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ケーススタディ: 表面に傷を付けるだけにあらず— Crodaにおける速度と精度の改善


射出成形された自動車部品の耐スクラッチ性は、自動車の外観において重要な役割を果たします。 共焦点顕微鏡は、耐スクラッチ性を向上させる添加剤の効果を迅速かつ高精度で数値化できます。

Croda Internationalの科学研究員はOlympusの共焦点顕微鏡LEXT OLS5000を使用して、標準化されたスクラッチテストにおける添加剤のプラスの影響について示しました。 この方法によって、精度、作業者の違いによるばらつき、速度に大幅な改善が見られました。

プラスチックは、その多用途性、長寿命、低コストの性質から、数多くの自動車部品の製造に使用されています。 高分子材料の性質が改良されたこと、および自動車材料の軽量化への動きにより、自動車製造で使用されるプラスチックの多様化が拡大しています。 こうした部品の多くははっきりと目に見えることから、自動車の外観と価値に重要な役割を果たしています。

耐スクラッチ性材料は、自動車の外観に対する摩擦や引っかきの影響を最小限に抑えることによって、長期にわたる価値を持続します。 材料の正確な組成が耐スクラッチ性を決定するため、詳細なテストによって特定の材料が持つ耐スクラッチ度を示すことができます。

Croda

Croda International PLCは、プラスチックの耐スクラッチ性を向上させるための移行性添加剤を供給するリーディングカンパニーです。 これらの添加材は植物由来のバイオ材料であり、通常最大1%という少量のポリマーと混合されます。 射出成形後、これらの添加材は表面に蓄積され、スクラッチの影響を緩和する薄いフィルムを形成します。

Crodaロゴ
LEXT OLS5000のソフトウェアを使用したスクラッチテストデータの可視化

図1

LEXT OLS5000のソフトウェアを使用したスクラッチテストデータの可視化

スクラッチテスト用のポリマープラーク

図2

スクラッチテスト用のポリマープラーク

(図2) 「テストでは1つの傷を付けると両側に2つの山ができます。これは畑にすきを入れる状況と似ています」。 サンプルにキズが付いた後、材料プラークの深さ、幅、側面を測定して、組成間の違いを判断します。

Crodaの今までの方法では、広視野材料顕微鏡を使用して傷の幅を測定し、白色干渉計を使用して傷の側面を可視化することで深さを判断していました。 ただし、この方法は非常に時間がかかるという課題がありました。特に干渉計のセットアップと結果の分析が複雑なことが原因です。 さらに干渉計の使用は、ユーザー間のばらつきが大きいことや表面形状の誤差にも関連していました。

Crodaでのスクラッチ検査

Crodaは、耐スクラッチ性添加剤のサプライヤーとして定期的にスクラッチテストを実行し、プラスチックの性質に対する製品の効果を示しています。

Martin ReadはCroda Polymer Additives Applicationsのチームリーダーであり、キズ防止の分野で第一線の科学者です。 幅広い材料について意見を述べる際、Martinは次のように説明します。「私たちはジェスチャー制御やセンサーが隠された表面などで使用される透明な材料から、細部に高度な光沢をたたえた「ピアノブラック」といわれる材料まで、あらゆるものをテストします。 このような表面は、洗浄や艶出しによる微細な傷を持つ危険性が高くなります。

耐スクラッチ性に対する添加剤の効果を証明するため、研究員たちはさまざまな組成を持つプラークを作成し、標準化されたツールを使用し、定義された1~20 Nの力で傷を付けます

スクラッチテスト用のポリマープラーク

図2

スクラッチテスト用のポリマープラーク

(図2)。 「テストでは1つの傷を付けると両側に2つの山ができます。これは畑にすきを入れるのと似ています」。 サンプルにキズが付いたら、材料プラークの深さ、幅、側面を測定して、組成間の違いを判断します。

Crodaの今までの方法では、広視野材料顕微鏡を使用して傷の幅を測定し、白色干渉計を使用して傷の側面を可視化することで深さを判断していました。 ただし、この方法は非常に時間がかかるという課題がありました。特に干渉計のセットアップと結果の分析が複雑なことが原因です。 さらに干渉計の使用は、ユーザー間のばらつきが大きいことや表面形状の誤差にも関連していました。

Olympusの共焦点レーザー顕微鏡LEXT OLS5000は、スクラッチテストに続いてサンプルの精密な3Dマップを迅速に作成できます。

図3

Olympusの共焦点レーザー顕微鏡LEXT OLS5000は、スクラッチテストに続いてサンプルの精密な3Dマップを迅速に作成できます。

より正確なデータを取得し、ワークフローを高速化するため、研究員たちはOlympusの共焦点レーザー顕微鏡LEXT OLS5000(図3)をテストして、単一装置で関連するすべてのパラメーターを測定しました。 共焦点レーザー顕微鏡LEXT OLS5000は、速いスキャン速度と、各種3Dサンプルの詳細で定量化可能なデータが得られる能力を併せ持っています。

共焦点顕微鏡とは

共焦点顕微鏡とは

Olympus LEXT OLS5000を始めとする共焦点レーザー顕微鏡は、広視野顕微鏡に比べて分解能が高く、精密な3D測定を実行できます。 広視野顕微鏡が試料全体を一度に照らすのに対して、共焦点顕微鏡はピンホールを使用して明確なポイントからの光を3Dで検出し、焦点の合っていないすべての光を排除します。 次に、スキャンアルゴリズムによって、さまざまな可視化と測定に適した精密な3Dマップが作成されます。

共焦点顕微鏡によるスクラッチ検査の改善

Crodaの研究員たちは、LEXT OLS5000を使用することで、測定結果の精度を10倍以上改善できました。 改善された精度が最も顕著なのは、傷の深さと側面の評価であり、10 nmまで測定できます。

スライス可視化は、スクラッチテストの結果を表示し、測定を実行するための直感的な方法です。

図4

スライス可視化は、スクラッチテストの結果を表示し、測定を実行するための直感的な方法です。

誤差のない詳細な3Dマップにより、必要なすべてのパラメーターが判別しやすくなります。

図5

誤差のない詳細な3Dマップにより、必要なすべてのパラメーターが判別しやすくなります。

Martinは次のように述べています。「LEXT OLS5000は、3Dで正確に測定できるため、傷をスライスして表示したり、深さを測定することが以前よりも非常に簡単にできます」(図4)。

干渉計を使用して傷の深さと側面を測定する際の主な課題は、ポリプロピレンなどの材料の側面に存在する先の尖った部分です。 このような部分は測定を阻害する可能性があり、干渉計が表面を検出できないことにつながります。 「ポリプロピレンは多孔質構造であるため、干渉計は表面を検出せず、直線状に見えます」とMartinは言います。

同じサンプルをLEXT OLS5000で測定したところ、傷が付いた表面の滑らかな画像を取得して傷の正確な形状を把握でき、測定が容易になりました(図4)。

高速かつ正確な測定

画像化、測定、分析の速度に関しては、さらに大幅に改善されました。 Crodaの研究員たちは、LEXT OLS5000を傷の幅と深さの両方に使用することによって、干渉計と比較して10倍から100倍の速さで検査を実行できることがわかりました。 「傷を測定するには、干渉計をできるかぎり素早く走行するようにセットアップする必要があります」とMartinは言います。「そしてこのセットアップは極めて困難です。 1回の測定に約1時間かかります。 共焦点顕微鏡を使えば、プラスチック表面上にある10個の傷を約2分で処理できます」。

「Olympusの顕微鏡による処理の速さを知ると、以前のシステムでどれほど時間を費やしてきたかうんざりしてしまいます」

Dimitris Vgenopoulos、アプリケーション科学者

オペレーター間のばらつきも干渉計の重要な問題です。 Martinは「旧来の技術では、同一サンプルに対して部署内の4人がそれぞれ異なる結果を出す可能性がありました」と指摘します。 LEXT OLS5000は、サンプルの測定と分析を自動的に行うため、ワークフローが容易化かつ標準化されて、人間による操作ミスが少なくなります。

要約

耐スクラッチ性添加剤は、自動車の美的外観を向上させ、価値をより長く保つことができます。 スクラッチテストで正確に測定できれば、こうした添加剤のプラスの効果を検証する際に信頼性のある手段となります。 Crodaで以前使用していた傷の測定方法は、光学顕微鏡と干渉計に基づいており、非常に時間がかかり、表面形状の誤差に関連付けられていました。

Crodaの研究員はOlympusの共焦点レーザー顕微鏡LEXT OLS5000を使用することにより、光学顕微鏡や干渉計と比べて測定精度を向上させ、オペレーター間のばらつきを削減することができました。 また、測定速度を10倍から100倍速くすることができたことから、LEXTOLS5000により、検査効率とデータ品質の両面を改善したといえます。

著者

Markus Fabich
シニアバーティカルマーケット専門家
製造EMEA
Scientific Solutions Division
OLYMPUS EUROPA SE CO. KG

Olympus IMS
この用途に使用される製品

LEXT OLS5000は、非接触・非破壊で微細な3D形状の観察・測定が可能なレーザー顕微鏡です。 サブミクロンオーダーの微細な形状測定に優れ、スタートボタンを押すだけでオペレーターの習熟度に左右されない測定結果を得ることができます。 従来比4倍のデータ取得速度を実現し、専用長作動距離レンズや拡張フレームにより従来諦めていたサンプルも測定できるようになりました。
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