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Rendimento e resistência à tração do aço e do alumínio
Importância da Resistência ao Rendimento e da Medição da Resistência à Tração Final usando a Indentação
Tradicionalmente, a Resistência ao Rendimento e a Resistência à Tração Final têm sido testadas usando uma grande máquina de teste de tração que requer uma enorme resistência para separar amostras de teste. É caro e demorado usinar adequadamente muitos cupons de teste para um material onde cada amostra só pode ser testada uma vez. Pequenos defeitos na amostra criam uma variação perceptível nos resultados de teste. Configurações e alinhamentos diferentes dos testadores de tração no mercado muitas vezes resultam em variações substanciais na mecânica e nos resultados dos testes.
O inovador método de indentação da Nanovea fornece diretamente valores de Resistência ao Rendimento e Resistência à Tensão Final comparáveis aos valores medidos por testes de tração convencionais. Esta medição abre um novo reino de possibilidades de testes para todas as indústrias. A configuração experimental simples reduz significativamente o tempo e o custo de preparação da amostra em comparação com a forma complexa do cupom necessário para os testes de tração. São possíveis medições múltiplas em uma única amostra com um pequeno tamanho de indentação. Evita a influência de defeitos observados em cupons de teste de tração criados durante a usinagem da amostra. As medições YS e UTS em pequenas amostras em área localizada permitem o mapeamento e detecção local de defeitos em tubulações ou estruturas automotivas.
Objetivo da medição
Nesta aplicação, a Nanovea Testador Mecânico mede a resistência ao escoamento e a resistência à tração final de amostras de liga metálica de aço inoxidável SS304 e alumínio Al6061. As amostras foram escolhidas por seus valores comumente reconhecidos de resistência ao escoamento e resistência à tração final, mostrando a confiabilidade dos métodos de indentação da Nanovea.
Procedimento e procedimentos de teste
Os testes de resistência ao escoamento e resistência à tração final foram realizados no Nanovea Mechanical Tester na Microindentação modo. Uma ponta de diamante cilíndrica e plana de 200 μm de diâmetro foi usada para essa aplicação. As ligas SS304 e Al6061 foram selecionadas por sua ampla aplicação industrial e pelos valores comumente reconhecidos de resistência ao escoamento e resistência à tração final, a fim de mostrar o grande potencial e a confiabilidade do método de indentação. As amostras foram polidas mecanicamente até um acabamento espelhado antes do teste para evitar a influência da rugosidade da superfície ou de defeitos nos resultados do teste. As condições de teste estão listadas na Tabela 1. Mais de dez testes foram realizados em cada amostra para garantir a repetibilidade dos valores de teste.
Resultados e Discussão
As curvas de carga-deslocamento das amostras de liga SS304 e Al6061 são mostradas na Figura 3 com as marcas de indentação plana no interior das amostras de teste. A análise da curva de carga em forma de "S", utilizando algoritmos especiais desenvolvidos pela Nanovea, calcula a Resistência ao Rendimento e a Resistência à Tensão Final. Os valores são calculados automaticamente pelo software, conforme resumido na Tabela 1. Os valores da Resistência ao Rendimento e da Resistência à Tensão Final obtidos por testes de tração convencionais são listados para comparação.
Conclusão
Neste estudo, demonstramos a capacidade do Nanovea Mechanical Tester em avaliar a resistência ao escoamento e a resistência à tração final de amostras de chapas de aço inoxidável e liga de alumínio. A configuração experimental simples reduz significativamente o tempo e o custo de preparação de amostras necessárias para testes de tração. O pequeno tamanho do recuo torna possível realizar múltiplas medições em uma única amostra. Este método permite medições YS/UTS em pequenas amostras e áreas localizadas, fornecendo uma solução para mapeamento YS/UTS e detecção de defeitos locais de dutos ou estrutura automática.
Todos os módulos Nano, Micro ou Macro do Testador Mecânico Nanovea incluem modos de teste de indentação, desgaste e desgaste em conformidade com ISO e ASTM, fornecendo a gama de testes mais ampla e fácil de usar disponível em um único sistema. A linha incomparável da Nanovea é uma solução ideal para determinar toda a gama de propriedades mecânicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou espessos, macios ou duros, incluindo dureza, módulo de Young, tenacidade à fratura, adesão, resistência ao desgaste e muitos outros. Além disso, o perfilador 3D sem contato opcional e o módulo AFM estão disponíveis para imagens 3D de alta resolução de indentação, arranhões e marcas de desgaste, além de outras medições de superfície, como rugosidade.
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Tribologia de carga dinâmica
Tribologia de carga dinâmica
Introdução
O desgaste ocorre em praticamente todos os setores industriais e impõe custos de ~0,75% do PIB1. A pesquisa em tribologia é vital para melhorar a eficiência da produção, o desempenho da aplicação, assim como a conservação do material, da energia e do meio ambiente. Vibração e oscilação ocorrem inevitavelmente em uma ampla gama de aplicações tribológicas. A vibração externa excessiva acelera o processo de desgaste e reduz o desempenho de serviço, o que leva a falhas catastróficas nas peças mecânicas.
Os tribômetros convencionais de carga morta aplicam cargas normais por pesos de massa. Tal técnica de carga não apenas limita as opções de carga a uma carga constante, mas também cria intensas vibrações não controladas a altas cargas e velocidades, levando a avaliações de comportamento de desgaste limitadas e inconsistentes. Uma avaliação confiável do efeito da oscilação controlada no comportamento de desgaste dos materiais é desejável para P&D e CQ em diferentes aplicações industriais.
Alta carga inovadora da Nanovea tribômetro tem capacidade de carga máxima de 2.000 N com sistema de controle de carga dinâmico. O avançado sistema pneumático de carregamento de ar comprimido permite aos usuários avaliar o comportamento tribológico de um material sob altas cargas normais com a vantagem de amortecer vibrações indesejadas criadas durante o processo de desgaste. Portanto, a carga é medida diretamente, sem necessidade de molas amortecedoras usadas em projetos mais antigos. Um módulo de carregamento oscilante eletroímã paralelo aplica oscilação bem controlada de amplitude desejada de até 20 N e frequência de até 150 Hz.
O atrito é medido com alta precisão diretamente pela força lateral aplicada ao suporte superior. O deslocamento é monitorado in situ, fornecendo informações sobre a evolução do comportamento de desgaste das amostras de teste. O teste de desgaste sob carga oscilatória controlada também pode ser realizado em ambientes de corrosão, alta temperatura, umidade e lubrificação para simular as condições reais de trabalho para as aplicações tribológicas. Uma alta velocidade integrada perfilômetro sem contato mede automaticamente a morfologia da trilha de desgaste e o volume de desgaste em poucos segundos.
Objetivo da medição
Neste estudo, mostramos a capacidade do Tribômetro de Carga Dinâmica Nanovea T2000 em estudar o comportamento tribológico de diferentes revestimentos e amostras de metal sob condições de carga com oscilação controlada.
Procedimento de teste
O comportamento tribológico, por exemplo, coeficiente de atrito, COF e resistência ao desgaste de um revestimento resistente ao desgaste de 300 µm de espessura foi avaliado e comparado pelo Tribômetro Nanovea T2000 com um tribômetro convencional de carga morta usando um pino na configuração de disco seguindo a ASTM G992.
Amostras separadas revestidas com Cu e TiN contra uma bola de Al₂0₃ de 6 mm sob oscilação controlada foram avaliadas pelo Modo Tribologia de Carga Dinâmica do Tribômetro Nanovea T2000.
Os parâmetros de teste estão resumidos na Tabela 1.
O profilômetro 3D integrado equipado com um sensor de linha varre automaticamente a pista de desgaste após os testes, proporcionando a medição mais precisa do volume de desgaste em segundos.
Resultados e Discussão
Sistema de carga pneumática vs. Sistema de carga morta
O comportamento tribológico de um revestimento resistente ao desgaste usando Nanovea T2000 Tribometer é comparado a um tribômetro convencional de carga morta (DL). A evolução do COF do revestimento é mostrada na Fig. 2. Observamos que o revestimento exibe um valor de COF comparável de ~0,6 durante o teste de desgaste. Entretanto, os 20 perfis de seção transversal em diferentes locais da pista de desgaste na Fig. 3 indicam que o revestimento sofreu um desgaste muito mais severo sob o sistema de carga morta.
Vibrações intensas foram geradas pelo processo de desgaste do sistema de carga morta em alta carga e velocidade. A enorme pressão concentrada na face de contato combinada com uma alta velocidade de deslizamento cria um peso substancial e uma vibração na estrutura que leva a um desgaste acelerado. O tribômetro convencional de carga morta aplica carga usando pesos de massa. Este método é confiável em cargas de contato mais baixas sob condições de desgaste suave; entretanto, sob condições de desgaste agressivo em cargas e velocidades maiores, a vibração significativa faz com que os pesos saltem repetidamente, resultando em uma pista de desgaste desigual causando uma avaliação tribológica não confiável. A taxa de desgaste calculada é de 8,0±2,4 x 10-4 mm3/N m, mostrando uma alta taxa de desgaste e grande desvio padrão.
O tribômetro Nanovea T2000 é projetado com um sistema de carga de controle dinâmico para amortecer as oscilações. Ele aplica a carga normal com ar comprimido que minimiza a vibração indesejada criada durante o processo de desgaste. Além disso, o controle ativo de carga em loop fechado garante que uma carga constante seja aplicada durante todo o teste de desgaste e a ponta segue a mudança de profundidade da pista de desgaste. Um perfil de pista de desgaste significativamente mais consistente é medido como mostrado na Fig. 3a, resultando em uma baixa taxa de desgaste de 3,4±0,5 x 10-4 mm3/N m.
A análise da pista de desgaste mostrada na Fig. 4 confirma o teste de desgaste realizado pelo sistema de carga pneumática de ar comprimido do Nanovea T2000 Tribometer cria uma pista de desgaste mais suave e mais consistente em comparação com o tribômetro convencional de carga morta. Além disso, o tribômetro Nanovea T2000 mede o deslocamento da ponta durante o processo de desgaste, fornecendo uma visão mais detalhada do progresso do comportamento do desgaste in situ.
Oscilação controlada sobre o desgaste da amostra de Cu
O módulo eletroímã de carga oscilante paralelo do Nanovea T2000 Tribômetro permite aos usuários investigar o efeito das oscilações de amplitude e freqüência controladas sobre o comportamento de desgaste dos materiais. O COF das amostras do Cu é registrado in situ, como mostrado na Fig. 6. A amostra Cu exibe um COF constante de ~0,3 durante a primeira medição de 330 voltas, significando a formação de um contato estável na interface e uma pista de desgaste relativamente suave. Enquanto o teste de desgaste continua, a variação do COF indica uma mudança no mecanismo de desgaste. Em comparação, os testes de desgaste sob uma oscilação controlada em amplitude de 5 N a 50 N apresentam um comportamento de desgaste diferente: o COF aumenta prontamente no início do processo de desgaste, e mostra uma variação significativa ao longo do teste de desgaste. Tal comportamento do COF indica que a oscilação imposta na carga normal desempenha um papel no estado de deslizamento instável no contato.
A Fig. 7 compara a morfologia da via de desgaste medida pelo profilômetro óptico integrado sem contato. Pode-se observar que a amostra Cu sob uma amplitude de oscilação controlada de 5 N exibe uma pista de desgaste muito maior com um volume de 1,35 x 109 µm3, em comparação com 5,03 x 108 µm3 sob nenhuma oscilação imposta. A oscilação controlada acelera significativamente a taxa de desgaste por um fator de ~2,7, mostrando o efeito crítico da oscilação sobre o comportamento de desgaste.
Oscilação Controlada no Desgaste do Revestimento TiN
As faixas de COF e de desgaste da amostra de revestimento TiN são mostradas na Fig. 8. O revestimento de TiN apresenta comportamentos de desgaste significativamente diferentes sob oscilação, conforme indicado pela evolução do COF durante os testes. O revestimento de TiN mostra um COF constante de ~0,3 após o período de rodagem no início do teste de desgaste, devido ao contato deslizante estável na interface entre o revestimento de TiN e a esfera Al₂O₃. Entretanto, quando o revestimento de TiN começa a falhar, a esfera Al₂O₃ penetra através do revestimento e desliza contra o substrato de aço fresco embaixo. Uma quantidade significativa de resíduos de revestimento TiN duro é gerada na pista de desgaste ao mesmo tempo, transformando um desgaste estável de deslizamento de dois corpos em desgaste por abrasão de três corpos. Tal mudança das características do par de materiais leva ao aumento das variações na evolução do COF. A oscilação imposta de 5 N e 10 N acelera a falha do revestimento de TiN de ~400 rotações para menos de 100 rotações. Os maiores rastros de desgaste nas amostras de revestimento TiN após os testes de desgaste sob a oscilação controlada estão de acordo com tal mudança no COF.
Conclusão
O avançado sistema de carga pneumática do Nanovea T2000 Tribômetro possui uma vantagem intrínseca como um amortecedor de vibrações naturalmente rápido em comparação com os sistemas tradicionais de carga morta. Esta vantagem tecnológica dos sistemas pneumáticos é verdadeira em comparação com os sistemas controlados por carga que utilizam uma combinação de servomotores e molas para aplicar a carga. A tecnologia garante uma avaliação de desgaste confiável e melhor controlada em cargas elevadas, como demonstrado neste estudo. Além disso, o sistema ativo de carga em circuito fechado pode alterar a carga normal para um valor desejado durante testes de desgaste para simular aplicações da vida real vistas em sistemas de freio.
Em vez de ter influência das condições de vibração descontrolada durante os testes, mostramos o Nanovea T2000 Dynamic-Load Tribometer que permite aos usuários avaliar quantitativamente os comportamentos tribológicos dos materiais sob diferentes condições de oscilação controlada. As vibrações têm um papel significativo no comportamento de desgaste das amostras de metal e revestimento cerâmico.
O módulo de carga oscilante de eletroímã paralelo fornece oscilações controladas com precisão em amplitudes e frequências definidas, permitindo aos usuários simular o processo de desgaste sob condições reais quando as vibrações ambientais são freqüentemente um fator importante. Na presença de oscilações impostas durante o desgaste, tanto o Cu quanto as amostras de revestimento TiN exibem uma taxa de desgaste substancialmente maior. A evolução do coeficiente de atrito e do deslocamento da ponta medida in situ são indicadores importantes para o desempenho do material durante as aplicações tribológicas. O profilômetro 3D integrado sem contato oferece uma ferramenta para medir com precisão o volume de desgaste e analisar a morfologia detalhada das faixas de desgaste em segundos, fornecendo mais informações sobre o entendimento fundamental do mecanismo de desgaste.
O T2000 é equipado com um motor auto-ajustável, de alta qualidade e alto torque com uma velocidade interna de 20 bits e um codificador de posição externa de 16 bits. Ele permite que o tribômetro forneça uma faixa inigualável de velocidades de rotação de 0,01 a 5000 rpm que podem mudar em saltos escalonados ou em taxas contínuas. Ao contrário dos sistemas que utilizam um sensor de torque localizado em baixo, o Tribômetro Nanovea utiliza uma célula de carga de alta precisão localizada em cima para medir com precisão e separadamente as forças de atrito.
Os Tribômetros Nanovea oferecem testes de desgaste e atrito precisos e repetíveis usando os modos rotativo e linear compatíveis com ISO e ASTM (incluindo testes de 4 esferas, arruela de pressão e bloco sobre anel), com módulos opcionais de desgaste em alta temperatura, lubrificação e tribo-corrosão disponíveis em um sistema pré-integrado. A gama inigualável do Nanovea T2000 é uma solução ideal para determinar a gama completa de propriedades tribológicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou grossos, macios ou duros.
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Análise de textura de casca de laranja para pintura usando Perfilometria 3D
Análise de textura de casca de laranja para pintura usando Perfilometria 3D
Introdução
O tamanho e a frequência das estruturas de superfície sobre os substratos afetam a qualidade dos revestimentos brilhantes. A textura de casca de laranja da tinta, nomeada por sua aparência, pode se desenvolver a partir da influência do substrato e da técnica de aplicação da tinta. Os problemas de textura são geralmente quantificados pela ondulação, comprimento de onda e o efeito visual que eles têm sobre os revestimentos brilhantes. As menores texturas resultam na redução do brilho enquanto as maiores resultam em ondulações visíveis na superfície revestida. A compreensão do desenvolvimento dessas texturas e sua relação com substratos e técnicas é fundamental para o controle de qualidade.
Importância da Perfilometria para Medição de Textura
Diferentemente dos instrumentos 2D tradicionais usados para medir a textura do brilho, a medição 3D sem contato fornece rapidamente uma imagem 3D usada para entender as características da superfície com a capacidade adicional de investigar rapidamente as áreas de interesse. Sem a velocidade e a análise em 3D, um ambiente de controle de qualidade dependeria apenas de informações em 2D que oferecem pouca previsibilidade de toda a superfície. A compreensão das texturas em 3D permite a melhor seleção de medidas de processamento e controle. A garantia do controle de qualidade de tais parâmetros depende muito de uma inspeção quantificável, reproduzível e confiável. Nanovea 3D sem contato Perfilômetros utilizam a tecnologia confocal cromática para ter a capacidade exclusiva de medir os ângulos acentuados encontrados durante a medição rápida. Os Profilômetros Nanovea são bem-sucedidos onde outras técnicas não conseguem fornecer dados confiáveis devido ao contato da sonda, à variação da superfície, ao ângulo ou à refletividade.
Objetivo da medição
Nesta aplicação, a Nanovea HS2000L mede a textura de casca de laranja de uma tinta brilhante. Há infinitos parâmetros de superfície calculados automaticamente a partir da varredura da superfície 3D. Aqui analisamos uma superfície 3D escaneada quantificando as características da textura de casca de laranja da tinta.
Resultados e Discussão
O Nanovea HS2000L quantificou os parâmetros de isotropia e altura da tinta de casca de laranja. A textura de casca de laranja quantificou a direção do padrão aleatório com a isotropia 94,4%. Os parâmetros de altura quantificam a textura com uma diferença de altura de 24,84µm.
A curva da relação de rolamento na Figura 4 é uma representação gráfica da distribuição de profundidade. Esta é uma característica interativa dentro do software que permite ao usuário visualizar as distribuições e porcentagens em profundidades variáveis. Um perfil extraído na Figura 5 fornece valores úteis de rugosidade para a textura de casca de laranja. A extração de pico acima de um limiar de 144 mícrons mostra a textura de casca de laranja. Estes parâmetros são facilmente ajustados a outras áreas ou parâmetros de interesse.
Conclusão
Nesta aplicação, o Perfilômetro Nanovea HS2000L 3D Sem-Contato caracteriza com precisão tanto a topografia quanto os detalhes nanométricos da textura da casca de laranja da tinta em um revestimento brilhante. As áreas de interesse das medidas de superfície 3D são rapidamente identificadas e analisadas com muitas medidas úteis (Dimensão, Textura de acabamento rugoso, Topografia de forma, Planaridade de deformação plana, Área de volume, Passo-Altura, etc.). As seções transversais 2D escolhidas rapidamente fornecem um conjunto completo de recursos de medição de superfície sobre a textura de brilho. Áreas especiais de interesse podem ser analisadas posteriormente com um módulo AFM integrado. A velocidade do Perfilômetro Nanovea 3D varia de <1 mm/s a 500 mm/s para adequação em aplicações de pesquisa para as necessidades de inspeção de alta velocidade. Os Perfilômetros Nanovea 3D têm uma ampla gama de configurações para se adequar à sua aplicação.
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Efeito da Umidade na Tribologia de Revestimento DLC
Importância da Avaliação de Desgaste em DLC em Umidade
Os revestimentos de carbono tipo diamante (DLC) possuem propriedades tribológicas aprimoradas, nomeadamente excelente resistência ao desgaste e um coeficiente de atrito (COF) muito baixo. Os revestimentos DLC conferem características de diamante quando depositados em diferentes materiais. Propriedades tribomecânicas favoráveis tornam os revestimentos DLC preferíveis em diversas aplicações industriais, como peças aeroespaciais, lâminas de barbear, ferramentas de corte de metal, rolamentos, motores de motocicletas e implantes médicos.
Os revestimentos DLC apresentam COF muito baixo (abaixo de 0,1) contra esferas de aço sob alto vácuo e condições secas12. Entretanto, os revestimentos DLC são sensíveis a mudanças nas condições ambientais, particularmente a umidade relativa do ar (RH)3. Ambientes com alta concentração de umidade e oxigênio podem levar a um aumento significativo da concentração de COF4. A avaliação confiável do desgaste em umidade controlada simula condições ambientais realistas de revestimentos DLC para aplicações tribológicas. Os usuários selecionam os melhores revestimentos DLC para aplicações específicas com comparação adequada
dos comportamentos de desgaste do DLC expostos a diferentes umidades.
Objetivo da medição
Este estudo apresenta o Nanovea Tribômetro equipado com um controlador de umidade é a ferramenta ideal para investigar o comportamento de desgaste de revestimentos DLC em diversas umidades relativas.
Procedimento de teste
A resistência ao atrito e ao desgaste dos revestimentos DLC foram avaliadas pelo Tribômetro Nanovea. Os parâmetros de teste estão resumidos na Tabela 1. Um controlador de umidade conectado à tribocâmara controlou com precisão a umidade relativa (UR) com uma precisão de ±1%. Marcas de desgaste em revestimentos DLC e cicatrizes de desgaste em esferas de SiN foram examinadas usando um microscópio óptico após os testes.
Nota: Qualquer material de esfera sólida pode ser aplicado para simular o desempenho de diferentes materiais de acoplamento sob condições ambientais, como lubrificante ou alta temperatura.
Resultados e Discussão
Os revestimentos DLC são ótimos para aplicações tribológicas devido a seu baixo atrito e resistência superior ao desgaste. O atrito do revestimento DLC apresenta comportamento dependente da umidade mostrada na Figura 2. O revestimento DLC apresenta um COF muito baixo de ~0,05 durante todo o teste de desgaste em condições relativamente secas (10% RH). O revestimento DLC apresenta um COF constante de ~0,1 durante o teste, pois o RH aumenta para 30%. O estágio inicial de rodagem do COF é observado nas primeiras 2000 revoluções quando o RH sobe acima de 50%. O revestimento DLC mostra um COF máximo de ~0,20, ~0,26 e ~0,33 em RH de 50, 70 e 90%, respectivamente. Após o período de rodagem, o COF do revestimento DLC permanece constante em ~0,11, 0,13 e 0,20 em RH de 50, 70 e 90%, respectivamente.
A Figura 3 compara as cicatrizes de desgaste da bola SiN e a Figura 4 compara as pistas de desgaste do revestimento DLC após os testes de desgaste. O diâmetro da cicatriz de desgaste era menor quando o revestimento DLC foi exposto a um ambiente com baixa umidade. A camada de DLC de transferência se acumula na superfície da esfera SiN durante o processo de deslizamento repetitivo na superfície de contato. Nesta fase, o revestimento DLC desliza contra sua própria camada de transferência que atua como um lubrificante eficiente para facilitar o movimento relativo e conter a perda de massa adicional causada pela deformação por cisalhamento. Uma película de transferência é observada na cicatriz de desgaste da esfera SiN em ambientes de baixo RH (por exemplo, 10% e 30%), resultando em um processo de desgaste desacelerado da esfera. Este processo de desgaste reflete na morfologia da pista de desgaste do revestimento DLC, como mostrado na Figura 4. O revestimento DLC apresenta uma pista de desgaste menor em ambientes secos, devido à formação de uma película de transferência de DLC estável na interface de contato que reduz significativamente o atrito e a taxa de desgaste.
Conclusão
A umidade desempenha um papel vital no desempenho tribológico dos revestimentos DLC. O revestimento DLC possui resistência ao desgaste significativamente melhorada e baixo atrito superior em condições secas devido à formação de uma camada grafítica estável transferida para a contraparte deslizante (uma bola de SiN neste estudo). O revestimento DLC desliza contra sua própria camada de transferência, que atua como um lubrificante eficiente para facilitar o movimento relativo e restringir ainda mais a perda de massa causada pela deformação por cisalhamento. Não é observado um filme na esfera de SiN com o aumento da umidade relativa, levando a um aumento da taxa de desgaste na esfera de SiN e no revestimento DLC.
O Tribômetro Nanovea oferece testes repetíveis de desgaste e fricção usando modos rotativos e lineares em conformidade com ISO e ASTM, com módulos de umidade opcionais disponíveis em um sistema pré-integrado. Ele permite aos usuários simular o ambiente de trabalho com diferentes umidades, fornecendo aos usuários uma ferramenta ideal para avaliar quantitativamente o comportamento tribológico dos materiais sob diferentes condições de trabalho.
Saiba mais sobre o Nanovea Tribômetro e Serviço de Laboratório
1 C. Donnet, Surf. Coat. Technol. 100–101 (1998) 180.
2 K. Miyoshi, B. Pohlchuck, K.W. Street, J.S. Zabinski, J.H. Sanders, A.A. Voevodin, R.L.C. Wu, Wear 225-229 (1999) 65.
3 R. Gilmore, R. Hauert, Surf. Coat. Technol. 133–134 (2000) 437.
4 R. Memming, H.J. Tolle, P.E. Wierenga, Thin Solid Coatings 143 (1986) 31
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Análise de superfície 3D de um centavo com Perfilometria sem contato
Importância da Profilometria Sem Contato para Moedas
A moeda é altamente valorizada na sociedade moderna porque é trocada por bens e serviços. Moedas e notas de papel circulam nas mãos de muitas pessoas. A transferência constante de moeda física cria deformação superficial. 3D da Nanovea Profilômetro varre a topografia de moedas cunhadas em anos diferentes para investigar diferenças de superfície.
As características das moedas são facilmente reconhecíveis pelo público em geral, uma vez que são objetos comuns. Um centavo é ideal para apresentar a força do software avançado de análise de superfície da Nanovea: Mountains 3D. Os dados de superfície coletados com nosso perfilômetro 3D permitem análises de alto nível em geometria complexa com subtração de superfície e extração de contorno 2D. A subtração de superfície com máscara, carimbo ou molde controlado compara a qualidade dos processos de fabricação, enquanto a extração de contorno identifica tolerâncias com análise dimensional. O software 3D Profilometer e Mountains 3D da Nanovea investiga a topografia submicrométrica de objetos aparentemente simples, como moedas de um centavo.
Objetivo da medição
A superfície superior completa de cinco centavos foi escaneada usando o sensor de linha de alta velocidade da Nanovea. O raio interno e externo de cada centavo foi medido usando o Software de Análise Avançada Mountains. Uma extração de cada centavo de superfície em uma área de interesse com subtração direta da superfície quantificou a deformação da superfície.
Resultados e Discussão
Superfície 3D
O profilômetro Nanovea HS2000 levou apenas 24 segundos para digitalizar 4 milhões de pontos em uma área de 20mm x 20mm com um passo de 10um x 10um para adquirir a superfície de um centavo. Abaixo está um mapa de altura e uma visualização 3D da varredura. A visualização 3D mostra a capacidade do sensor de alta velocidade de captar pequenos detalhes impenetráveis ao olho. Muitos pequenos arranhões são visíveis em toda a superfície do centavo. Textura e rugosidade da moeda vista na visualização 3D são investigadas.
Análise Dimensional
Os contornos do centavo foram extraídos e a análise dimensional obteve diâmetros internos e externos da característica da borda. O raio externo foi em média 9.500 mm ± 0.024 enquanto o raio interno foi em média 8.960 mm ± 0.032. Análises dimensionais adicionais As montanhas 3D podem fazer em fontes de dados 2D e 3D são medições de distância, altura dos degraus, planaridade e cálculos de ângulo.
Subtração de superfície
A Figura 5 mostra a área de interesse para a análise da subtração de superfície. O centavo de 2007 foi usado como superfície de referência para os quatro centavos mais antigos. A subtração de superfície da superfície de 2007 mostra diferenças entre centavos com furos/picos. A diferença de volume total da superfície é obtida pela adição de volumes dos furos/picos. O erro RMS refere-se ao quão próximas as superfícies de centavos estão umas das outras.
Conclusão
O HS2000L de Alta Velocidade da Nanovea digitalizou cinco centavos cunhados em anos diferentes. O software Mountains 3D comparou as superfícies de cada moeda usando extração de contorno, análise dimensional e subtração de superfície. A análise define claramente o raio interno e externo entre os centavos enquanto compara diretamente as diferenças de características da superfície. Com a capacidade do profilômetro 3D da Nanovea de medir qualquer superfície com resolução em nível nanométrico, combinada com a capacidade de análise 3D das Montanhas, as possíveis aplicações de Pesquisa e Controle de Qualidade são infinitas.
AGORA, VAMOS FALAR SOBRE SUA APLICAÇÃO
Acabamento Dimensional e de Superfície de Tubos Poliméricos
Importância da Análise Dimensional e de Superfície de Tubos Poliméricos
Tubos feitos de material polimérico são comumente usados em muitas indústrias, desde automotiva, médica, elétrica e muitas outras categorias. Neste estudo foram estudados cateteres médicos confeccionados com diferentes materiais poliméricos utilizando o Nanovea Perfilômetro 3D sem contato para medir a rugosidade da superfície, a morfologia e as dimensões. A rugosidade superficial é crucial para os cateteres, pois muitos problemas com cateteres, incluindo infecção, trauma físico e inflamação, podem ser ligados à superfície do cateter. As propriedades mecânicas, como o coeficiente de atrito, também podem ser estudadas observando-se as propriedades da superfície. Estes dados quantificáveis podem ser obtidos para garantir que o cateter possa ser utilizado para aplicações médicas.
Em comparação com a microscopia óptica e a microscopia eletrônica, a Profilometria 3D sem contato utilizando cromatografia axial é altamente preferível para caracterizar superfícies de cateteres devido a sua capacidade de medir ângulos/curvatura, capacidade de medir superfícies de materiais apesar da transparência ou refletividade, preparação mínima da amostra e natureza não invasiva. Ao contrário da microscopia óptica convencional, a altura da superfície pode ser obtida e utilizada para análise computacional; por exemplo, encontrar dimensões e remover forma para encontrar rugosidade da superfície. Ter pouco preparo de amostra, em contraste com a microscopia eletrônica, e a natureza sem contato também permite uma rápida coleta de dados sem temer contaminação e erro no preparo da amostra.
Objetivo da medição
Nesta aplicação, o Nanovea 3D Non-Contact Profilometer é utilizado para escanear a superfície de dois cateteres: um feito de TPE (Elastômero Termoplástico) e o outro de PVC (Cloreto de Polivinila). A morfologia, dimensão radial e parâmetros de altura dos dois cateteres serão obtidos e comparados.
Resultados e Discussão
Superfície 3D
Apesar da curvatura dos tubos poliméricos, o Nanovea 3D Non-contact profilometer pode escanear a superfície dos cateteres. A partir do escaneamento feito, uma imagem 3D pode ser obtida para uma inspeção visual rápida e direta da superfície.
Análise Dimensional 2D
A dimensão radial externa foi obtida extraindo um perfil da varredura original e ajustando um arco ao perfil. Isto mostra a capacidade do profilômetro 3D sem contato na realização de análise dimensional rápida para aplicações de controle de qualidade. Também podem ser obtidos facilmente perfis múltiplos ao longo do comprimento do cateter.
Análise de Superfície Rugosidade
A dimensão radial externa foi obtida extraindo um perfil da varredura original e ajustando um arco ao perfil. Isto mostra a capacidade do profilômetro 3D sem contato na realização de análise dimensional rápida para aplicações de controle de qualidade. Também podem ser obtidos facilmente perfis múltiplos ao longo do comprimento do cateter.
Conclusão
Nesta aplicação, mostramos como o Nanovea 3D Non-contact profilometer pode ser usado para caracterizar os tubos poliméricos. Especificamente, foram obtidas metrologia de superfície, dimensões radiais e rugosidade de superfície para cateteres médicos. O raio externo do cateter TPE foi encontrado em 2,40mm enquanto o cateter de PVC era de 1,27mm. A superfície do cateter de TPE foi considerada mais áspera do que a do cateter de PVC. O Sa de TPE era de 0,9740µm comparado com 0,1791µm de PVC. Enquanto cateteres médicos foram usados para esta aplicação, a Profilometria 3D sem contato também pode ser aplicada em uma grande variedade de superfícies. Os dados e cálculos obtidos não estão limitados ao que é mostrado.
AGORA, VAMOS FALAR SOBRE SUA APLICAÇÃO
Avaliação da dureza dos dentes utilizando a nanoindentação
Importância da nanoindentação para materiais biológicos
Com muitos testes mecânicos tradicionais (dureza, adesão, compressão, perfuração, resistência ao escoamento, etc.), os ambientes de controle de qualidade atuais com materiais sensíveis avançados, de géis a materiais frágeis, agora exigem maior precisão e controle de confiabilidade. A instrumentação mecânica tradicional não consegue fornecer o controle de carga sensível e a resolução necessários, pois foi projetada para ser usada em materiais a granel. Como o tamanho do material que está sendo testado tornou-se de maior interesse, o desenvolvimento de Nanoindentação forneceu um método confiável para obter informações mecânicas essenciais sobre superfícies menores, como a pesquisa que está sendo feita com biomateriais. Os desafios especificamente associados aos biomateriais exigiram o desenvolvimento de testes mecânicos capazes de controlar com precisão a carga em materiais extremamente macios e frágeis. Além disso, são necessários vários instrumentos para realizar diversos testes mecânicos que agora podem ser realizados em um único sistema. A nanoindentação oferece uma ampla gama de medições com resolução precisa em cargas nano controladas para aplicações sensíveis.
Objetivo da medição
Nesta aplicação, a Nanovea Testador Mecânico, no modo Nanoindentação, é usado para estudar a dureza e o módulo de elasticidade da dentina, cárie e polpa de um dente. O aspecto mais crítico do teste de nanoindentação é proteger a amostra. Aqui pegamos um dente fatiado e montado em epóxi, deixando todas as três áreas de interesse expostas para teste.
Resultados e Discussão
Esta seção inclui uma tabela de resumo que compara os principais resultados numéricos para as diferentes amostras, seguida da lista completa dos resultados, incluindo cada indentação realizada, acompanhada por micrográficos da indentação, quando disponível. Estes resultados completos apresentam os valores medidos do módulo de Dureza e do módulo Young como a profundidade de penetração com suas médias e desvios padrão. Deve-se considerar que grande variação nos resultados pode ocorrer caso a rugosidade superficial esteja na mesma faixa de tamanho que o recuo.
Tabela de resumo dos principais resultados numéricos:
Conclusão
Em conclusão, mostramos como o Testador Mecânico Nanovea, no modo Nanoindentação, proporciona uma medição precisa das propriedades mecânicas de um dente. Os dados podem ser utilizados no desenvolvimento de obturações que melhor se adaptam às características mecânicas de um dente real. A capacidade de posicionamento do Nanovea Mechanical Tester permite o mapeamento completo da dureza dos dentes através das várias zonas.
Usando o mesmo sistema, é possível testar a resistência à fratura do material dos dentes com cargas mais altas de até 200N. Um teste de carga de múltiplos ciclos pode ser usado em materiais mais porosos para avaliar o nível restante de elasticidade. O uso de uma ponta cilíndrica plana de diamante pode dar informações sobre a resistência à ruptura em cada zona. Além disso, com a "Análise Mecânica Dinâmica" da DMA, as propriedades viscoelásticas, incluindo perda e modulação de armazenamento, podem ser avaliadas.
O módulo Nanovea nano é ideal para estes testes porque utiliza uma resposta de feedback única para controlar precisamente a carga aplicada. Devido a isso, o módulo nano pode também ser usado para fazer testes precisos de nano arranhões. O estudo da resistência a arranhões e desgaste do material do dente e materiais de preenchimento aumenta a utilidade geral do testador mecânico. A utilização de uma ponta afiada de 2 mícrons para comparar quantitativamente a marcação em materiais de preenchimento permitirá uma melhor previsão do comportamento em aplicações reais. Os testes de desgaste multi-passe ou de desgaste rotativo direto também são testes comuns que fornecem informações importantes sobre a viabilidade a longo prazo.
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Avaliação de Fricção em Velocidades Extremamente Baixas
Importância da avaliação da fricção em baixa velocidade
O atrito é a força que resiste ao movimento relativo das superfícies sólidas que deslizam umas contra as outras. Quando ocorre o movimento relativo destas duas superfícies de contato, o atrito na interface converte a energia cinética em calor. Tal processo também pode levar ao desgaste do material e, portanto, à degradação do desempenho das peças em uso.
Com uma grande relação de elasticidade, alta resiliência, assim como grandes propriedades à prova d'água e resistência ao desgaste, a borracha é amplamente aplicada em uma variedade de aplicações e produtos nos quais o atrito desempenha um papel importante, tais como pneus de automóveis, lâminas do limpador de pára-brisa. solas de sapatos e muitos outros. Dependendo da natureza e das exigências destas aplicações, deseja-se alta ou baixa fricção contra diferentes materiais. Como conseqüência, uma medição controlada e confiável do atrito da borracha contra várias superfícies torna-se crítica.
Objetivo da medição
O coeficiente de atrito (COF) da borracha contra diferentes materiais é medido de forma controlada e monitorada utilizando o Nanovea Tribômetro. Neste estudo, gostaríamos de mostrar a capacidade do Tribômetro Nanovea para medir o COF de diferentes materiais em velocidades extremamente baixas.
Resultados e Discussão
O coeficiente de atrito (COF) das esferas de borracha (6 mm de diâmetro, RubberMill) em três materiais (Aço inoxidável 316, Cu 110 e acrílico opcional) foi avaliado pelo Nanovea Tribometer. As amostras de metal testadas foram polidas mecanicamente até um acabamento de superfície semelhante a um espelho antes da medição. A leve deformação da esfera de borracha sob a carga normal aplicada criou um contato de área, o que também ajuda a reduzir o impacto de asperezas ou a falta de homogeneidade do acabamento superficial da amostra para as medidas de COF. Os parâmetros de teste estão resumidos na Tabela 1.
O COF de uma bola de borracha contra diferentes materiais a quatro velocidades diferentes é mostrado na figura. 2, e os COFs médios calculados automaticamente pelo software são resumidos e comparados na Figura 3. É interessante que as amostras metálicas (SS 316 e Cu 110) exibem COFs significativamente aumentadas à medida que a velocidade de rotação aumenta de um valor muito baixo de 0,01 rpm para 5 rpm - o valor COF do casal borracha/SS 316 aumenta de 0,29 para 0,8, e de 0,65 para 1,1 para o casal borracha/Cu 110. Esta constatação está de acordo com os resultados relatados por vários laboratórios. Como proposto por Grosch4 o atrito da borracha é determinado principalmente por dois mecanismos: (1) a adesão entre a borracha e o outro material, e (2) as perdas de energia devido à deformação da borracha causada por asperezas superficiais. Schallamach5 observaram-se ondas de descolamento de borracha do material do contador através da interface entre as esferas de borracha macia e uma superfície dura. A força da borracha para se descolar da superfície do substrato e a taxa de ondas de descolamento podem explicar os diferentes atritos a diferentes velocidades durante o teste.
Em comparação, o casal de borracha/material acrílico exibe alto COF em diferentes velocidades de rotação. O valor do COF aumenta ligeiramente de ~ 1,02 para ~ 1,09 à medida que a velocidade de rotação aumenta de 0,01 rpm para 5 rpm. Este alto COF é possivelmente atribuído a uma ligação química local mais forte na face de contato formada durante os testes.
Conclusão
Neste estudo, mostramos que em velocidades extremamente baixas, a borracha apresenta um comportamento de fricção peculiar - seu atrito contra uma superfície dura aumenta com o aumento da velocidade do movimento relativo. A borracha apresenta fricção diferente quando desliza sobre materiais diferentes. O Nanovea Tribometer pode avaliar as propriedades de fricção dos materiais de forma controlada e monitorada em diferentes velocidades, permitindo aos usuários melhorar a compreensão fundamental do mecanismo de fricção dos materiais e selecionar o melhor casal de materiais para aplicações de engenharia tribológica direcionada.
O Nanovea Tribometer oferece testes de desgaste e atrito precisos e repetíveis usando os modos rotativo e linear compatíveis com ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste em alta temperatura, lubrificação e tribo-corrosão disponíveis em um sistema pré-integrado. É capaz de controlar o estágio rotativo a velocidades extremamente baixas até 0,01 rpm e monitorar a evolução do atrito in situ. A gama inigualável da Nanovea é uma solução ideal para determinar a gama completa de propriedades tribológicas de revestimentos, filmes e substratos finos ou grossos, macios ou duros.
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Tribologia dos Polímeros
Introdução
Os polímeros têm sido amplamente utilizados em uma ampla variedade de aplicações e se tornaram uma parte indispensável da vida cotidiana. Os polímeros naturais como o âmbar, a seda e a borracha natural têm desempenhado um papel essencial na história da humanidade. O processo de fabricação de polímeros sintéticos pode ser otimizado para alcançar propriedades físicas únicas, tais como tenacidade, viscoelasticidade, autolubrificação, e muitas outras.
Importância do Desgaste e Atrito dos Polímeros
Os polímeros são comumente usados para aplicações tribológicas, tais como pneus, mancais e correias transportadoras.
Diferentes mecanismos de desgaste ocorrem dependendo das propriedades mecânicas do polímero, das condições de contato e das propriedades dos detritos ou da película de transferência formada durante o processo de desgaste. Para garantir que os polímeros possuam resistência suficiente ao desgaste sob as condições de serviço, é necessária uma avaliação tribológica confiável e quantificável. A avaliação tribológica nos permite comparar quantitativamente os comportamentos de desgaste de diferentes polímeros de forma controlada e monitorada para selecionar o material candidato para a aplicação alvo.
O Nanovea Tribometer oferece testes de desgaste e atrito repetíveis usando os modos rotativo e linear compatíveis com ISO e ASTM, com módulos opcionais de desgaste e lubrificação a alta temperatura disponíveis em um sistema pré-integrado. Esta gama incomparável permite aos usuários simular os diferentes ambientes de trabalho dos polímeros, incluindo tensão concentrada, desgaste e alta temperatura, etc.
OBJETIVO DA MEDIÇÃO
Neste estudo, mostramos que o Nanovea Tribômetro é uma ferramenta ideal para comparar a resistência ao atrito e ao desgaste de diferentes polímeros de maneira bem controlada e quantitativa.
PROCEDIMENTO DE TESTE
O coeficiente de atrito (COF) e a resistência ao desgaste de diferentes polímeros comuns foram avaliados pelo Tribômetro Nanovea. Uma bola de Al2O3 foi utilizada como contramaterial (pino, amostra estática). As marcas de desgaste nos polímeros (amostras rotativas dinâmicas) foram medidas usando um perfilômetro 3D sem contato e microscópio óptico após a conclusão dos testes. Deve-se observar que, como opção, um sensor endoscópico sem contato pode ser usado para medir a profundidade em que o pino penetra na amostra dinâmica durante um teste de desgaste. Os parâmetros de teste estão resumidos na Tabela 1. A taxa de desgaste, K, foi avaliada usando a fórmula K=Vl(Fxs), onde V é o volume desgastado, F é a carga normal e s é a distância de deslizamento.
Favor observar que as bolas Al2O3 foram usadas como material de contagem neste estudo. Qualquer material sólido pode ser substituído para simular mais de perto o desempenho de dois espécimes sob condições reais de aplicação.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A taxa de desgaste é um fator vital para determinar a vida útil dos materiais, enquanto o atrito desempenha um papel crítico durante as aplicações tribológicas. A Figura 2 compara a evolução do COF para diferentes polímeros contra a bola Al2O3 durante os testes de desgaste. O COF funciona como um indicador de quando ocorrem falhas e o processo de desgaste entra em uma nova etapa. Entre os polímeros testados, o HDPE mantém o COF mais baixo constante de ~0,15 durante todo o teste de desgaste. O COF suave implica na formação de um tribo-contacto estável.
As figuras 3 e 4 comparam os rastros de desgaste das amostras de polímero após o teste ser medido pelo microscópio ótico. O profilômetro 3D in situ sem contato determina com precisão o volume de desgaste das amostras de polímero, tornando possível calcular com precisão taxas de desgaste de 0,0029, 0,0020 e 0,0032m3/N m, respectivamente. Em comparação, a amostra de CPVC mostra a maior taxa de desgaste de 0,1121m3/N m. As cicatrizes de desgaste paralelo profundo estão presentes na pista de desgaste do CPVC.
CONCLUSÃO
A resistência ao desgaste dos polímeros tem um papel vital em seu desempenho de serviço. Neste estudo, mostramos que o Nanovea Tribometer avalia o coeficiente de atrito e a taxa de desgaste de diferentes polímeros em um
bem controlada e de maneira quantitativa. O PEAD apresenta o menor COF de ~0,15 entre os polímeros testados. As amostras de PEAD, Nylon 66, e Polipropileno possuem baixas taxas de desgaste de 0,0029, 0,0020 e 0,0032 m3/N m, respectivamente. A combinação de baixo atrito e grande resistência ao desgaste faz do PEAD um bom candidato para aplicações tribológicas de polímeros.
O profilômetro 3D sem contato in situ permite a medição precisa do volume de desgaste e oferece uma ferramenta para analisar a morfologia detalhada das faixas de desgaste, fornecendo mais informações sobre a compreensão fundamental dos mecanismos de desgaste
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Acabamento da superfície do painel do favo de mel com perfilometria 3D
INTRODUÇÃO
A rugosidade, porosidade e textura da superfície do painel alveolar são fundamentais para quantificar o design final do painel. Estas qualidades de superfície podem se correlacionar diretamente com a estética e as características funcionais da superfície do painel. Um melhor entendimento da textura e porosidade da superfície pode ajudar a otimizar o processamento e a fabricação da superfície do painel. Uma medição quantitativa, precisa e confiável da superfície do painel alveolar é necessária para controlar os parâmetros da superfície para aplicação e requisitos de pintura. Os sensores Nanovea 3D Non-Contact utilizam tecnologia cromática confocal única capaz de medir com precisão estas superfícies do painel.
OBJETIVO DA MEDIÇÃO
Neste estudo, a plataforma Nanovea HS2000 equipada com um Sensor de Linha de alta velocidade foi utilizada para medir e comparar dois painéis alveolares com diferentes acabamentos superficiais. Apresentamos o Nanovea perfilômetro sem contatoa capacidade de fornecer medições de perfil 3D rápidas e precisas e análise abrangente e aprofundada do acabamento da superfície.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Foram medidas as superfícies de duas amostras de painel alveolar com acabamento superficial variado, a saber, Amostra 1 e Amostra 2. A falsa cor e a vista 3D das superfícies da Amostra 1 e 2 são mostradas na Figura 3 e na Figura 4, respectivamente. Os valores de rugosidade e planicidade foram calculados pelo software de análise avançada e são comparados na Tabela 1. A amostra 2 apresenta uma superfície mais porosa em comparação com a amostra 1. Como resultado, a Amostra 2 possui uma rugosidade Sa maior de 14,7 µm, comparada com um valor Sa de 4,27 µm para a Amostra 1.
Os perfis 2D das superfícies do painel alveolar foram comparados na figura 5, permitindo aos usuários uma comparação visual da mudança de altura em diferentes locais da superfície da amostra. Podemos observar que a amostra 1 tem uma variação de altura de ~25 µm entre o pico mais alto e o local mais baixo do vale. Por outro lado, a Amostra 2 mostra vários poros profundos ao longo do perfil 2D. O software de análise avançada tem a capacidade de localizar e medir automaticamente a profundidade de seis poros relativamente profundos, como mostrado na tabela da Figura 4.b Amostra 2. O poro mais profundo entre os seis possui uma profundidade máxima de quase 90 µm (Passo 4).
Para investigar melhor o tamanho dos poros e a distribuição da Amostra 2, a avaliação da porosidade foi realizada e discutida na seção seguinte. A visão fatiada é mostrada na Figura 5 e os resultados estão resumidos na Tabela 2. Podemos observar que os poros, marcados na cor azul na Figura 5, têm uma distribuição relativamente homogênea na superfície da amostra. A área projetada dos poros constitui 18,9% de toda a superfície da amostra. O volume por mm² do total de poros é de ~0,06 mm³. Os poros têm uma profundidade média de 42,2 µm, e a profundidade máxima é de 108,1 µm.
CONCLUSÃO
Nesta aplicação, mostramos que a plataforma Nanovea HS2000 equipada com um sensor de linha de alta velocidade é uma ferramenta ideal para analisar e comparar o acabamento superficial de amostras de painel alveolar de forma rápida e precisa. As varreduras de profilometria de alta resolução pareadas com um avançado software de análise permitem uma avaliação abrangente e quantitativa do acabamento superficial das amostras do painel favo de mel.
Os dados mostrados aqui representam apenas uma pequena parte dos cálculos disponíveis no software de análise. Os Profilômetros Nanovea medem praticamente qualquer superfície para uma ampla gama de aplicações nas indústrias de Semicondutores, Microeletrônica, Solar, Fibras Ópticas, Automotiva, Aeroespacial, Metalúrgica, Usinagem, Revestimentos, Farmacêutica, Biomédica, Ambiental e muitas outras.
