Il metodo Replica Tape è un metodo affidabile utilizzato da decenni dagli ispettori di tutto il mondo per misurare l'altezza del profilo superficiale. Studi precedenti hanno dimostrato che il metodo è altamente preciso e accurato, ma la complessa tecnica di brunitura e l'obbligo di calcolare la media di due diversi tipi di nastro replicante in alcuni intervalli di misurazione hanno reso il metodo difficile per alcuni utenti. Il presente documento illustra due modifiche proposte al metodo: uno strumento di brunitura aggiornato e una scala di misura linearizzata per eliminare la necessità di fare la media. È stato condotto uno studio per determinare l'accuratezza e la precisione di questo metodo aggiornato, coinvolgendo le misurazioni eseguite da 15 utenti di varia esperienza su una serie di pannelli di prova sabbiati con diversi materiali e altezze di profilo.
Parole chiave: Ispezione, ispezione del rivestimento, nastro Testex, nastro di replica, brunitura, profilo superficiale, rugosità superficiale, ASTM D4417, NACE SP0287, ISO 8503-5
Prima di applicare un rivestimento protettivo industriale, il substrato viene preparato mediante sabbiatura abrasiva o meccanica. La sabbiatura rimuove le incrostazioni e la corrosione dal substrato, fornendo al contempo un'area superficiale aggiuntiva e una mitigazione della forza di taglio attraverso la generazione di un complesso schema di picchi e valli1.
Questi picchi e valli aggiuntivi, noti come profilo superficiale, variano in base a fattori quali la dimensione dell'abrasivo, la forma dell'abrasivo, la composizione dell'abrasivo, la pressione di sabbiatura, la dimensione dell'orifizio dell'ugello di sabbiatura e la posizione dell'ugello di sabbiatura rispetto alla superficie.
Assicurarsi che sia stato creato un profilo superficiale sufficiente è stato per decenni un requisito comune del controllo qualità. Storicamente, i pannelli con un profilo superficiale desiderabile venivano creati all'inizio di un lavoro e utilizzati dagli ispettori come punto di riferimento per il confronto tattile e visivo. In seguito sono stati introdotti pannelli di confronto preparati in commercio, con una serie di profili superficiali campione standardizzati per il confronto. Pur rappresentando un miglioramento significativo rispetto ai metodi precedenti, i comparatori commerciali erano un metodo qualitativo, che si affidava al giudizio dell'ispettore per la determinazione.
Negli anni '70 è stato introdotto un metodo alternativo per misurare il profilo della superficie: Testex Replica Tape. Il nastro di replica consiste in una schiuma comprimibile aderente a un substrato di mylar incomprimibile, a sua volta aderente a un'etichetta adesiva con un foro per consentire l'accesso alla schiuma/mylar. Il nastro replica viene fatto aderire alla superficie sabbiata e uno strumento manuale con una sfera su un'estremità viene premuto contro il lato in mylar della schiuma/mylar, spingendo la schiuma nella superficie e creando così una replica negativa. Il nastro della replica viene quindi rimosso dalla superficie e si misura l'altezza della schiuma/mylar. Sottraendo lo spessore del substrato di mylar, è possibile determinare l'altezza della replica della schiuma, stabilendo così l'altezza del profilo superficiale da picco a valle.
Il processo di replica del nastro ha fornito un metodo quantitativo veloce, economico e utilizzabile sul campo. Ha guadagnato rapidamente popolarità e, a distanza di 50 anni, rimane uno dei metodi di misurazione dei profili superficiali più diffusi.
Esistono tre "gradi" di nastro replica comunemente utilizzati nell'industria dei rivestimenti protettivi: Coarse, per profili tra 20 e 50 µm (0,8 - 2 mil), X-Coarse per profili tra 40 e 115 µm (1,5 - 4,5 mil) e X-Coarse Plus, per profili tra 70 e 150 µm (4 - 6 mil).
I tentativi di determinare l'accuratezza e la precisione del nastro di replica risalgono al 1987, quando un gruppo di esperti fu convocato dalla National Association of Corrosion Engineers (successivamente NACE International, poi AMPP)2 . Lo studio del 1987 ha confrontato le misurazioni con nastro di replica eseguite su 14 pannelli da 7 operatori con le misurazioni effettuate con un microscopio focalizzato sui picchi e sulle valli del profilo superficiale. Le misurazioni con nastro di replica e quelle con microscopio focalizzato concordavano entro i limiti di confidenza del 95% (due deviazioni standard) in 11 dei 14 casi. La differenza media tra i due tipi di tecnica di misurazione è stata di 4,5 μm (0,18 mils). La deviazione standard media delle misure effettuate dagli operatori è stata di 5,4 μm (0,21 mils), per un intervallo di confidenza al 95% di ±10,8 μm (0,42 mils).
Nel 2012, il sottocomitato ASTM D01.46 ha condotto uno studio di follow-up round-robin, con l'obiettivo di stabilire la ripetibilità e l'accuratezza del nastro di replica utilizzato in conformità alla norma ASTM D44173. Cinque pannelli sono stati misurati da tre operatori in undici laboratori, per un totale di 33 misurazioni del nastro di replica per pannello. La ripetibilità (intervallo di confidenza del 95%) delle misure era compresa tra ±5 e 10 μm (0,2-0,4 mils) a seconda del pannello.
La determinazione dell'accuratezza è una sfida, perché non esiste uno standard di misurazione del profilo superficiale tracciabile. Per loro stessa natura, i profili sabbiati sono casuali, rendendo impraticabile qualsiasi tentativo di generare uno standard tracciabile. Il sottocomitato D01.46 ha quindi deciso di utilizzare il metodo D4417, lo stilo a trascinamento, come metodo di riferimento. Il profilometro a stilo trascinato è un metodo standard del settore per misurare la morfologia delle superfici e, cosa più importante, è tracciabile e può essere calibrato utilizzando standard di riferimento. Questi strumenti sono altamente precisi e in genere sono specificati con precisioni inferiori a 1 μm (0,04 mils).
Il profilometro a stilo a trascinamento utilizza uno stilo a punta fine che penetra nel profilo della superficie. Trascinando lo stilo sulla superficie e registrando i dati di misura, è possibile acquisire una traccia 2D del profilo della superficie. Su questa traccia 2D si possono eseguire varie funzioni matematiche per ottenere un numero associato alla morfologia del profilo; il Metodo D ASTM D4417 indica come parametro appropriato Rt, la distanza tra il picco più alto e la valle più bassa lungo una lunghezza di valutazione di 12,5 mm (1/2").
A causa della natura casuale dei profili sabbiati, la precisione di questo metodo è bassa, poiché il profilo rilevato lungo una linea sottile è una rappresentazione limitata della superficie complessiva. Tuttavia, questa precisione può essere migliorata prendendo una media di diverse misure.
Utilizzando questo metodo di "accuratezza relativa", l'accuratezza del metodo del nastro di replica è stata determinata in circa ±8 μm (0,3 mils).
Nel 2023, l'autore ha tentato di replicare i risultati dello studio del 2012. Mentre gli utenti più esperti del nastro di replica sono stati in grado di replicare i risultati in misura ragionevole, gli utenti inesperti hanno avuto notevoli difficoltà a replicarli.
È noto da tempo che il nastro replica risponde in modo non lineare all'estremità inferiore della sua gamma - dove la schiuma diventa completamente compressa - e all'estremità superiore della sua gamma - dove le altezze dei picchi sono maggiori dello spessore della schiuma.
Quando la risposta del nastro diventa sempre più non lineare, le misure diventano sempre più imprecise. Testex affronta questo problema fissando dei limiti prudenti al campo di utilizzo del nastro. Per "X-Coarse" questo intervallo va da 63um a 115um (da 2,5 a 4,5 mils). Per "Coarse" l'intervallo va da 20 a 38 um (da 0,8 a 1,5 mil). Piccole imprecisioni compaiono all'estremità superiore (115 um, o 4,5 mil) di "X-Coarse" e inferiore (20 um, o 0,8 mil) di "Coarse". Nella regione di sovrapposizione tra i due gradi è necessario applicare una scomoda procedura di mediazione, in cui le letture vengono effettuate con il nastro "Coarse" e "X-Coarse" e mediate.
Questa procedura di mediazione utilizza materiali e pratiche che fanno già parte dell'apparecchiatura, ma riduce l'accuratezza e la precisione, come dimostrato dal round robin ASTM. Inoltre, è scomoda e confusa per alcuni ispettori, causando un maggiore rischio di errore di misurazione.
Gli esperimenti condotti dal produttore, basati su un'analisi dei dati ASTM round robin e su uno studio successivo, hanno dimostrato che l'errore di linearità del nastro di replica è altamente correlato al profilo superficiale misurato. Ad esempio, un pannello con un Rt misurato di 50 μm (2,4 mils) darà costantemente una misura di 64 μm (2,6 mils) quando viene misurato con il nastro di replica. Effettuando un numero significativo di misurazioni su un'ampia gamma di profili sabbiati, è stato possibile quantificare questo errore di linearità nell'intervallo di misurazione del nastro di replica, ottenendo un fattore di correzione da applicare alle letture per migliorare l'accuratezza ed eliminare la necessità di una complicata procedura di mediazione.
Il metodo del nastro di replica prevede l'uso di uno strumento di brunitura per premere il mylar/schiuma nel profilo sabbiato. L'utensile di brunitura è uno strumento semplice ed economico per applicare la pressione, ma richiede una tecnica corretta da parte dell'operatore per brunire correttamente il nastro di replica. Se non si usa una forza sufficiente, rimangono aree di schiuma non compresse e si misura un risultato erroneamente alto. Se si usa una forza eccessiva, i picchi della superficie possono penetrare oltre la schiuma nel supporto in Mylar, causando risultati erroneamente bassi. Mentre gli operatori esperti possono imparare a usare una quantità di forza coerente e corretta, il processo di brunitura rimane impegnativo e incoerente per i nuovi ispettori e per quelli esistenti.
Per garantire una maggiore precisione agli utenti di tutti i livelli di esperienza, è stato creato un utensile di brunitura di precisione, illustrato nella Figura 5. L'utensile è costituito da un alloggiamento esterno in plastica contenente una sfera caricata a molla. È costituito da un alloggiamento esterno in plastica contenente una sfera caricata a molla. La molla è calibrata per applicare una forza nota e costante sulla sfera quando l'utensile viene premuto contro la superficie.
Analogamente al metodo esistente, l'utensile viene posizionato sul nastro di replica come mostrato nella Figura 6 e viene mosso in modo alternato fino a quando la schiuma di replica non è completamente compressa, come evidenziato da un aspetto consistente a "grana di sasso". Una volta brunito, il nastro di replica non deve presentare striature o segni.
Indipendentemente dalla forza applicata dall'operatore, la sfera di brunitura in acciaio applica una quantità costante di forza, eliminando il rischio di comprimere eccessivamente il nastro replica e di spingere i picchi del profilo superficiale nel materiale di supporto. Finché l'intera area del nastro replica viene brunita e la faccia inferiore dell'utensile è a contatto con il nastro replica durante la brunitura, si elimina anche il rischio di sottobruciatura.
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L'obiettivo di questo studio è determinare l'accuratezza del metodo Replica Tape, aumentato da uno strumento di brunitura di precisione e da un fattore di linearizzazione/correzione, nella misurazione di Rt (altezza del profilo picco-valle) utilizzando un metodo di riferimento tracciabile (il profilometro a stilo a trascinamento).
Per garantire che lo studio fosse completato con campioni di prova sabbiati in condizioni realistiche sul campo, è stata commissionata una serie di 38 pannelli di acciaio da 3" x 5" a una fonte commerciale per pannelli standardizzati. Quattro serie di otto pannelli sono state sabbiate con graniglia, graniglia d'acciaio, scorie di carbone e granato, mentre sei pannelli sono stati sabbiati con ossido di alluminio. Ogni serie di pannelli è stata sabbiata con una serie di abrasivi, nel tentativo di generare una gamma di profili di sabbiatura. Due pannelli di alluminio e due pannelli di acciaio sono stati sabbiati anche con abrasivo superossido a una pressione inferiore, utilizzando un impianto di sabbiatura di tipo hobbistico, nel tentativo di creare profili fini adatti a testare la gamma bassa del nastro di replica di grado Coarse, al di sotto della gamma tipicamente utilizzata per le applicazioni industriali. All'arrivo in laboratorio, è stata condotta una valutazione preliminare di ciascun pannello utilizzando otto misurazioni di Rt con il profilometro a stilo (Mitutoyo SJ-201 S/N 801624) in conformità al metodo D di ASTM D4417.
Sulla base della valutazione preliminare, per lo studio sono stati selezionati 22 pannelli che rappresentavano una gamma di valori di Rt e di tipi di abrasivo, contrassegnati da una lettera. La Rt è stata poi misurata su ciascun pannello altre 12 volte con il profilometro a stilo per aumentare la fiducia statistica nelle misure di Rt:
Per eseguire i test, sono stati reclutati 17 soggetti tra i colleghi dell'autore. È stato fatto uno sforzo per rappresentare una gamma di dati demografici e di esperienza nell'uso del nastro di replica. Alcuni partecipanti non avevano mai usato il nastro di replica prima di questo studio:
Lo studio è stato diviso in due parti, per ridurre il tempo in cui gli operatori erano impegnati nello studio in una sola volta. Nella prima parte dello studio sono stati misurati 15 pannelli con il nastro X-Coarse. Nella seconda parte dello studio, 6 pannelli sono stati misurati con il nastro di replica Coarse e 6 pannelli sono stati misurati con il nastro di replica X-Coarse Plus. (Alcuni pannelli sono stati utilizzati per più tipi di nastro). Il nastro X-Coarse è stato al centro dei test perché è la qualità più diffusa, con una gamma in grado di misurare i profili sabbiati più comuni.
Una stazione, illustrata nella Figura 7, è stata fornita con tutti i materiali necessari per le prove, compresi i pannelli di prova, il nastro di replica della qualità desiderata, gli strumenti per la brunitura, il micrometro, il computer portatile (per la visione del video didattico e la registrazione dei risultati), la carta oleata (per conservare i pezzi di nastro di replica bruniti) e la carta (per pulire le incudini del micrometro, se necessario).
Per coerenza, l'autore di questo studio ha registrato un video didattico di 11 minuti:
I test sono stati eseguiti in conformità al Metodo C di ASTM D4417, ad eccezione della linearizzazione e dello strumento di brunitura modificato menzionati in precedenza. Ogni partecipante è stato istruito a brunire il nastro replica fino a ottenere un disegno grigio coerente, senza macchie bianche o segni di brunitura. Sono stati forniti dei campioni di nastro brunito per mostrare esempi di nastro replica brunito correttamente e impropriamente. Due pezzi di nastro replica sono stati bruniti su una regione identificata del pannello e misurati con il micrometro. Queste misure sono state successivamente mediate dall'autore durante la fase di elaborazione dei dati, in conformità alle istruzioni del produttore. Secondo le istruzioni del produttore, se due letture differivano di oltre 5 micron (0,2 mil), è stata effettuata una terza misurazione, che è stata mediata con la più simile delle due misure originali.
In totale, sono stati bruniti 510 pezzi di nastro replica, per un totale di 255 misurazioni. Le misurazioni della parte dello studio relativa al nastro di replica X-Coarse sono riassunte nella Figura 8. La banda gialla rappresenta l'intervallo di confidenza del 95% per le misurazioni linearizzate e le misure di ciascun operatore sono indicate con un colore specifico. La banda gialla rappresenta l'intervallo di confidenza del 95% per le misure linearizzate e le misure di ciascun operatore sono indicate con un colore specifico.
La deviazione standard e l'errore standard (rispetto all'Rt misurato) forniscono rispettivamente una misura della ripetibilità tra gli operatori per un determinato pannello e del bias di misurazione complessivo per ciascun pannello.
Questi risultati indicano una precisione media, definita come il doppio della deviazione standard media, di ±5,6 µm (0,22 mils). Si tratta di una rappresentazione della somiglianza dei risultati tra gli operatori, definita anche "riproducibilità".
L'errore di misura standard è stato di ±4,0 µm (0,16 mils), che rappresenta la vicinanza dei risultati alle misure dello stilo di trascinamento tracciabile. L'intervallo di confidenza al 95% era quindi di ±8,0 µm (0,32 mils) - tipicamente considerato l'accuratezza del metodo di prova. In particolare, ognuna delle 255 misurazioni è rientrata nell'intervallo di ±8 µm (0,32 mils).
Per la porzione di studio relativa al grado grossolano, sono stati bruniti 177 pezzi di nastro di replica, per un totale di 89 misurazioni. Le misurazioni sono riassunte nella Figura 9 qui sotto. La banda gialla rappresenta l'intervallo di confidenza del 95% per le misure linearizzate e le misure di ciascun operatore sono indicate con un colore specifico.
La deviazione standard e l'errore standard (rispetto all'Rt misurato) forniscono rispettivamente una misura della ripetibilità tra gli operatori per un determinato pannello e del bias di misurazione complessivo per ciascun pannello.
Questi risultati indicano una precisione media, definita come il doppio della deviazione standard media, di ±1,9 µm (0,07 mils). Si tratta di una rappresentazione della somiglianza dei risultati tra gli operatori, definita anche "riproducibilità".
L'errore di misura standard è stato di ±3,7 µm (0,14 mils), che rappresenta la vicinanza dei risultati alle misure dello stilo di trascinamento tracciabile. L'intervallo di confidenza al 95% era quindi di ±8 µm (0,32 mils) - tipicamente considerato l'accuratezza del metodo di prova. In particolare, ognuna delle 89 misurazioni rientrava nell'intervallo di ±8 µm (0,32 mils).
Per la parte dello studio relativa al grado X-Coarse Plus, sono stati bruniti 210 pezzi di nastro di replica, per un totale di 105 misurazioni. Le misurazioni sono riassunte nella Figura 10 qui sotto. La banda gialla rappresenta l'intervallo di confidenza del 95% per le misure linearizzate e le misure di ciascun operatore sono indicate con un colore specifico.
Il pannello W è stato incluso in questa fase dello studio nonostante abbia un Rt di 189µm (7,4 mils), che supera la gamma massima di 150µm (6,0 mils) del nastro X-Coarse Plus replica. Nonostante i notevoli sforzi, è stato difficile procurarsi pannelli con un Rt compreso tra 6,0 e 7,0 e si è deciso di valutare il pannello W, che aveva il profilo più alto. Poiché il pannello W era molto al di fuori del campo di applicazione del nastro di replica X-Coarse Plus, le misure non sono state incluse nei dati complessivi di precisione e accuratezza. I risultati del pannello W indicano che la portata massima del nastro replicante X-Coarse Plus è probabilmente superiore a 150µm (6,0 mils), ma sono necessari ulteriori studi con pannelli di quella gamma per determinare l'esatta portata massima.
La deviazione standard e l'errore standard (rispetto all'Rt misurato) forniscono rispettivamente una misura della ripetibilità tra gli operatori per un determinato pannello e del bias di misurazione complessivo per ciascun pannello.
Questi risultati indicano una precisione media, definita come il doppio della deviazione standard media, di ±7,8 µm (0,30 mils). Si tratta di una rappresentazione della somiglianza dei risultati tra gli operatori, definita anche "riproducibilità".
L'errore di misura standard è stato di ±4,9 µm (0,19 mils), che rappresenta la vicinanza dei risultati alle misure dello stilo di trascinamento tracciabile. L'intervallo di confidenza al 95% era quindi di ±10 µm (0,38 mils) - tipicamente considerato l'accuratezza del metodo di prova. 100 delle 105 misurazioni rientravano nell'intervallo di ±10 µm (0,38 mils).
In questo studio sono stati valutati lievi aggiornamenti del metodo Replica Tape per la misurazione del profilo della superficie, in particolare l'uso di uno strumento di brunitura aggiornato e un metodo di linearizzazione per la correzione dei risultati di misura. Questi due aggiornamenti sembrano aver migliorato l'accuratezza e la precisione del metodo di prova, nonostante un gruppo di operatori molto meno esperto rispetto agli studi precedenti.
I risultati di questo studio sono simili, ma si confrontano favorevolmente, con i risultati dei precedenti test ASTM ILS eseguiti dal comitato D01.46. Si ipotizza che lo strumento di brunitura rivisto abbia più che compensato la relativa inesperienza degli operatori (non vi è stata alcuna differenza statisticamente significativa tra i risultati ottenuti da operatori nuovi ed esperti), riducendo la variabilità complessiva. Si ipotizza inoltre che il processo di linearizzazione abbia migliorato la ripetibilità e l'accuratezza agli estremi superiori e più alti dell'intervallo del nastro di replica.
Sulla base di questo studio, si suggeriscono le seguenti affermazioni di accuratezza e precisione:
L'autore desidera ringraziare l'assistenza di KTA-Tator per la preparazione dei pannelli di prova utilizzati per questo studio.