Mesure d'épaisseur par ultrasons de revêtements durcis aux UV sur substrats rigides

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Les instruments portatifs permettent désormais de mesurer l'épaisseur de revêtement par ultrasons, rendant les essais non destructifs accessibles aux industries qui utilisent la technologie de polymérisation UV/EB. Cet article décrit le principe de fonctionnement et les avantages des essais par ultrasons.

Les jauges d'épaisseur de revêtement utilisant des techniques de mesure par ultrasons gagnent en popularité dans les secteurs travaillant avec des substrats rigides, tels que le bois, le plastique et les composites. Ces instruments complètent ou remplacent les méthodes destructives pour mesurer l'épaisseur des revêtements polymérisés aux UV/EB supérieure à 15 microns (0,5 mil) dans diverses industries, notamment l'automobile, l'aérospatiale, la fabrication de produits en bois et la finition industrielle.

Les revêtements remplissent de nombreuses fonctions. Certains sont conçus pour résister aux rayures, à l'abrasion, à l'humidité et à d'autres agents chimiques. D'autres restaurent, protègent, imperméabilisent et embellissent les structures. D'autres encore sont spécifiquement formulés pour sceller et combler les pores tout en offrant une texture de surface esthétique.

Pourquoi mesurer l'épaisseur ?

Les revêtements sont conçus pour remplir au mieux leur fonction prévue lorsqu'ils sont appliqués dans une plage de tolérance d'épaisseur stricte, telle que spécifiée par le fabricant. Cela garantit des performances optimales du produit. Exemples de situations où la mesure de l'épaisseur revêt une importance capitale :

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• Les vernis de conversion sont plus durs que les autres revêtements et ne doivent pas dépasser cinq mils d'épaisseur de feuil sec afin d'éviter le fendillement ou d'autres défauts de finition.
• La laque nitrocellulosique doit généralement être maintenue sous la barre des trois mils.
• Les apprêts durcissables aux UV sur plastique doivent présenter une épaisseur comprise entre un et six mils avant le ponçage.
• Une épaisseur de feuil constante est primordiale lors de l'application des couches de base de laque.
• Les contraintes deviennent problématiques dans les adhésifs durcis aux UV appliqués en couche trop épaisse, car le durcissement est si rapide que ni l'adhésif ni la surface ne peuvent s'équilibrer assez rapidement pour empêcher l'apparition de contraintes.
• Sur les panneaux de fibres à densité moyenne (MDF), l'épaisseur du thermolaquage se situe généralement entre trois et neuf mils. En règle générale, plus l'épaisseur en mils est importante, plus la finition est durable. Les spécifications d'usine exigent souvent une tolérance déclarée de ±1 mil. Ce niveau de qualité ne peut être déterminé par un simple examen visuel.

La mesure précise de l'épaisseur du feuil présente d'autres avantages, qu'il s'agisse de satisfaire aux exigences des normes ISO, de qualité et de la clientèle en matière de maîtrise des processus, ou de maîtriser les coûts. Lorsque les entreprises omettent de contrôler et de vérifier la qualité du revêtement des matériaux entrants, elles gaspillent de l'argent en retravaillant le produit. En contrôlant leur équipement d'application, elles s'assurent que le revêtement est appliqué conformément aux recommandations du fabricant. De plus, l'application d'une épaisseur de film excessive risque d'entraîner un durcissement incomplet et peut réduire considérablement l'efficacité globale. Enfin, des contrôles réguliers peuvent réduire le nombre de retoutes internes et de retours clients imputables à des défauts de finition.

Quelle est la meilleure méthode de test ?

Sur métal, le mesurage de l'épaisseur des revêtements est une pratique courante à des fins de contrôle qualité et d'inspection. Lorsque le métal de base est de l'acier au carbone, une méthode magnétique est employée. Des appareils à courants de Foucault sont utilisés pour les autres métaux, tels que le cuivre et l'aluminium. Parmi ces instruments portatifs, de nombreux modèles sont proposés. Certains intègrent la sonde pour faciliter le mesurage à une main de grandes surfaces. D'autres sont dotés d'une petite sonde placée à l'extrémité d'un câble court, permettant à l'opérateur de mesurer des pièces de petites dimensions ou des zones difficiles d'accès. De nombreux instruments disposent de fonctions optionnelles destinées à simplifier le mesurage, telles que le calcul de la moyenne mobile et une mémoire pour transférer les mesures enregistrées vers une imprimante ou un ordinateur.

Malgré leur popularité, les instruments magnétiques et à courants de Foucault ne peuvent pas mesurer l'épaisseur des finitions sur des substrats non métalliques. Par conséquent, les industries ont eu recours à d'autres techniques de mesure d'épaisseur, notamment :

• La coupe transversale optique (découpe de la pièce revêtue et observation de la coupe au microscope).
• La mesure de hauteur (mesure avant et après application à l'aide d'un micromètre).
• La méthode gravimétrique (mesure de la masse et de la surface du revêtement pour calculer l'épaisseur).
• L'immersion d'une jauge d'épaisseur de feuil humide dans le revêtement non durci.
• Substitution (placement d'un coupon en acier à côté de la pièce et revêtement simultané de celui-ci).

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Ces essais sont longs, difficiles à exécuter et sujets à l'interprétation de l'opérateur ainsi qu'à d'autres erreurs de mesure. Les applicateurs jugent les méthodes destructives peu pratiques. Pour obtenir un échantillon statistiquement représentatif, plusieurs produits d'un lot peuvent devoir être mis au rebut dans le cadre du processus d'essai destructif. La méthode gravimétrique fournit l'épaisseur de feuil moyenne sur la pièce, mais ne donne pas le profil d'épaisseur du feuil sur des zones spécifiques.

Avec l'avènement des instruments ultrasonores, de nombreux finisseurs ont opté pour le contrôle non destructif des revêtements épais durcis par rayonnement UV/EB.

Percée technologique des ultrasons

Les professionnels de la qualité connaissent déjà divers aspects des essais par ultrasons, dans lesquels de l'énergie acoustique à haute fréquence est utilisée pour effectuer des examens et des mesures. Les essais par ultrasons permettent de détecter et d'évaluer les défauts dans le métal, de mesurer des dimensions, de déterminer la caractérisation des matériaux et bien plus encore.

La mesure d'épaisseur de paroi est sans doute l'essai ultrasonore le plus courant et le plus simple. Les jauges d'épaisseur de paroi ultrasonores de haute précision permettent de mesurer rapidement l'épaisseur d'objets sans nécessiter d'accès aux deux côtés. Toutefois, ces jauges ne sont pas idéales pour la mesure de revêtements. Elles ne possèdent pas une sensibilité suffisante pour mesurer l'épaisseur des mastics acryliques, des apprêts d'usine, des laques, des finitions UV, des revêtements en poudre et d'autres matériaux appliqués sur des substrats non métalliques.

Le premier instrument portatif conçu spécifiquement pour la mesure d'épaisseur de revêtement est apparu sur le marché il y a 14 ans et en est aujourd'hui à sa quatrième génération. Il utilise un transducteur à élément unique et des techniques numériques avancées pour filtrer et accentuer les échos numérisés. Les jauges d'épaisseur de revêtement ultrasonores portatives d'aujourd'hui sont simples à utiliser, abordables et fiables (Figure 3).

Une technique de mesure acoustique

Les essais par ultrasons fonctionnent en envoyant une vibration ultrasonore dans un revêtement à l'aide d'une sonde (transducteur) à l'aide d'un agent de couplage appliqué sur la surface.

La vibration se propage à travers le revêtement jusqu'à rencontrer un matériau aux propriétés mécaniques différentes, généralement le substrat ou éventuellement une autre couche de revêtement. Partiellement réfléchie à cette interface, la vibration retourne vers le transducteur. Pendant ce temps, une partie de la vibration transmise continue de se propager au-delà de cette interface et subit d'autres réflexions aux différentes interfaces de matériaux qu'elle rencontre (Figure 4).

En raison du grand nombre d'échos potentiels pouvant se produire, la jauge est conçue pour sélectionner l'écho maximal ou « le plus fort » afin de calculer la mesure d'épaisseur. Les instruments qui mesurent des couches individuelles dans une application multicouche privilégient également les échos les plus forts. L'utilisateur indique simplement le nombre de couches à mesurer, par exemple trois, et la jauge mesure les trois échos les plus forts. La jauge ignore les échos plus faibles provenant des imperfections du revêtement et des couches du substrat.

Précision de mesure

La précision de toute mesure par ultrasons correspond directement à la vitesse du son du revêtement mesuré. Les instruments à ultrasons mesurant le temps de transit d'une impulsion ultrasonore, ils doivent être étalonnés pour la « vitesse du son » dans ce matériau particulier.

D'un point de vue pratique, les valeurs de vitesse du son ne varient pas considérablement d'un matériau de revêtement UV/EB à l'autre. Par conséquent, les jauges d'épaisseur de revêtement ultrasonores ne nécessitent généralement aucun réglage des paramètres d'étalonnage en usine.

La mesure d'épaisseur de revêtement par ultrasons est désormais une méthode de contrôle reconnue et fiable pour les revêtements durcis par UV/EB. Pour vérifier l'étalonnage de la jauge, des étalons d'épaisseur revêtus d'époxy sont disponibles avec une certification traçable aux organismes nationaux de normalisation.

Là où le revêtement rencontre le substrat

Un facteur qui influence l'exactitude et la répétabilité du mesurage par ultrasons est la manière dont ces revêtements s'interfacent avec le substrat. Les produits en bois, par exemple, peuvent présenter des surfaces tant lisses que rugueuses sur lesquelles tester l'épaisseur du revêtement. La Figure 5 illustre un exemple de bois revêtu. Cette photo, prise à une résolution supérieure à celle dont sont capables la plupart des essais destructifs sur le terrain, montre la limite entre la finition et le bois. Le revêtement de finition peut paraître lisse en surface, mais son épaisseur peut être irrégulière. Les substrats en bois présentent souvent un aspect fibreux avec divers degrés de rugosité de surface et de pénétration de l'apprêt. Cette porosité et cette rugosité peuvent favoriser l'adhésion, mais elles augmentent la difficulté d'obtenir des mesurages d'épaisseur répétables par quelque moyen que ce soit.

Les jauges à ultrasons sont conçues pour faire la moyenne de petites irrégularités afin de produire un résultat significatif. Sur des surfaces particulièrement rugueuses ou des substrats où les lectures individuelles peuvent sembler manquer de répétabilité, la comparaison d'une série de résultats moyennés offre souvent une répétabilité acceptable.

Un dernier écho

Une méthode d'essai standard pour cette technologie est décrite dans la norme ASTM D6132-04 « Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Applied Organic Coatings Using an Ultrasonic Gage » (2004, ASTM). Dans le cadre d'une récente initiative visant à actualiser cette norme, huit entreprises ont mené une étude comparative (round-robin) au cours de laquelle divers panneaux de bois revêtus ont été mesurés par ultrasons. Les panneaux comprenaient des revêtements durcis aux UV sur du caryer et de l'érable. Les résultats, qui seront publiés plus tard cette année, démontrent une bonne répétabilité et reproductibilité avec de faibles écarts-types.

Des mesures d'épaisseur rapides et non destructives peuvent désormais être réalisées sur des matériaux qui nécessitaient auparavant des essais destructifs, des analyses en laboratoire ou des équipements non destructifs onéreux. Cette nouvelle technologie améliore la régularité et le débit dans la salle de finition. Les réductions de coûts potentielles comprennent :

• La minimisation des pertes dues au surrevêtement grâce au contrôle de l'épaisseur du revêtement appliqué.
• La minimisation des reprises et des réparations par un retour d'information direct à l'opérateur et une maîtrise accrue des processus.
• L'élimination de la nécessité de détruire ou de réparer des objets en effectuant des mesurages destructifs de l'épaisseur de revêtement.
  

Aujourd'hui, ces instruments sont simples à utiliser, abordables et fiables.

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DAVID BEAMISH (1955 – 2019), ancien président de DeFelsko Corporation, un fabricant basé à New York d'instruments de contrôle de revêtement portatifs vendus dans le monde entier. Diplômé en génie civil, il possédait plus de 25 ans d'expérience dans la conception, la fabrication et la commercialisation de ces instruments de contrôle pour diverses industries internationales, notamment la peinture industrielle, le contrôle de la qualité et la fabrication. Il a animé des séminaires de formation et a été un membre actif de diverses organisations, notamment la NACE, la SSPC, l'ASTM et l'ISO.