Odporność części samochodowych formowanych wtryskowo na zarysowania ma duży wpływ na estetykę pojazdu. Mikroskopia konfokalna jest szybką i wysoce dokładną metodą ilościowej oceny wpływu dodatków poprawiających tę odporność.
Naukowcy z firmy Croda International użyli mikroskopu konfokalnego Olympus LEXT™ OLS5000, by wykazać korzystny wpływ dodatków oferowanych przez firmę na wyniki znormalizowanych testów zarysowań. Przyjęta strategia działania pozwoliła na istotne zwiększenie precyzji i szybkości pracy oraz ograniczyła zależność wyników od operatora. Tworzywa sztuczne — ze względu na swoją wszechstronność, trwałość i niski koszt — są szeroko stosowane w produkcji różnych części samochodowych. Coraz lepsze właściwości materiałów polimerowych w połączeniu z dążeniem do redukcji masy pojazdów powodują, że w produkcji motoryzacyjnej używa się dziś coraz szerszej gamy różnych tworzyw. Wiele spośród części wykonanych z tworzyw sztucznych ma istotny wpływ na estetykę pojazdu, a więc i jego wartość. Odporność materiałów na zarysowania ogranicza spadek wartości pojazdu po dłuższym czasie użytkowania, ponieważ minimalizuje wpływ zużycia eksploatacyjnego na jego wygląd. Odporność na zarysowania zależy od precyzyjnie określonego składu tworzywa, a szczegółowe testy mogą wykazać poziom odporności konkretnego materiału. | CrodaCroda International PLC jest czołowym dostawcą dodatków migrujących zwiększających odporność tworzyw sztucznych na zarysowania. Dodatki te są substancjami pochodzenia roślinnego mieszanymi w niewielkich ilościach (zwykle do 1%) z polimerami. Po formowaniu wtryskowym dodatki te gromadzą się na powierzchni, tworząc cienką warstwę łagodzącą skutki zarysowań.  |
Ryc. 1
Wizualizacja danych z badania zarysowań za pomocą oprogramowania LEXT
 Ryc. 2 Płytki polimerowe do testowania odporności na zarysowania. | (Ryc. 2). Martin dodaje: „Taki test powoduje powstanie rysy i dwóch nierówności materiału po obu jej stronach, tak jak po przejściu pługu przez pole”. Po zarysowaniu próbki mierzona jest głębokość, szerokość i profil rys na płytkach w celu określenia różnic między materiałami o różnym składzie. W pierwotnej metodzie stosowanej przez firmę Croda mierzono szerokość rysy za pomocą mikroskopu szerokiego pola przeznaczonego do badań materiałowych oraz określano głębokość rysy, wizualizując jej profil za pomocą interferometru światła białego. Taka strategia była jednak bardzo czasochłonna, zwłaszcza z uwagi na złożoność konfiguracji interferometru oraz analizy wyników uzyskanych przy jego użyciu. Ponadto stosowanie interferometrii było związane z dużą zmiennością wyników między użytkownikami oraz artefaktami w profilach powierzchni. |
Badania zarysowań w firmie CrodaJako dostawca dodatków zwiększających odporność na zarysowania firma Croda regularnie przeprowadza testy zarysowań, aby wykazywać wpływ swoich produktów na właściwości tworzyw sztucznych. Martin Read jest liderem zespołu firmy Croda ds. zastosowań dodatków do materiałów polimerowych oraz kierownikiem naukowym w zakresie ochrony przed zarysowaniami. Odnosząc się do gamy materiałów, Martin wyjaśnia: „Testujemy praktycznie wszystko — od tworzyw przezroczystych, takich jak stosowane w układach sterowania gestami i w powierzchniach kryjących czujniki, aż po błyszczące powierzchnie w kolorze tzw. fortepianowej czerni. Powierzchnie takie są bardzo narażone na mikrozarysowania powstające podczas czyszczenia i polerowania”. Aby wykazać wpływ dodatków na odporność na zarysowania, badacze wytwarzają płytki o różnym składzie i rysują je za pomocą zestandaryzowanego narzędzia, stosując określone siły z przedziału od 1 do 20 N. Ryc. 2 (Ryc. 2). Martin dodaje: „Taki test powoduje powstanie rysy i dwóch nierówności materiału po obu jej stronach, tak jak po przejściu pługu przez pole”. Po zarysowaniu próbki mierzona jest głębokość, szerokość i profil rys na płytkach w celu określenia różnic między materiałami o różnym składzie. W pierwotnej metodzie stosowanej przez firmę Croda mierzono szerokość rysy za pomocą mikroskopu szerokiego pola przeznaczonego do badań materiałowych oraz określano głębokość rysy, wizualizując jej profil za pomocą interferometru światła białego. Taka strategia była jednak bardzo czasochłonna, zwłaszcza z uwagi na złożoność konfiguracji interferometru oraz analizy wyników uzyskanych przy jego użyciu. Ponadto stosowanie interferometrii było związane z dużą zmiennością wyników między użytkownikami oraz artefaktami w profilach powierzchni.  Ryc. 3 | Chcąc uzyskiwać dane o większej precyzji i przyspieszyć pracę, naukowcy przetestowali mikroskop konfokalny Olympus LEXT™ OLS5000 (Ryc. 3): jeden przyrząd, który umożliwia pomiar wszystkich istotnych parametrów. Mikroskop LEXT OLS5000 zapewnia dużą szybkość skanowania, a jednocześnie może dostarczać szczegółowych i podlegających kwantyfikacji danych o różnych próbkach trójwymiarowych.  Informacje o mikroskopii konfokalnej Konfokalne laserowe mikroskopy skaningowe, takie jak Olympus LEXT OLS5000, oferują większą rozdzielczość niż mikroskopy szerokiego pola i pozwalają na wykonywanie precyzyjnych pomiarów w trzech wymiarach. Podczas gdy mikroskop szerokiego pola oświetla jednocześnie całą próbkę, mikroskop konfokalny przez małe otwory wykrywa światło z konkretnego punktu w przestrzeni 3D i ignoruje światło poza ogniskiem. Następnie algorytmy skanowania tworzą precyzyjne mapy trójwymiarowe, które dobrze nadają się do różnych zastosowań wizualizacyjnych i pomiarowych. Mikroskopia konfokalna usprawnia badanie zarysowańKorzystając z mikroskopu LEXT OLS5000, naukowcy w firmie Croda byli w stanie uzyskać precyzję wyników lepszą o ponad jeden rząd wielkości. Ten wzrost precyzji jest najbardziej zauważalny przy ocenie głębokości i profilu rysy: pomiary te mogą być teraz wykonywane z precyzją do 10 nm. |
 Ryc. 4 Wizualizacja warstw jest intuicyjną metodą prezentacji wyników badania zarysowań i wykonywania pomiarów. |  Ryc. 5 |
Martin zauważa: „Ponieważ system LEXT™ umożliwia wykonywanie dokładnych pomiarów w trzech wymiarach, możemy po prostu uwidocznić przekrój przez rysę i zmierzyć jej głębokość. W ten sposób pracuje nam się łatwiej” (Ryc. 4). Największym wyzwaniem w pomiarach interferometrycznych głębokości i profilu rysy jest obecność igiełek na powierzchni profilu niektórych materiałów, takich jak polipropylen. Artefakty te mogą zakłócać pomiary i są skutkiem niewykrycia powierzchni przez interferometr. Martin wyjaśnia: „Polipropylen ma strukturę porowatą, dlatego interferometr nie wykrywa powierzchni, lecz patrzy niejako przez nią”. Gdy te same próbki mierzone są za pomocą mikroskopu LEXT, naukowcy są w stanie uzyskać gładszy obraz zarysowanej powierzchni, będący dokładnym odzwierciedleniem rysy i ułatwiający pomiary (Ryc. 4). Szybkie i dokładne pomiaryKorzyści są jeszcze bardziej znaczące, jeśli chodzi o szybkość obrazowania, pomiarów i analizy. Naukowcy w firmie Croda obliczyli, że stosując mikroskop LEXT OLS5000 do pomiaru zarówno szerokości, jak i głębokości rysy, mogą prowadzić badania od 10 do 100 razy szybciej niż metodą interferometryczną. „Aby zmierzyć rysę, musieliśmy ustawić interferometr maksymalnie zgrubnie” — mówi Martin — „co było wyjątkowo trudne. Wykonanie jednego pomiaru trwało około godziny. Stosując mikroskopię konfokalną, możemy zmierzyć i obrobić dane 10 rys na powierzchni tworzywa w ciągu 2 minut”. | „Szybkość działania mikroskopu Olympus boleśnie nam uświadamia, jak dużo czasu traciliśmy na pomiary przy użyciu starego systemu”. Dimitris Vgenopoulos, badacz w zakresie zastosowań Poważnym problemem w pomiarach interferometrycznych jest również brak powtarzalności między operatorami. Jak wskazuje Martin: „Gdy stosowaliśmy starą technikę, bywało, że cztery osoby w naszym dziale uzyskiwały cztery różne wyniki pomiaru tej samej próbki”. Udostępniane przez mikroskop LEXT OLS5000 zautomatyzowane metody pomiaru i analizy próbki zmniejszają ryzyko popełnienia błędu przez człowieka, ponieważ upraszczają i standaryzują całą procedurę. |
PodsumowanieDodatki zwiększające odporność na zarysowania poprawiają estetykę samochodu i przyczyniają się do ograniczenia spadku jego wartości. Precyzyjne pomiary w ramach testów zarysowań pozwalają na wiarygodne potwierdzenie skuteczności takich dodatków. Stosowana wcześniej przez firmę Croda strategia pomiarów zarysowań, oparta na mikroskopii optycznej i interferometrii, była czasochłonna i wrażliwa na artefakty w profilach powierzchni. Używając mikroskopu konfokalnego Olympus LEXT OLS5000, naukowcy firmy Croda byli w stanie uzyskać większą precyzję pomiarów i zmniejszyć zależność wyników od konkretnego operatora — w porównaniu z mikroskopią optyczną i interferometrią. Ponadto wykonują pomiary od 10 do 100 razy szybciej, co oznacza, że zastosowanie mikroskopu LEXT zarówno zwiększyło wydajność badań, jak i podniosło jakość danych. | AutorMarkus Fabich |
