Ultrasone diktemeting van UV-geharde coatings op stijve substraten

Klik hier voor de volledige PDF van het verslag.

Handinstrumenten kunnen nu de dikte van coatings ultrasoon meten, waardoor niet-destructieve tests beschikbaar komen voor industrieën die gebruik maken van UV/EB-uithardingstechnologie. Dit artikel beschrijft het werkingsprincipe en de voordelen van ultrasoon testen.

Laagdiktemeters die gebruik maken van ultrasone meettechnieken worden steeds populairder in industrieën die werken met stijve substraten, zoals hout, kunststof en composieten. Deze instrumenten ondersteunen of vervangen destructieve methoden voor het meten van de dikte van UV/EB-geharde coatings van meer dan 15 micron (0,5 mil) dikte in een verscheidenheid van industrieën, waaronder de automobiel-, luchtvaart- en houtproductenindustrie en industriële afwerking.

Coatings vervullen verschillende functies. Sommige zijn bestand tegen krassen, slijtage, vocht en andere chemicaliën. Andere herstellen, beschermen en verfraaien constructies en maken ze waterdicht. Weer andere zijn speciaal samengesteld om poriën af te dichten en op te vullen en een aantrekkelijke oppervlaktestructuur te geven.

Waarom de dikte meten?

Coatings zijn ontworpen om hun beoogde functie het best te vervullen wanneer zij worden aangebracht binnen een strak diktebereik zoals gespecificeerd door de fabrikant. Dit garandeert optimale productprestaties. Voorbeelden van situaties waarin diktemeting belangrijk is:

‍

• Conversielakken zijn harder dan andere coatings en mogen niet dikker dan vijf mils droge laagdikte worden aangebracht om scheuren of andere afwerkingsgebreken te voorkomen.
• De dikte van nitrocelluloselak moet gewoonlijk onder drie mils blijven.
• UV-uithardende primerlagen op kunststof moeten vóór het schuren een dikte van één tot zes mils hebben.
• Een constante dikte is van het grootste belang bij het aanbrengen van basislakken.
• Bij te dik aangebrachte UV-uitgeharde lijmen ontstaan spanningen, omdat de uitharding zo snel verloopt dat de lijm en het oppervlak niet snel genoeg in evenwicht kunnen komen om die spanningen te voorkomen.
• Op vezelplaat met gemiddelde dichtheid (MDF) varieert de poedercoatingdikte doorgaans van drie tot negen mils. Meestal geldt: hoe dikker de laag, hoe duurzamer de afwerking. Fabrieksspecificaties schrijven vaak een tolerantie van ±1 mil voor. Dit kwaliteitsniveau kan niet alleen visueel worden beoordeeld.

Er zijn nog andere voordelen verbonden aan het nauwkeurig meten van de laagdikte - of het nu is om te voldoen aan ISO-, kwaliteits- en klantvereisten voor procescontrole of om de kosten te beheersen. Als bedrijven de kwaliteit van de coating van binnenkomend materiaal niet controleren en verifiëren, verspillen ze geld aan het opnieuw bewerken van producten. Door hun applicatieapparatuur te controleren, zorgen ze ervoor dat de coating volgens de aanbevelingen van de fabrikant wordt aangebracht. Bovendien kan een te grote laagdikte leiden tot onvolledige uitharding en de algehele efficiëntie drastisch verminderen. Ten slotte kan regelmatig testen het aantal interne herbewerkingen en terugzendingen van klanten wegens afwerkingsfouten verminderen.

Hoe kan ik het beste testen?

Op metalen is het meten van de laagdikte gebruikelijk voor kwaliteitscontrole en inspectie. Op koolstofstaal wordt een magnetische methode gebruikt; voor andere metalen, zoals koper en aluminium, worden wervelstroommeters gebruikt. Er zijn veel draagbare modellen beschikbaar. Sommige hebben een ingebouwde sonde om grote oppervlakken eenvoudig met één hand te meten. Andere hebben een kleine sonde aan een korte kabel voor kleine onderdelen of moeilijk bereikbare plaatsen. Veel instrumenten bieden extra functies die het meten vereenvoudigen, zoals doorlopende gemiddeldeberekeningen en geheugen om opgeslagen meetwaarden naar een printer of computer te downloaden.

Hoe populair ze echter ook zijn, magnetische en wervelstroominstrumenten kunnen de dikte van afwerkingen op niet-metalen substraten niet meten. Daarom gebruiken industrieën alternatieve technieken om de dikte te meten, zoals:

• Optische dwarsdoorsnede (snijden van het gecoate deel en microscopisch bekijken van de snede).
• Hoogtemeting (meten voor en na met een micrometer).
• Gravimetrisch (meting van de massa en de oppervlakte van de coating om de dikte te berekenen).
• Een natte-laagdiktemeter in de niet-uitgeharde coating steken.
• Substitutie (een stalen proefplaatje naast het onderdeel plaatsen en beide tegelijk coaten).

‍

Deze tests zijn tijdrovend, lastig uit te voeren en gevoelig voor interpretatie door de gebruiker en andere meetfouten. Coatingapplicateurs vinden destructieve methoden onpraktisch. Voor een statistisch representatieve steekproef moeten mogelijk meerdere producten uit een partij worden afgeschreven als onderdeel van de destructieve test. De gravimetrische methode geeft de gemiddelde laagdikte op het onderdeel, maar geen dikteprofiel van specifieke zones.

Met de komst van ultrasone instrumenten zijn veel afwerkingsbedrijven overgestapt op niet-destructieve inspectie voor dikke UV/EB-geharde coatings.

Ultrasone doorbraak

Kwaliteitsprofessionals zijn al bekend met verschillende aspecten van ultrasoon testen, waarbij geluidsenergie met een hoge frequentie wordt gebruikt om onderzoeken en metingen uit te voeren. Ultrasoon onderzoek kan gebreken in metaal opsporen en evalueren, afmetingen meten, materiaalkarakterisering vaststellen en nog veel meer.

Wanddiktemeting is wellicht de meest gangbare en eenvoudigste ultrasone test. Ultrasone precisiewanddiktemeters meten snel de dikte van objecten zonder toegang tot beide zijden. Voor het meten van coatings zijn ze echter niet ideaal. Ze zijn onvoldoende gevoelig voor de dikte van acrylvullers, fabrieksprimers, lakken, UV-afwerkingen, poedercoatings en andere materialen op niet-metalen producten.

Het eerste draagbare instrument dat specifiek voor laagdiktemeting was ontworpen, kwam 14 jaar geleden op de markt en is nu aan zijn vierde generatie toe. Het gebruikt een transducer met één element en geavanceerde numerieke technieken om gedigitaliseerde echo's te filteren en te versterken. De huidige draagbare ultrasone laagdiktemeters zijn eenvoudig te bedienen, betaalbaar en betrouwbaar (figuur 3).

Een degelijke meettechniek

Bij ultrasoon onderzoek zendt een sonde (transducer) een ultrasone trilling de coating in, met behulp van een op het oppervlak aangebracht koppelmiddel.

De trilling gaat door de coating totdat zij een materiaal met andere mechanische eigenschappen tegenkomt, meestal de ondergrond of een andere coatinglaag. Op dit grensvlak wordt de trilling gedeeltelijk teruggekaatst naar de transducer. Een ander deel gaat door voorbij het grensvlak en wordt verder gereflecteerd op volgende materiaalgrensvlakken (figuur 4).

Omdat er veel echo's kunnen optreden, selecteert de meter de sterkste of 'luidste' echo om de dikte te berekenen. Instrumenten die afzonderlijke lagen in een meerlagensysteem meten, gebruiken eveneens de sterkste echo's. De gebruiker voert het aantal te meten lagen in, bijvoorbeeld drie, en de meter meet de drie sterkste echo's. Zwakkere echo's van onvolkomenheden in de coating en lagen in de ondergrond worden genegeerd.

Meetnauwkeurigheid

De nauwkeurigheid van elke ultrasone meting hangt rechtstreeks samen met de geluidssnelheid van de te meten afwerking. Omdat ultrasone instrumenten de doorgangstijd van een ultrasone puls meten, moeten zij worden gekalibreerd voor de "geluidssnelheid" in dat specifieke materiaal.

In de praktijk verschilt de geluidssnelheid weinig tussen UV/EB-coatingmaterialen. Daarom is bij ultrasone laagdiktemeters meestal geen justering van de fabriekskalibratie-instellingen nodig.

Ultrasone laagdiktemeting is inmiddels een aanvaarde en betrouwbare testmethode voor UV/EB-uitgeharde coatings. Voor verificatie van de kalibratie zijn met epoxy gecoate diktestandaarden verkrijgbaar met een certificering die herleidbaar is naar nationale standaardeninstituten.

Het grensvlak tussen coating en ondergrond

De nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van ultrasone metingen worden mede beïnvloed door het grensvlak tussen coating en ondergrond. Houtproducten kunnen bijvoorbeeld gladde of ruwe oppervlakken hebben waarop de laagdikte moet worden gemeten. Figuur 5 toont gecoat hout. Deze foto, met een hogere resolutie dan de meeste destructieve tests op locatie mogelijk maken, toont de grens tussen de afwerklaag en het hout. De coating kan bovenop glad lijken terwijl de dikte varieert. Hout heeft vaak een nerfstructuur, met wisselende oppervlakteruwheid en indringing van primer. Deze porositeit en ruwheid kunnen de hechting bevorderen, maar bemoeilijken herhaalbare diktemetingen met elke meetmethode.

Ultrasone meters zijn ontworpen om het gemiddelde te nemen van kleine onregelmatigheden om een zinvol resultaat te verkrijgen. Op bijzonder ruwe oppervlakken of substraten waar individuele metingen niet herhaalbaar lijken, levert het vergelijken van een reeks gemiddelde resultaten vaak een aanvaardbare herhaalbaarheid op.

Een laatste echo

Een genormeerde testmethode voor deze technologie wordt beschreven in ASTM D6132-04 “Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Applied Organic Coatings Using an Ultrasonic Gage” (2004, ASTM). In het kader van een recente herziening van deze norm hebben acht bedrijven een ringonderzoek uitgevoerd waarbij verschillende gecoate houten panelen ultrasoon werden gemeten, waaronder UV-uitgeharde coatings op hickory en esdoorn. De resultaten, die later dit jaar worden gepubliceerd, laten een goede herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid met kleine standaardafwijkingen zien.

Er kunnen nu snelle, niet-destructieve diktemetingen worden uitgevoerd op materialen waarvoor vroeger destructieve tests, laboratoriumanalyses of dure niet-destructieve apparatuur nodig waren. Deze nieuwe technologie verbetert de consistentie en verwerkingscapaciteit in de afwerkingsruimte. Potentiële kostenbesparingen omvatten:

• Verspilling door te dik coaten beperken door de dikte van de aangebrachte coating te beheersen.
• Minimaliseren van herbewerking en reparatie door directe feedback aan de operator en verbeterde procescontrole.
• Het vernietigen of repareren van objecten door destructieve laagdiktemetingen wordt overbodig.
  

Tegenwoordig zijn deze instrumenten eenvoudig te bedienen, betaalbaar en betrouwbaar.

‍

DAVID BEAMISH (1955–2019), voormalig directeur van DeFelsko Corporation, een in New York gevestigde fabrikant van draagbare coatingtestinstrumenten die wereldwijd worden verkocht. Hij had een diploma civiele techniek en meer dan 25 jaar ervaring met het ontwerpen, produceren en op de markt brengen van deze instrumenten in uiteenlopende internationale sectoren, waaronder industrieel schilderwerk, kwaliteitsinspectie en productie. Hij gaf trainingen en was actief lid van onder meer NACE, SSPC, ASTM en ISO.