El método de la cinta de réplica es un método fiable utilizado por inspectores de todo el mundo durante décadas para medir la altura del perfil de la superficie. Estudios anteriores han demostrado que el método es muy preciso y exacto, pero una técnica de bruñido complicada y el requisito de promediar dos grados diferentes de cinta de réplica en algunos rangos de medición han hecho que el método sea un reto para algunos usuarios. En este artículo se detallan dos cambios propuestos para el método: una herramienta de bruñido actualizada y una escala de medición linealizada para eliminar la necesidad de promediar. Se llevó a cabo un estudio para determinar la exactitud y precisión de este método actualizado, en el que participaron 15 usuarios con experiencia variada en una serie de paneles de prueba chorreados con distintos materiales y alturas de perfil.
Palabras clave: Inspección, Inspección de Recubrimientos, Cinta Testex, Réplica de Cinta, Bruñido, Perfil Superficial, Rugosidad Superficial, ASTM D4417, NACE SP0287, ISO 8503-5
Antes de aplicar un revestimiento protector industrial, el sustrato se prepara mediante granallado abrasivo o mecánico. El granallado elimina la cascarilla de laminación y la corrosión del sustrato, al tiempo que proporciona una superficie adicional y mitiga la fuerza brusca mediante la generación de un complejo patrón de picos y valles1.
Estos picos y valles adicionales, conocidos como el perfil de la superficie, varían en función de factores como el tamaño del abrasivo, la forma del abrasivo, la composición del abrasivo, la presión de chorreado, el tamaño del orificio de la boquilla de chorreado y la posición de la boquilla de chorreado con respecto a la superficie.
Garantizar que se ha creado un perfil de superficie suficiente ha sido un requisito de control de calidad habitual durante décadas. Históricamente, los paneles con un perfil de superficie deseable se creaban al principio de un trabajo y los inspectores los utilizaban como referencia para la comparación táctil y visual. Posteriormente se introdujeron paneles de comparación preparados comercialmente, que ofrecían una gama de perfiles de superficie de muestra normalizados para la comparación. Aunque los comparadores comerciales representaban una mejora significativa con respecto a los métodos anteriores, eran un método cualitativo, que dependía del juicio del inspector para tomar una determinación.
En la década de 1970, se introdujo un método alternativo para medir el perfil de la superficie: La cinta Testex Replica. La cinta de réplica consiste en una espuma comprimible adherida a un sustrato de mylar incompresible, que a su vez está adherido a una etiqueta adhesiva con un orificio para permitir el acceso a la espuma/mylar. La cinta de réplica se adhiere a la superficie granallada, y una herramienta manual con una bola esférica en un extremo se presiona contra el lado de mylar de la espuma/mylar, empujando la espuma hacia la superficie y creando finalmente una réplica en negativo. A continuación, se retira la cinta de réplica de la superficie y se mide la altura de la espuma/mylar. Restando el grosor del sustrato de mylar, se puede determinar la altura de la réplica de espuma, estableciendo así la altura del perfil de superficie de pico a valle.
El proceso de réplica de cinta proporcionó un método rápido, barato y cuantitativo que podía utilizarse sobre el terreno. Ganó popularidad rápidamente y, 50 años después, sigue siendo uno de los métodos de medición de perfiles superficiales más populares.
Existen tres "grados" de cinta de réplica utilizados habitualmente en la industria de revestimientos protectores: Coarse, para perfiles entre 20 - 50 µm (0,8 - 2 mils), X-Coarse para perfiles entre 40 - 115 µm (1,5 - 4,5 mils), y X-Coarse Plus, para perfiles entre 70 - 150 µm (4 - 6 mils).
Los intentos de determinar la exactitud y precisión de la cinta de réplica se remontan a 1987, cuando un grupo de expertos fue convocado por la Asociación Nacional de Ingenieros de la Corrosión (posteriormente NACE International, posteriormente AMPP)2 . El estudio de 1987 comparó las mediciones de la cinta de réplica realizadas en 14 paneles por 7 operarios, con las mediciones capturadas utilizando un microscopio enfocado en los picos y valles del perfil de la superficie. Las mediciones con cinta de réplica y con microscopio de enfoque coincidieron dentro de sus límites de confianza del 95 % (dos desviaciones estándar) en 11 de los 14 casos. La diferencia media entre los dos tipos de técnica de medición fue de 4,5 μm (0,18 mils). La desviación típica media de las mediciones realizadas por los operarios fue de 5,4 μm (0,21 mils), para un intervalo de confianza del 95 % de ±10,8 μm (0,42 mils).
En 2012, el subcomité ASTM D01.46 llevó a cabo un estudio rotatorio de seguimiento, con el objetivo de establecer la repetibilidad y precisión de la cinta de réplica utilizada de acuerdo con ASTM D44173. Cinco paneles fueron medidos por tres operadores en once laboratorios, para un total de 33 mediciones de cinta de réplica por panel. La repetibilidad (intervalo de confianza del 95%) de las mediciones fue de entre ±5 y 10 μm (0,2-0,4 mils) dependiendo del panel.
Determinar la precisión es todo un reto, ya que no existe ninguna norma trazable de medición de perfiles de superficie. Por su propia naturaleza, los perfiles granallados son aleatorios, por lo que cualquier intento de generar una norma trazable resulta poco práctico. Por lo tanto, el subcomité de la norma D01.46 decidió utilizar el método D4417, el palpador de arrastre, como método de referencia. El perfilómetro de aguja de arrastre es un método estándar de la industria para medir la morfología de las superficies y, lo que es más importante, es trazable y puede calibrarse utilizando normas de referencia. Estos instrumentos son muy precisos, y generalmente se especifican con precisiones inferiores a 1 μm (0,04 mils).
El perfilómetro de arrastre utiliza un palpador de punta fina que penetra en el perfil de la superficie. Arrastrando este palpador por la superficie y registrando los datos de medición, se puede capturar un trazo 2D del perfil de la superficie. Se pueden realizar varias funciones matemáticas en ese trazo 2D para obtener un número asociado a la morfología del perfil; el método D de ASTM D4417 especifica Rt, la distancia entre el pico más alto y el valle más bajo a lo largo de una longitud de evaluación de 12,5 mm (1/2"), como el parámetro apropiado.
Debido a la naturaleza aleatoria de los perfiles chorreados, la precisión de este método es baja, ya que el perfil encontrado a lo largo de una línea fina es una representación limitada de la superficie global. Sin embargo, esta precisión puede mejorarse tomando una media de varias mediciones.
Utilizando este método de "precisión relativa", se determinó que la precisión del método de la cinta de réplica era de aproximadamente ±8 μm (0,3 mils).
En 2023, este autor intentó replicar los resultados del estudio de 2012. Mientras que los usuarios muy experimentados de la cinta de réplica fueron capaces de replicar los resultados en un grado razonable, los usuarios inexpertos tuvieron dificultades significativas para replicar los resultados.
Se sabe desde hace tiempo que la cinta de réplica responde de forma no lineal en el extremo inferior de su rango -donde la espuma se comprime por completo- y en el extremo superior de su rango -donde las alturas de los picos son mayores que el grosor de la espuma-.
Como la respuesta de la cinta es cada vez menos lineal, las mediciones son cada vez más imprecisas. Testex aborda esta cuestión estableciendo límites conservadores en el rango útil de la cinta. Para "X-Coarse" este rango es de 63um a 115um (2,5 a 4,5 mils). Para "Grueso", el rango es de 20 a 38 um (0,8 a 1,5 mils). Aparecen pequeñas imprecisiones en el extremo superior (115 um, o 4,5 mils) de "X-Coarse" y en el inferior (20 um, o 0,8 mils) de "Coarse". En la región de solapamiento entre las dos calidades debe aplicarse un procedimiento inconveniente de promediado, en el que se toman lecturas con cinta "Gruesa" y "X-Gruesa" y se promedian.
Este procedimiento de promediado utiliza materiales y prácticas que ya forman parte del aparato, pero reduce la exactitud y la precisión, como muestra el round robin de ASTM. Además, resulta incómodo y confuso para algunos inspectores, lo que aumenta el riesgo de error de medición.
Los experimentos realizados por el fabricante, basados en un análisis de los datos ASTM round robin y el estudio posterior, mostraron que el error de linealidad de la cinta de réplica estaba altamente correlacionado con el perfil de superficie que se estaba midiendo. Por ejemplo, un panel con un Rt medido de 50 μm (2,4 mils) arrojará sistemáticamente una medición de 64 μm (2,6 mils) cuando se mida utilizando cinta de réplica. Tomando un número significativo de mediciones en una amplia gama de perfiles granallados, este error de linealidad podría cuantificarse en todo el rango de medición de la cinta de réplica, dando lugar a un factor de corrección que podría aplicarse a las lecturas para mejorar la precisión, y eliminar la necesidad del engorroso procedimiento de promediado.
El método de la cinta de réplica implica el uso de una herramienta de bruñido para presionar el mylar/espuma en el perfil granallado. La herramienta de bruñido es una herramienta sencilla y barata para aplicar presión, pero requiere una técnica correcta por parte del operario para bruñir correctamente la cinta de réplica. Si no se aplica suficiente fuerza, quedan zonas de espuma sin comprimir y se mide un resultado erróneamente alto. Si se utiliza una fuerza excesiva, los picos de la superficie pueden penetrar más allá de la espuma en el soporte Mylar, causando resultados erróneamente bajos. Aunque los operadores experimentados pueden aprender a utilizar una cantidad de fuerza constante y correcta, el proceso de bruñido sigue siendo difícil e incoherente para los inspectores nuevos y existentes.
Para ofrecer una mayor precisión a los usuarios de todos los niveles de experiencia, se creó una herramienta de bruñido de precisión, que se muestra en la Figura 5. Consiste en una carcasa exterior de plástico que contiene una bola accionada por un muelle. Consta de una carcasa exterior de plástico que contiene una bola accionada por resorte. El muelle está calibrado para aplicar una fuerza conocida y constante sobre la bola cuando se presiona la herramienta contra la superficie.
Al igual que en el método actual, la herramienta se coloca sobre la cinta de réplica, como se muestra en la figura 6, y se mueve siguiendo un patrón alterno hasta que la espuma de réplica esté totalmente comprimida, como demuestra el aspecto uniforme de "grano de guijarro". Una vez bruñida, la cinta de réplica no debe presentar rayas ni marcas.
Independientemente de la fuerza aplicada por el operario, la bola de bruñido de acero aplica una cantidad de fuerza constante, eliminando los riesgos de comprimir en exceso la cinta de réplica y de clavar los picos del perfil de la superficie en el material de soporte. Mientras se bruñe toda el área de la cinta de réplica y la cara inferior de la herramienta está en contacto con la cinta de réplica durante el bruñido, también se elimina el riesgo de subbruñido.
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El objetivo de este estudio es determinar la precisión del método de la cinta de réplica, aumentado por una herramienta de bruñido con fuerza de precisión y un factor de linealización/corrección, en la medición de Rt (altura del perfil pico-valle) utilizando un método de referencia trazable (el perfilómetro de aguja de arrastre).
Para garantizar que el estudio se completara con muestras de prueba chorreadas en condiciones de campo realistas, se encargó a una fuente comercial un conjunto de 38 paneles de acero de 3" x 5" para obtener paneles normalizados. Cuatro conjuntos de ocho paneles se granallaron con granalla, arena de acero, escoria de carbón y granate, y seis paneles se granallaron con óxido de aluminio. Cada conjunto de paneles se granalló con una gama de abrasivos, en un esfuerzo por generar una gama de perfiles de granallado. También se granallaron dos paneles de aluminio y dos paneles de acero con abrasivo de superoxaleación a baja presión utilizando una instalación de granallado de grado aficionado, en un esfuerzo por crear perfiles finos adecuados para probar la gama baja de la cinta de réplica de grado grueso, por debajo de la gama utilizada normalmente para aplicaciones industriales. A su llegada al laboratorio, se realizó una evaluación preliminar de cada panel utilizando ocho mediciones de Rt con el perfilómetro de aguja (Mitutoyo SJ-201 S/N 801624) de acuerdo con el método D de ASTM D4417.
Basándose en la evaluación preliminar, se seleccionaron para el estudio 22 paneles que representaban una gama de valores de Rt y tipos de abrasivo y se designaron con una letra. A continuación, se midió el Rt en cada panel 12 veces más utilizando el perfilómetro de palpador para aumentar la confianza estadística en las mediciones del Rt:
Para realizar las pruebas, se reclutaron 17 sujetos de prueba entre los colegas del autor. Se procuró que representaran un abanico de características demográficas y de experiencia en el uso de cintas de réplica. Varios participantes nunca habían utilizado réplicas de cinta antes de este estudio:
El estudio se dividió en dos partes, para reducir el tiempo de dedicación de los operarios a la vez. En la primera parte del estudio se midieron 15 paneles con cinta X-Coarse. En la segunda parte del estudio, se midieron 6 paneles con cinta réplica Coarse y 6 paneles con cinta réplica X-Coarse Plus. (En algunos paneles se utilizaron varios tipos de cinta). Las pruebas se centraron en la cinta X-Coarse porque es la más popular y ofrece una gama capaz de medir los perfiles granallados más comunes.
Se instaló una estación, ilustrada en la figura 7, con todos los materiales necesarios para las pruebas, incluidos los paneles de prueba, la cinta réplica del grado deseado, las herramientas de bruñido, el micrómetro, el ordenador portátil (para ver el vídeo de instrucciones y registrar los resultados), papel encerado (para guardar los trozos bruñidos de la cinta réplica) y papel (para limpiar los yunques del micrómetro, según fuera necesario).
En aras de la coherencia, el autor de este estudio grabó un vídeo instructivo de 11 minutos de duración:
Las pruebas se realizaron de acuerdo con el método C de la norma ASTM D4417, excepto la linealización y la herramienta de bruñido modificada mencionadas anteriormente. Cada participante debía bruñir la réplica de cinta hasta obtener un patrón gris uniforme, sin manchas blancas ni marcas de bruñido. Se proporcionaron muestras de cinta bruñida para mostrar ejemplos de réplicas de cinta bruñida correcta e incorrectamente. Se bruñeron dos trozos de cinta réplica en una región identificada del panel y se midieron con el micrómetro. Posteriormente, el autor promedió estas mediciones durante la fase de procesamiento de datos, de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Según las instrucciones del fabricante, si dos lecturas diferían en más de 5 micras (0,2 mils), se tomaba una tercera medición y se promediaba con la más similar de las dos mediciones originales.
En total, se bruñeron 510 trozos de cinta de réplica, para un total de 255 mediciones. Las mediciones de la parte del estudio correspondiente a la cinta de réplica X-Coarse se resumen en la figura 8. La banda amarilla representa el intervalo de confianza del 95% para las mediciones lineales. La banda amarilla representa el intervalo de confianza del 95% para las mediciones linealizadas, y las mediciones de cada operador se indican con un color específico.
La desviación estándar y el error estándar (frente al Rt medido) proporcionan una medida de la repetibilidad entre operadores para un panel dado, y el sesgo de medición global para cada panel, respectivamente.
Estos resultados indican una precisión media, definida como el doble de la desviación típica media, de ±5,6 µm (0,22 mils). Es una representación de la similitud de los resultados entre los operadores, y también se denomina "reproducibilidad".
El error de medición estándar fue de ±4,0 µm (0,16 mils), lo que representa la proximidad de los resultados a las mediciones trazables del palpador de arrastre. Por tanto, el intervalo de confianza del 95% fue de ±8,0 µm (0,32 mils), lo que suele considerarse la precisión del método de ensayo. Cabe destacar que cada una de las 255 mediciones estaba dentro del intervalo de ±8 µm (0,32 mils).
Para la parte del estudio correspondiente al grado grueso, se bruñeron 177 trozos de cinta de réplica, con un total de 89 mediciones. Las mediciones se resumen en la figura 9. La banda amarilla representa el intervalo de confianza del 95% para las mediciones linealizadas, y las mediciones de cada operador se indican con un color específico.
La desviación estándar y el error estándar (frente al Rt medido) proporcionan una medida de la repetibilidad entre operadores para un panel dado, y el sesgo de medición global para cada panel, respectivamente.
Estos resultados indican una precisión media, definida como el doble de la desviación típica media, de ±1,9 µm (0,07 mils). Es una representación de la similitud de los resultados entre los operadores, y también se denomina "reproducibilidad".
El error de medición estándar fue de ±3,7 µm (0,14 mils), lo que representa la proximidad de los resultados a las mediciones trazables del palpador de arrastre. Por tanto, el intervalo de confianza del 95% fue de ±8 µm (0,32 mils), lo que suele considerarse la precisión del método de ensayo. Cabe destacar que cada una de las 89 mediciones estaba dentro del intervalo de ±8 µm (0,32 mils).
Para la parte del estudio correspondiente al grado X-Coarse Plus, se bruñeron 210 trozos de cinta de réplica, con un total de 105 mediciones. Las mediciones se resumen en la figura 10. La banda amarilla representa el intervalo de confianza del 95% para las mediciones linealizadas, y las mediciones de cada operador se indican con un color específico.
El panel W se incluyó en esta fase del estudio a pesar de tener un Rt de 189µm (7,4 mils), que supera el rango máximo de 150µm (6,0 mils) de la cinta réplica X-Coarse Plus. A pesar de los considerables esfuerzos realizados, fue difícil conseguir paneles con un Rt en el rango de 6,0-7,0, y se decidió evaluar el panel W, que tenía el siguiente perfil más alto. Dado que el panel W estaba muy lejos del rango de la cinta de réplica X-Coarse Plus, las mediciones no se incluyeron en las cifras globales de precisión o exactitud. Los resultados del panel W indican que el alcance máximo de la cinta réplica X-Coarse Plus es probablemente superior a 150µm (6,0 mils), pero es necesario realizar más estudios con paneles en ese rango para determinar el alcance máximo exacto.
La desviación estándar y el error estándar (frente al Rt medido) proporcionan una medida de la repetibilidad entre operadores para un panel dado, y el sesgo de medición global para cada panel, respectivamente.
Estos resultados indican una precisión media, definida como el doble de la desviación típica media, de ±7,8 µm (0,30 mils). Es una representación de la similitud de los resultados entre los operadores, y también se denomina "reproducibilidad".
El error de medición estándar fue de ±4,9 µm (0,19 mils), lo que representa la proximidad de los resultados a las mediciones trazables del palpador de arrastre. Por tanto, el intervalo de confianza del 95% fue de ±10 µm (0,38 mils), lo que suele considerarse la precisión del método de ensayo. 100 de las 105 mediciones estaban dentro del intervalo de ±10 µm (0,38 mils).
En este estudio se evaluaron ligeras actualizaciones del método de la Cinta Réplica para medir el perfil de la superficie, a saber, el uso de una herramienta de bruñido actualizada y un método de linealización para corregir los resultados de las mediciones. Estas dos actualizaciones parecieron mejorar la exactitud y precisión del método de ensayo, a pesar de contar con una lista de operarios mucho menos experimentados que en estudios anteriores.
Los resultados de este estudio son similares, pero se comparan favorablemente, con los resultados de las pruebas anteriores de ASTM ILS realizadas por el comité D01.46. La hipótesis es que la herramienta de bruñido revisada compensó con creces la relativa inexperiencia de los operarios (no hubo diferencias estadísticamente significativas entre los resultados obtenidos por operarios nuevos y experimentados), reduciendo la variabilidad general. También se supone que el proceso de linealización mejoró la repetibilidad y la precisión en los extremos superior y superior del intervalo de la cinta de réplica.
Sobre la base de este estudio, se sugieren las siguientes afirmaciones de exactitud y precisión:
El autor desea agradecer la ayuda de KTA-Tator en la preparación de los paneles de ensayo utilizados para este estudio.