nachylenia również podkreśla znaczenie bezkontaktowej techniki profilowania. Rowki na skali nazywane są circuli i można je badać, aby oszacować wiek ryby, a nawet rozróżnić okresy o różnym tempie wzrostu, podobnie jak słoje drzewa. Jest to bardzo ważna informacja dla zarządzania populacjami dzikich ryb w celu zapobiegania przełowieniu.

Znaczenie profilometrii bezdotykowej 3D w badaniach BIOLOGICZNYCH

W przeciwieństwie do innych technik, takich jak sondy dotykowe czy interferometria, bezkontaktowy profiler optyczny 3D, wykorzystujący chromatyzm osiowy, może mierzyć niemal każdą powierzchnię. Wielkość próbek może się znacznie różnić dzięki otwartemu stagingu i nie ma potrzeby przygotowania próbki. Cechy od nano do makro zakresu są uzyskiwane podczas pomiaru profilu powierzchni bez wpływu odbicia lub absorpcji próbki. Urządzenie zapewnia zaawansowaną możliwość pomiaru wysokich kątów powierzchni bez konieczności manipulowania wynikami przez oprogramowanie. Każdy materiał może być łatwo zmierzony, niezależnie od tego, czy jest przezroczysty, nieprzezroczysty, spekularny, dyfuzyjny, polerowany czy chropowaty. Technika ta zapewnia idealne, szerokie i przyjazne dla użytkownika możliwości maksymalizacji badań powierzchni wraz z korzyściami wynikającymi z połączenia możliwości 2D i 3D.

CEL POMIARU

W tej aplikacji prezentujemy NANOVEA ST400, bezkontaktowy profiler 3D z szybkim czujnikiem, zapewniający kompleksową analizę powierzchni kamienia.

Urządzenie zostało użyte do zeskanowania całej próbki, wraz ze skanem o wyższej rozdzielczości obszaru środkowego. Dla porównania zmierzono również chropowatość powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej strony skali.

NANOVEA

ST400

Charakterystyka powierzchni 3D i 2D Skala zewnętrzna

Widok 3D i Widok Fałszywego Koloru zewnętrznej skali pokazują złożoną strukturę podobną do odcisku palca lub słojów drzewa. Zapewnia to użytkownikom proste narzędzie do bezpośredniej obserwacji charakterystyki powierzchni skali pod różnymi kątami. Różne inne pomiary skali zewnętrznej są pokazane wraz z porównaniem zewnętrznej i wewnętrznej strony skali.

PORÓWNANIE CHROPOWATOŚCI POWIERZCHNI

PODSUMOWANIE

W tej aplikacji pokazaliśmy, jak NANOVEA 3D Non-Contact Optical Profiler może scharakteryzować rybią łuskę na wiele sposobów.

Zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnię łuski można łatwo rozróżnić na podstawie samej chropowatości powierzchni, przy czym wartości chropowatości wynoszą odpowiednio 15,92μm i 1,56μm. Dodatkowo, precyzyjne i dokładne informacje o łusce ryby można poznać analizując rowki, czyli circuli, na zewnętrznej powierzchni łuski. Zmierzono odległość pasm cyrkli od ogniska środkowego, stwierdzono również, że wysokość cyrkli wynosi średnio około 58μm.

Przedstawione dane stanowią jedynie część obliczeń dostępnych w oprogramowaniu analitycznym.

Masz podobną aplikację?

Dynamiczna analiza mechaniczna (DMA) - przemiatanie częstotliwości na polimerach

PRZEMIATANIE CZĘSTOTLIWOŚCI DMA

NA POLIMERZE PRZY UŻYCIU NANOINDENTACJI

Przygotowane przez

Duanjie Li, PhD

WPROWADZENIE

ZNACZENIE DYNAMICZNEJ ANALIZY MECHANICZNEJ BADANIE PRZEMIATANIA CZĘSTOTLIWOŚCI

Zmieniająca się częstotliwość naprężeń często prowadzi do zmian modułu zespolonego, który jest krytyczną właściwością mechaniczną polimerów. Na przykład opony poddawane są cyklicznym dużym odkształceniom, gdy pojazdy poruszają się po drodze. Częstotliwość nacisków i odkształceń zmienia się w miarę przyspieszania samochodu do większych prędkości. Taka zmiana może skutkować zmianą właściwości lepkosprężystych opony, które są ważnymi czynnikami wpływającymi na osiągi samochodu. Potrzebne jest wiarygodne i powtarzalne badanie lepkosprężystego zachowania polimerów przy różnych częstotliwościach. Moduł Nano NANOVEA Tester mechaniczny generuje obciążenie sinusoidalne za pomocą precyzyjnego siłownika piezoelektrycznego i bezpośrednio mierzy ewolucję siły i przemieszczenia za pomocą ultraczułego ogniwa obciążnikowego i kondensatora. Połączenie łatwej konfiguracji i wysokiej dokładności sprawia, że jest to idealne narzędzie do przemiatania częstotliwości w dynamicznej analizie mechanicznej.

Materiały lepkosprężyste wykazują zarówno cechy lepkie jak i sprężyste podczas poddawania ich deformacji. Długie łańcuchy molekularne w materiałach polimerowych przyczyniają się do ich unikalnych właściwości lepkosprężystych, tj. połączenia cech zarówno sprężystych ciał stałych, jak i płynów newtonowskich. Naprężenie, temperatura, częstotliwość i inne czynniki odgrywają rolę we właściwościach lepkosprężystych. Dynamiczna analiza mechaniczna, znana również jako DMA, bada zachowanie lepkosprężyste i moduł złożony materiału poprzez zastosowanie sinusoidalnego naprężenia i pomiar zmiany odkształcenia.

CEL POMIARU

W tej aplikacji badamy właściwości lepkosprężyste próbki wypolerowanej opony przy różnych częstotliwościach DMA przy użyciu najpotężniejszego testera mechanicznego NANOVEA PB1000 w Nanoindentacja tryb.

NANOVEA

PB1000

WARUNKI BADANIA

CZĘSTOTLIWOŚĆ (Hz):

0.1, 1.5, 10, 20

CZAS PEŁZANIA PRZY KAŻDEJ CZĘSTOTLIWOŚCI.

50 sek

NAPIĘCIE OSCYLACJI

0.1 V

NAPIĘCIE ŁADOWANIA

1 V

typ wgłębnika

Sferyczny

Diament | 100 μm

WYNIKI I DYSKUSJA

Przemiatanie częstotliwościowe Dynamicznej Analizy Mechanicznej przy maksymalnym obciążeniu umożliwia szybki i prosty pomiar właściwości lepkosprężystych próbki przy różnych częstotliwościach obciążenia w ramach jednej próby. Przesunięcie fazowe oraz amplitudy fal obciążenia i przemieszczenia przy różnych częstotliwościach mogą być wykorzystane do obliczenia wielu podstawowych właściwości lepkosprężystych materiału, w tym Moduł przechowywania, Moduł strat oraz Tan (δ) co podsumowano na poniższych wykresach.

Częstotliwości 1, 5, 10 i 20 Hz w tym badaniu, odpowiadają prędkościom około 7, 33, 67 i 134 km na godzinę. Wraz ze wzrostem częstotliwości badania od 0,1 do 20 Hz można zaobserwować, że zarówno moduł spiętrzenia jak i moduł strat stopniowo wzrastają. Tan (δ) zmniejsza się z ~0,27 do 0,18 w miarę wzrostu częstotliwości od 0,1 do 1 Hz, a następnie stopniowo wzrasta do ~0,55 po osiągnięciu częstotliwości 20 Hz. Przemiatanie częstotliwości DMA pozwala na pomiar trendów modułu spiętrzenia, modułu stratności i Tan (δ), które dostarczają informacji o ruchu monomerów i sieciowaniu, a także o przejściu szklistym polimerów. Podnosząc temperaturę za pomocą płyty grzejnej podczas przemiatania częstotliwości, można uzyskać pełniejszy obraz charakteru ruchu molekularnego w różnych warunkach badania.

EWOLUCJA OBCIĄŻENIA I GŁĘBOKOŚCI

PEŁNEGO PRZEMIATANIA CZĘSTOTLIWOŚCI DMA

Obciążenie i głębokość w zależności od czasu przy różnych częstotliwościach

MODUŁ PRZECHOWYWANIA

PRZY RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

MODUŁ STRATY

PRZY RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

TAN (δ)

PRZY RÓŻNYCH CZĘSTOTLIWOŚCIACH

PODSUMOWANIE

W tym badaniu zaprezentowaliśmy możliwości urządzenia NANOVEA Mechanical Tester w zakresie wykonywania testu przemiatania częstotliwościowego Dynamicznej Analizy Mechanicznej na próbce opony. Test ten mierzy właściwości lepkosprężyste opony przy różnych częstotliwościach naprężeń. Opona wykazuje wzrost modułu magazynowania i stratności wraz ze wzrostem częstotliwości obciążenia od 0,1 do 20 Hz. Badanie dostarcza przydatnych informacji na temat zachowania się opony w warunkach lepkosprężystych przy różnych prędkościach, co jest niezbędne do poprawy osiągów opon w celu zapewnienia bardziej płynnej i bezpiecznej jazdy. Test przemiatania częstotliwości DMA może być wykonywany w różnych temperaturach, aby naśladować realistyczne środowisko pracy opony w różnych warunkach pogodowych.

W module Nano testera mechanicznego NANOVEA, przykładanie obciążenia za pomocą szybkiego piezoelementu jest niezależne od pomiaru obciążenia wykonywanego przez oddzielny, wysokoczuły tensometr. Daje to wyraźną przewagę podczas Dynamicznej Analizy Mechanicznej, ponieważ faza pomiędzy głębokością a obciążeniem jest mierzona bezpośrednio z danych zebranych z czujnika. Obliczenie fazy jest bezpośrednie i nie wymaga modelowania matematycznego, które dodaje niedokładności do wynikowego modułu stratności i przechowywania. Nie jest to możliwe w przypadku systemu opartego na cewkach.

Podsumowując, DMA mierzy moduł stratności i przechowywania, moduł złożony i Tan (δ) w funkcji głębokości kontaktu, czasu i częstotliwości. Opcjonalny stopień grzania umożliwia wyznaczenie temperatury przejścia fazowego materiałów podczas DMA. Testery mechaniczne NANOVEA zapewniają niezrównaną funkcjonalność modułów Nano i Micro na jednej platformie. Zarówno moduły Nano jak i Micro zawierają tryby testera zarysowań, testera twardości oraz testera zużycia, zapewniając najszerszy i najbardziej przyjazny dla użytkownika zakres badań dostępny w jednym module.

Masz podobną aplikację?

Topografia soczewki Fresnela

TOPOGRAFIA SOCZEWKI FRESNELAUŻYCIE 3D BEZDOTYKOWY PROFILOMETR OPTYCZNY

Przygotowane przez

Duanjie Li & Benjamin Mell

WPROWADZENIE

Soczewka to urządzenie optyczne o symetrii osiowej, które transmituje i załamuje światło. Prosta soczewka składa się z pojedynczego elementu optycznego służącego do zbierania lub rozbierania światła. Chociaż powierzchnie sferyczne nie są idealnym kształtem do tworzenia soczewek, są często używane jako najprostszy kształt, do którego można szlifować i polerować szkło.

Soczewka Fresnela składa się z serii koncentrycznych pierścieni, które są cienkimi częściami prostej soczewki o szerokości tak małej jak kilka tysięcznych cala. Soczewki Fresnela mają dużą aperturę i krótką ogniskową, a ich zwarta konstrukcja zmniejsza masę i objętość wymaganego materiału w porównaniu z konwencjonalnymi soczewkami o tych samych właściwościach optycznych. Ze względu na cienką geometrię soczewki Fresnela bardzo mała ilość światła jest tracona przez absorpcję.

ZNACZENIE PROFILOMETRII BEZKONTAKTOWEJ 3D W KONTROLI SOCZEWEK FRESNELA

Soczewki Fresnela są szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, latarniach morskich, energii słonecznej i optycznych systemach lądowania lotniskowców. Formowanie lub tłoczenie soczewek z przezroczystych tworzyw sztucznych może sprawić, że ich produkcja będzie opłacalna. Jakość obsługi soczewek Fresnela zależy w dużej mierze od precyzji i jakości powierzchni ich koncentrycznego pierścienia. W przeciwieństwie do techniki sondy dotykowej, NANOVEA Profilery optyczne wykonuj pomiary powierzchni 3D bez dotykania powierzchni, unikając ryzyka powstania nowych zarysowań. Technika światła chromatycznego jest idealna do precyzyjnego skanowania skomplikowanych kształtów, takich jak soczewki o różnej geometrii.

SCHEMAT SOCZEWKI FRESNELA

Przezroczyste plastikowe soczewki Fresnela mogą być produkowane metodą formowania lub tłoczenia. Dokładna i skuteczna kontrola jakości ma kluczowe znaczenie dla wykrycia wadliwych form produkcyjnych lub stempli. Dzięki pomiarowi wysokości i skoku pierścieni koncentrycznych można wykryć różnice w produkcji, porównując zmierzone wartości z wartościami podanymi w specyfikacji przez producenta soczewki.

Precyzyjny pomiar profilu soczewki zapewnia prawidłową obróbkę form lub stempli w celu dopasowania ich do specyfikacji producenta. Ponadto stempel może z czasem ulec stopniowemu zużyciu, powodując utratę początkowego kształtu. Stałe odchylenie od specyfikacji producenta obiektywu jest pozytywnym sygnałem, że forma wymaga wymiany.

CEL POMIARU

W tej aplikacji prezentujemy NANOVEA ST400, bezkontaktowy profiler 3D z szybkim czujnikiem, zapewniający kompleksową analizę profilu 3D elementu optycznego o złożonym kształcie. Aby zademonstrować niezwykłe możliwości naszej technologii światła chromatycznego, analiza konturów została przeprowadzona na soczewce Fresnela.

NANOVEA ST400 Duży obszar
Optyczny profilometr 3D

Użyta w tym badaniu akrylowa soczewka Fresnela o wymiarach 2,3" x 2,3" składa się z.

serię koncentrycznych pierścieni i złożony ząbkowany profil przekroju poprzecznego.

Posiada ogniskową 1,5", średnicę efektywną 2,0",

125 rowków na cal, oraz indeks załamania światła 1,49.

Skan NANOVEA ST400 soczewki Fresnela pokazuje zauważalny wzrost wysokości koncentrycznych pierścieni, odchodzących na zewnątrz od centrum.

2D FALSE COLOR

Przedstawienie wysokości

WIDOK 3D

PROFIL WYODRĘBNIONY

SZCZYT I DOLINA

Analiza wymiarowa profilu

PODSUMOWANIE

W tej aplikacji pokazaliśmy, że bezkontaktowy profiler optyczny NANOVEA ST400 dokładnie mierzy topografię powierzchni soczewek Fresnela.

Wymiary wysokości i skoku mogą być dokładnie określone na podstawie złożonego profilu ząbkowanego przy użyciu oprogramowania analitycznego NANOVEA. Użytkownicy mogą skutecznie kontrolować jakość form produkcyjnych lub stempli, porównując wymiary wysokości i skoku pierścienia w wyprodukowanych soczewkach z idealną specyfikacją pierścienia.

Przedstawione dane stanowią jedynie część obliczeń dostępnych w oprogramowaniu analitycznym.

Profilery optyczne NANOVEA mierzą praktycznie każdą powierzchnię w takich dziedzinach jak półprzewodniki, mikroelektronika, energia słoneczna, światłowody, przemysł samochodowy, lotniczy, metalurgia, obróbka, powłoki, przemysł farmaceutyczny, biomedyczny, ochrona środowiska i wiele innych.

Masz podobną aplikację?

Kontrola części obrabianych

CZĘŚCI MASZYNOWE

kontrola z modelu CAD przy użyciu profilometrii 3D

Autor:

Duanjie Li, PhD

Zmieniony przez

Jocelyn Esparza

WPROWADZENIE

Zapotrzebowanie na precyzyjną obróbkę, zdolną do tworzenia złożonych geometrii, wzrasta w wielu branżach. Począwszy od przemysłu lotniczego, medycznego i samochodowego, po przekładnie techniczne, maszyny i instrumenty muzyczne, ciągłe innowacje i ewolucja sprawiają, że oczekiwania i standardy dokładności wznoszą się na nowe wyżyny. W związku z tym widzimy wzrost zapotrzebowania na rygorystyczne techniki i instrumenty kontroli w celu zapewnienia najwyższej jakości produktów.

Znaczenie profilometrii bezdotykowej 3D dla kontroli części.

Porównanie właściwości obrabianych części z ich modelami CAD jest niezbędne do weryfikacji tolerancji i przestrzegania norm produkcyjnych. Kontrola w okresie eksploatacji jest również kluczowa, ponieważ zużycie części może wymagać ich wymiany. Identyfikacja wszelkich odstępstw od wymaganych specyfikacji w odpowiednim czasie pomoże uniknąć kosztownych napraw, wstrzymania produkcji i utraty reputacji.

W przeciwieństwie do techniki sondy dotykowej, NANOVEA Profilery optyczne wykonujemy skany powierzchni 3D przy zerowym kontakcie, pozwalając na szybkie, precyzyjne i nieniszczące pomiary skomplikowanych kształtów z najwyższą dokładnością.

CEL POMIARU

W tej aplikacji prezentujemy NANOVEA HS2000, bezdotykowy profiler 3D z szybkim czujnikiem, wykonujący kompleksową kontrolę powierzchni w zakresie wymiaru, promienia i chropowatości.

Wszystko w mniej niż 40 sekund.

NANOVEA

HS2000

MODEL CAD

Dokładny pomiar wymiaru i chropowatości powierzchni obrabianej części jest krytyczny, aby upewnić się, że spełnia ona pożądane specyfikacje, tolerancje i wykończenie powierzchni. Poniżej przedstawiono model 3D i rysunek techniczny części przeznaczonej do kontroli.

WIDOK FAŁSZYWEGO KOLORU

Widok fałszywego koloru modelu CAD i zeskanowanej powierzchni części obrabianej porównano na RYSUNKU 3. Zmianę wysokości na powierzchni próbki można zaobserwować poprzez zmianę koloru.

Ze skanu powierzchni 3D wyodrębniane są trzy profile 2D, jak pokazano na RYSUNKU 2, w celu dalszej weryfikacji tolerancji wymiarowej obrabianej części.

PORÓWNANIE PROFILI I WYNIKI

Profile 1 do 3 są pokazane na RYSUNKACH 3 do 5. Ilościowa kontrola tolerancji jest przeprowadzana poprzez porównanie zmierzonego profilu z modelem CAD, aby zachować rygorystyczne standardy produkcyjne. Profile 1 i 2 mierzą promień różnych obszarów na zakrzywionej części obrabianej. Zmiana wysokości profilu 2 wynosi 30 µm na długości 156 mm, co spełnia pożądany wymóg tolerancji ±125 µm.

Ustawiając wartość graniczną tolerancji, oprogramowanie analityczne może automatycznie określić zaliczenie lub niezaliczenie obrabianej części.

Chropowatość i jednorodność powierzchni obrabianej części odgrywa ważną rolę w zapewnieniu jej jakości i funkcjonalności. RYSUNEK 6 to wyodrębniona powierzchnia ze skanu macierzystego obrabianej części, która została wykorzystana do ilościowej oceny wykończenia powierzchni. Średnia chropowatość powierzchni (Sa) została obliczona na 2,31 µm.

PODSUMOWANIE

W tym opracowaniu pokazaliśmy, jak profiler bezdotykowy NANOVEA HS2000 wyposażony w czujnik wysokiej prędkości wykonuje kompleksową kontrolę powierzchni pod względem wymiarów i chropowatości.

Skany o wysokiej rozdzielczości umożliwiają użytkownikom pomiar szczegółowej morfologii i cech powierzchniowych obrabianych części oraz ilościowe porównanie ich z modelami CAD. Urządzenie jest również w stanie wykryć wszelkie defekty, w tym zarysowania i pęknięcia.

Zaawansowana analiza konturów służy jako niezrównane narzędzie nie tylko do określenia, czy obrabiane części spełniają zadane specyfikacje, ale także do oceny mechanizmów awarii zużytych elementów.

Przedstawione dane reprezentują tylko część obliczeń możliwych do wykonania dzięki zaawansowanemu oprogramowaniu analitycznemu, w które wyposażony jest każdy profiler optyczny NANOVEA.

Masz podobną aplikację?

Ocena zużycia przez fretting

OCENA ZUŻYCIA FRETTINGOWEGO

Autor:

Duanjie Li, PhD

Zmieniony przez

Jocelyn Esparza

WPROWADZENIE

Fretting jest "specjalnym procesem zużycia, który występuje w obszarze styku dwóch materiałów poddanych obciążeniu i podlegających niewielkim ruchom względnym w wyniku wibracji lub innej siły". Podczas pracy maszyn, w sposób nieunikniony występują drgania w połączeniach śrubowych lub kołkowych, pomiędzy komponentami, które nie są przeznaczone do poruszania się, oraz w oscylujących sprzęgłach i łożyskach. Amplituda takich względnych ruchów ślizgowych jest często rzędu mikrometrów do milimetrów. Takie powtarzające się ruchy o niskiej amplitudzie powodują poważne miejscowe zużycie mechaniczne i przenoszenie materiału na powierzchni, co może prowadzić do zmniejszenia wydajności produkcji, wydajności maszyny lub nawet jej uszkodzenia.

Znaczenie ilościowe
Ocena zużycia przez fretting

Zużycie frettingowe często wiąże się z kilkoma złożonymi mechanizmami zużycia zachodzącymi na powierzchni styku, w tym ścieraniem dwuciałowym, zużyciem adhezyjnym i/lub zużyciem frettingowym. Aby zrozumieć mechanizm zużycia frettingowego i wybrać najlepszy materiał do ochrony przed zużyciem frettingowym, konieczna jest wiarygodna i ilościowa ocena zużycia frettingowego. Na zachowanie się zużycia frettingowego istotny wpływ ma środowisko pracy, takie jak amplituda przemieszczenia, normalne obciążenie, korozja, temperatura, wilgotność i smarowanie. Wszechstronny trybometr które mogą symulować różne realistyczne warunki pracy, będą idealne do oceny zużycia frettingowego.

Steven R. Lampman, Podręcznik ASM: Volume 19: Fatigue and Fracture
http://www.machinerylubrication.com/Read/693/fretting-wear

CEL POMIARU

W tym badaniu ocenialiśmy zachowanie się próbek stali nierdzewnej SS304 w różnych prędkościach oscylacji i temperaturach, aby zaprezentować zdolność NANOVEA T50 Tribometr w symulacji procesu zużycia frettingowego metalu w sposób dobrze kontrolowany i monitorowany.

NANOVEA

T50

WARUNKI BADANIA

Odporność na zużycie ścierne próbki ze stali nierdzewnej SS304 oceniono za pomocą NANOVEA Tribometr z wykorzystaniem modułu liniowo-tłokowego zużycia. Jako materiał przeciwny zastosowano kulę z WC (średnica 6 mm). Ślad zużycia badano za pomocą NANOVEA Bezkontaktowy profiler 3D.

Test frettingu przeprowadzono w temperaturze pokojowej (RT) i 200 °C w celu zbadania wpływu wysokiej temperatury na odporność na zużycie ścierne próbki SS304. Płyta grzejna znajdująca się na stoliku z próbkami podgrzewała próbkę podczas testu odporności na ścieranie przy temperaturze 200 °C. Stopień zużycia, K, oceniono według wzoru K=V/(F×s)gdzie V jest objętością zużytą, F jest obciążeniem normalnym, a s jest odległością przesuwu.

Należy pamiętać, że kula WC jako materiał przeciwny został użyty jako przykład w tym badaniu. Każdy materiał stały o różnych kształtach i wykończeniu powierzchni może być zastosowany przy użyciu niestandardowego oprzyrządowania, aby zasymulować rzeczywistą sytuację zastosowania.

PARAMETRY BADANIA

pomiarów zużycia

WYNIKI I DYSKUSJA

Profil śladu zużycia 3D umożliwia bezpośrednie i dokładne określenie ubytku objętości śladu zużycia obliczonego przez NANOVEA Oprogramowanie do analizy gór.

W teście zużycia posuwisto-zwrotnego przy niskiej prędkości obrotowej 100 obr/min i temperaturze pokojowej wykazano niewielki ślad zużycia 0,014 mm³. Dla porównania, w teście zużycia frettingowego przeprowadzonym przy wysokiej prędkości obrotowej 1000 obr/min powstaje znacznie większy ślad zużycia o objętości 0,12 mm³. Taki przyspieszony proces zużycia może być przypisany wysokiemu ciepłu i intensywnym wibracjom generowanym podczas próby zużycia frettingowego, co sprzyja utlenianiu metalowych odłamków i powoduje silne ścieranie trzech ciał. Próba zużycia ściernego w podwyższonej temperaturze 200 °C tworzy większy ślad zużycia 0,27 mm³.

W teście zużycia frettingowego przy 1000 obr/min współczynnik zużycia wynosi 1,5×10^-4 mm³/Nm, czyli prawie dziewięciokrotnie w porównaniu do zużycia w teście zużycia przeciwsobnego przy 100 obr. Test zużycia przez fretting w podwyższonej temperaturze jeszcze bardziej przyspiesza zużycie do 3,4×10^-4 mm³/Nm. Tak znaczna różnica w odporności na zużycie mierzonej przy różnych prędkościach i temperaturach pokazuje znaczenie prawidłowych symulacji zużycia frettingowego dla realistycznych zastosowań.

Zachowanie podczas zużywania może ulec drastycznej zmianie, gdy do tribosystemu wprowadzi się niewielkie zmiany warunków badania. Wszechstronność NANOVEA Tribometr umożliwia pomiar zużycia w różnych warunkach, w tym w wysokiej temperaturze, smarowaniu, korozji i innych. Dokładna kontrola prędkości i pozycji przez zaawansowany silnik umożliwia użytkownikom wykonanie testu zużycia przy prędkościach od 0,001 do 5000 obr/min, co czyni go idealnym narzędziem dla laboratoriów badawczych/testujących do badania zużycia frettingowego w różnych warunkach tribologicznych.

Ślady zużycia frettingu w różnych warunkach

pod mikroskopem optycznym

PROFILE TRASY 3D

zapewniają większy wgląd w podstawowe zrozumienie
mechanizmu zużycia przez fretting

ZESTAWIENIE WYNIKÓW ŚLADÓW ZUŻYCIA

mierzone przy użyciu różnych parametrów badania

PODSUMOWANIE

W tym badaniu wykazaliśmy zdolność NANOVEA Tribometr w ocenie zużycia ściernego próbki ze stali nierdzewnej SS304 w sposób kontrolowany i ilościowy.

Prędkość i temperatura badania odgrywają decydującą rolę w odporności na zużycie ścierne materiałów. Wysoka temperatura i intensywne wibracje podczas próby frettingu spowodowały znaczne przyspieszenie zużycia próbki SS304 prawie dziewięciokrotnie. Podwyższona temperatura 200 °C spowodowało dalszy wzrost współczynnika zużycia do 3,4×10^-4 mm³/Nm.

Wszechstronność NANOVEA Tribometr czyni go idealnym narzędziem do pomiaru zużycia frettingowego w różnych warunkach, w tym w wysokiej temperaturze, przy smarowaniu, korozji i innych.

NANOVEA Tribometry oferują precyzyjne i powtarzalne badania zużycia i tarcia w trybach obrotowym i liniowym zgodnych z normami ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami do badań zużycia w wysokich temperaturach, smarowania i tribo-korozji dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Nasza niezrównana oferta stanowi idealne rozwiązanie do określenia pełnego zakresu właściwości trybologicznych cienkich lub grubych, miękkich lub twardych powłok, filmów i podłoży.

Masz podobną aplikację?

Łożyska kulkowe: badanie odporności na zużycie przy dużych siłach

WPROWADZENIE

Łożysko kulkowe wykorzystuje kulki do zmniejszania tarcia obrotowego i przenoszenia obciążeń promieniowych i osiowych. Kulki toczące się pomiędzy bieżniami łożyska wytwarzają znacznie niższy współczynnik tarcia (COF) w porównaniu do dwóch płaskich powierzchni ślizgających się po sobie. Łożyska kulkowe są często narażone na wysoki poziom naprężeń kontaktowych, zużycie i ekstremalne warunki środowiskowe, takie jak wysokie temperatury. Dlatego też odporność kulek na zużycie pod dużymi obciążeniami i w ekstremalnych warunkach środowiskowych ma kluczowe znaczenie dla wydłużenia żywotności łożyska kulkowego, co pozwala obniżyć koszty i czas napraw i wymian.
Łożyska kulkowe można znaleźć w prawie wszystkich zastosowaniach obejmujących części ruchome. Są powszechnie stosowane w branżach transportowych, takich jak przemysł lotniczy i samochodowy, a także w przemyśle zabawkowym, który produkuje takie przedmioty, jak fidget spinner i deskorolki.

OCENA ZUŻYCIA ŁOŻYSK KULKOWYCH PRZY DUŻYCH OBCIĄŻENIACH

Łożyska kulkowe mogą być wykonane z obszernej listy materiałów. Powszechnie stosowane materiały obejmują metale, takie jak stal nierdzewna i stal chromowa, lub ceramikę, taką jak węglik wolframu (WC) i azotek krzemu (Si3n4). Aby mieć pewność, że produkowane łożyska kulkowe posiadają wymaganą odporność na zużycie, idealną dla danych warunków zastosowania, konieczne są rzetelne oceny tribologiczne przy dużych obciążeniach. Testy trybologiczne pomagają w ilościowym określeniu i porównaniu zachowań związanych ze zużyciem różnych łożysk kulkowych w kontrolowany i monitorowany sposób, aby wybrać najlepszego kandydata do docelowego zastosowania.

CEL POMIARU

W tym badaniu prezentujemy Nanoveę Tribometr jako idealne narzędzie do porównywania odporności na zużycie różnych łożysk kulkowych przy dużych obciążeniach.

Rysunek 1: Konfiguracja testu łożyska.

PROCEDURA TESTOWA

Współczynnik tarcia, COF i odporność na zużycie łożysk kulkowych wykonanych z różnych materiałów oceniano za pomocą Tribometru Nanovea. Jako materiał przeciwległy zastosowano papier ścierny o ziarnistości P100. Ślady zużycia łożysk kulkowych zbadano za pomocą a Nanovea Bezkontaktowy Profiler 3D po zakończeniu testów zużycia. Parametry badania podsumowano w tabeli 1. Szybkość zużycia, K, oceniono według wzoru K=V/(F×s)gdzie V jest objętością zużytą, F jest obciążeniem normalnym, a s jest odległością poślizgu. Blizny spowodowane zużyciem piłki zostały ocenione przez a Nanovea Bezdotykowy profiler 3D zapewniający precyzyjny pomiar objętości zużycia.
Zautomatyzowana, zmotoryzowana funkcja pozycjonowania promieniowego umożliwia trybometrowi zmniejszenie promienia toru zużycia na czas trwania testu. Ten tryb testowy nazywany jest testem spiralnym i zapewnia, że łożysko kulkowe zawsze ślizga się po nowej powierzchni papieru ściernego (rysunek 2). Znacząco poprawia powtarzalność badania odporności na zużycie na kuli. Zaawansowany 20-bitowy enkoder do wewnętrznej kontroli prędkości i 16-bitowy enkoder do zewnętrznej kontroli położenia zapewniają precyzyjne informacje o prędkości i położeniu w czasie rzeczywistym, umożliwiając ciągłą regulację prędkości obrotowej w celu uzyskania stałej prędkości liniowego poślizgu na styku.
Należy pamiętać, że w tym badaniu zastosowano papier ścierny o ziarnistości P100, aby uprościć zachowanie się różnych materiałów kulek podczas zużycia i można go zastąpić dowolną inną powierzchnią materiału. Można zastąpić dowolny materiał stały, aby symulować działanie szerokiego zakresu złączy materiałowych w rzeczywistych warunkach zastosowania, takich jak ciecz lub smar.

Rysunek 2: Ilustracja spiralnych przejść łożyska kulkowego na papierze ściernym.

Tabela 1: Parametry testowe pomiarów zużycia.

WYNIKI I DYSKUSJA

Szybkość zużycia jest istotnym czynnikiem określającym żywotność łożyska kulkowego, natomiast niski współczynnik COF jest pożądany w celu poprawy wydajności i wydajności łożyska. Rysunek 3 porównuje ewolucję COF dla różnych łożysk kulkowych w porównaniu z papierem ściernym podczas testów. Kulka ze stali Cr wykazuje zwiększony współczynnik COF o ~0,4 podczas testu zużycia w porównaniu z ~0,32 i ~0,28 w przypadku łożysk kulkowych SS440 i Al2O3. Z drugiej strony piłka WC wykazuje stały współczynnik COF wynoszący ~0,2 w całym teście zużycia. W każdym teście można zaobserwować obserwowalne zmiany współczynnika COF, które przypisuje się wibracjom powodowanym przez ruch ślizgowy łożysk kulkowych po szorstkiej powierzchni papieru ściernego.

Rysunek 3: Zmiany COF podczas testów zużycia.

Na rysunkach 4 i 5 porównano ślady zużycia łożysk kulkowych po ich pomiarze odpowiednio za pomocą mikroskopu optycznego i bezkontaktowego profilera optycznego Nanovea, a tabela 2 podsumowuje wyniki analizy śladu zużycia. Profiler 3D Nanovea precyzyjnie określa stopień zużycia łożysk kulkowych, umożliwiając obliczenie i porównanie stopnia zużycia różnych łożysk kulkowych. Można zaobserwować, że kulki Cr Steel i SS440 wykazują po testach zużycia znacznie większe spłaszczone ślady zużycia w porównaniu do kulek ceramicznych tj. Al2O3 i WC. Kulki Cr Steel i SS440 charakteryzują się porównywalnym współczynnikiem zużycia odpowiednio 3,7×10-3 i 3,2×10-3 m3/Nm. Dla porównania kula Al2O3 wykazuje zwiększoną odporność na zużycie przy szybkości zużycia 7,2×10-4 m3/Nm. Kula WC ledwo wykazuje drobne zarysowania na płytkim obszarze zużycia, co skutkuje znacznie zmniejszonym współczynnikiem zużycia wynoszącym 3,3×10-6 mm3/Nm.

Rysunek 4: Ślady zużycia łożysk kulkowych po testach.

Rysunek 5: Morfologia 3D śladów zużycia na łożyskach kulkowych.

Tabela 2: Analiza śladów zużycia łożysk kulkowych.

Rysunek 6 przedstawia obrazy mikroskopowe śladów zużycia wytwarzanych na papierze ściernym przez cztery łożyska kulkowe. Jest oczywiste, że kula WC wykazywała najcięższy ślad zużycia (usuwając prawie wszystkie cząsteczki piasku na swojej drodze) i posiada najlepszą odporność na zużycie. Dla porównania, kulki ze stali Cr i SS440 pozostawiły dużą ilość metalowych resztek na ścieżce zużycia papieru ściernego.
Obserwacje te dodatkowo pokazują znaczenie korzyści płynących z testu spiralnego. Dzięki temu łożysko kulkowe zawsze ślizga się po nowej powierzchni papieru ściernego, co znacznie poprawia powtarzalność badania odporności na zużycie.

Rysunek 6: Ślady zużycia papieru ściernego na różnych łożyskach kulkowych.

PODSUMOWANIE

Odporność łożysk kulkowych na zużycie pod wysokim ciśnieniem odgrywa kluczową rolę w ich działaniu. Ceramiczne łożyska kulkowe charakteryzują się znacznie zwiększoną odpornością na zużycie w warunkach dużych naprężeń oraz redukują czas i koszty związane z naprawą lub wymianą łożysk. W tym badaniu łożysko kulkowe WC wykazuje znacznie wyższą odporność na zużycie w porównaniu z łożyskami stalowymi, co czyni je idealnym kandydatem do zastosowań łożyskowych, w których występuje duże zużycie.
Trybometr Nanovea został zaprojektowany z myślą o wysokim momencie obrotowym dla obciążeń do 2000 N oraz precyzyjnym i kontrolowanym silniku dla prędkości obrotowych od 0,01 do 15 000 obr./min. Oferuje powtarzalne badania zużycia i tarcia przy użyciu trybów obrotowych i liniowych zgodnych z ISO i ASTM, z opcjonalnymi modułami zużycia i smarowania w wysokiej temperaturze dostępnymi w jednym, wstępnie zintegrowanym systemie. Ten niezrównany zakres pozwala użytkownikom symulować różne, trudne środowiska pracy łożysk kulkowych, w tym wysokie naprężenia, zużycie i wysoką temperaturę itp. Działa również jako idealne narzędzie do ilościowej oceny zachowań tribologicznych materiałów o doskonałej odporności na zużycie pod dużymi obciążeniami.
Bezkontaktowy profiler 3D Nanovea zapewnia precyzyjne pomiary objętości zużycia i działa jako narzędzie do analizy szczegółowej morfologii śladów zużycia, zapewniając dodatkowy wgląd w podstawowe zrozumienie mechanizmów zużycia.

Przygotowane przez
Duanjie Li, dr Jonathan Thomas i Pierre Leroux

Strona 1 z 212

Produkty

Profilometry

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

Systemy podciśnieniowe

Tribometry

T50 - Free Weight Benchtop

T200 - Pneumatic Compact

T2000 - Pneumatic High Load

T2000 MAX - High Torque Friction Tester

CR-8R - Ball Cratering Coating Thickness

Systemy podciśnieniowe

Usługi laboratoryjne

Analiza profilometrii bezkontaktowej

Próba wgniecenia i zarysowania

Badanie tarcia i zużycia

Topologia powierzchni i analiza chemiczna

Rozwiązania w zakresie badań

Profilometria

Szorstkość i wykończenie

Geometria i kształt

Płaskość i wypaczenia

Objętość i powierzchnia

Wysokość i grubość stopnia

Tekstura i ziarno

Badania mechaniczne

Wgłębianie | Twardość i sprężystość

Wgłębianie | Stress vs Strain

Wcięcie | Pełzanie i odprężenie

Wgniecenie | Utrata i przechowywanie

Wytrzymałość na wgniatanie | Wytrzymałość na złamanie

Wgniecenie | Granica plastyczności i zmęczenie

Wysoka temperatura

Wilgotność

Próżnia

Zarysowanie | Awaria kleju

Zarysowanie | Uszkodzenie spoiwa

Scratch | Scratch Hardness

Zarysowania | Zużycie wieloprzebiegowe

Tarcie | Współczynnik tarcia

Niska temperatura

Płyn

Badania tribologiczne

Linear

Rotacyjne

Blok na pierścieniu

Pierścień na pierścieniu

Test na zarysowania

Test tarcia hamulców

Wysoka temperatura

Niska temperatura

Korozja

Płyn

Wilgotność i gazy obojętne

Próżnia

Aplikacje

Przez przemysł

Bio & Biotechnologia

Materiały budowlane

Produkty konsumenckie

Urządzenia medyczne

Produkcja i obróbka metali

Ropa naftowa i kopalnie

Optyka

Farby i powłoki

Farmaceutyczny

Półprzewodniki i elektronika

Tekstylia, skóra i papier

Oprzyrządowanie i maszyny

Transport naziemny

Kosmos i lotnictwo

Wojsko i obrona