La méthode des répliques de ruban est une méthode fiable utilisée par les inspecteurs du monde entier depuis des décennies pour mesurer la hauteur des profils de surface. Des études antérieures ont montré que la méthode était très précise et exacte, mais une technique de brunissage complexe et l'obligation de faire la moyenne de deux qualités différentes de ruban de réplique dans certaines plages de mesure ont rendu la méthode difficile pour certains utilisateurs. Cet article détaille deux changements proposés pour la méthode : un outil de brunissage mis à jour et une échelle de mesure linéarisée pour éliminer la nécessité de faire une moyenne. Une étude a été menée pour déterminer l'exactitude et la précision de cette méthode actualisée, avec des mesures effectuées par 15 utilisateurs d'expérience variée sur une gamme de panneaux d'essai grenaillés avec différents supports et hauteurs de profil.
Mots clés : Inspection, inspection des revêtements, bande Testex, bande réplique, brunissage, profil de surface, rugosité de surface, ASTM D4417, NACE SP0287, ISO 8503-5
Avant d'appliquer un revêtement protecteur industriel, le substrat est préparé par sablage abrasif ou mécanique. Le sablage élimine la calamine et la corrosion du substrat, tout en augmentant la surface et en atténuant l'effet de la force pure grâce à la création d'un schéma complexe de pics et de vallées1.
Ces pics et vallées supplémentaires, connus sous le nom de profil de surface, varient en fonction de facteurs tels que la taille, la forme et la composition de l'abrasif, la pression de sablage, la taille de l'orifice de la buse de sablage et la position de la buse de sablage par rapport à la surface.
S'assurer qu'un profil de surface suffisant a été créé est une exigence commune de contrôle de la qualité depuis des décennies. Historiquement, les panneaux présentant un profil de surface souhaitable étaient créés au début d'un travail et utilisés par les inspecteurs comme point de référence pour les comparaisons tactiles et visuelles. Des panneaux de comparaison préparés dans le commerce ont ensuite été introduits, présentant une gamme d'échantillons de profils de surface normalisés à des fins de comparaison. Bien que les comparateurs commerciaux aient représenté une amélioration significative par rapport aux méthodes précédentes, il s'agissait d'une méthode qualitative, reposant sur le jugement de l'inspecteur pour prendre une décision.
Dans les années 1970, une autre méthode de mesure du profil de la surface a été introduite : Testex Replica Tape. La bande réplique se compose d'une mousse compressible collée sur un substrat en mylar incompressible, lui-même collé sur une étiquette adhésive percée d'un trou permettant d'accéder à la mousse/mylar. Le ruban de réplique est collé sur la surface sablée et un outil portatif muni d'une bille sphérique à l'une de ses extrémités est pressé contre la face en mylar de la mousse/mylar, poussant la mousse dans la surface et créant ainsi une réplique négative. Le ruban de la réplique est ensuite retiré de la surface et la hauteur de la mousse/mylar est mesurée. En soustrayant l'épaisseur du substrat en mylar, la hauteur de la réplique en mousse peut être déterminée, ce qui permet d'établir la hauteur du profil de surface entre le sommet et la vallée.
Le procédé de la bande réplique a fourni une méthode quantitative, rapide et peu coûteuse, qui pouvait être utilisée sur le terrain. Elle a rapidement gagné en popularité et, 50 ans plus tard, elle reste l'une des méthodes de mesure des profils de surface les plus populaires.
Il existe trois "qualités" de bandes répliques couramment utilisées dans l'industrie des revêtements de protection : Coarse, pour les profils entre 20 - 50 µm (0,8 - 2 mils), X-Coarse pour les profils entre 40 - 115 µm (1,5 - 4,5 mils), et X-Coarse Plus, pour les profils entre 70 - 150 µm (4 - 6 mils).
Les tentatives de détermination de l'exactitude et de la précision de la bande réplique remontent à 1987, lorsqu'un groupe d'experts a été réuni par la National Association of Corrosion Engineers (ultérieurement NACE International, ultérieurement AMPP)2. L'étude de 1987 a comparé les mesures effectuées sur 14 panneaux par 7 opérateurs à l'aide d'un microscope focalisé sur les pics et les creux du profil de la surface. Les mesures effectuées à l'aide de la réplique du ruban et celles effectuées à l'aide d'un microscope focalisé ont concordé dans leurs limites de confiance de 95 % (deux écarts-types) dans 11 cas sur 14. La différence moyenne entre les deux types de techniques de mesure était de 4,5 μm (0,18 mils). L'écart-type moyen des mesures effectuées par les opérateurs était de 5,4 μm (0,21 mils), pour un intervalle de confiance à 95 % de ±10,8 μm (0,42 mils).
En 2012, le sous-comité ASTM D01.46 a réalisé une étude de suivi à la ronde, dans le but d'établir la répétabilité et la précision des répliques de ruban utilisées conformément à la norme ASTM D44173. Cinq panneaux ont été mesurés par trois opérateurs dans onze laboratoires, pour un total de 33 mesures de réplique de ruban par panneau. La répétabilité (intervalle de confiance à 95 %) des mesures était comprise entre ±5 et 10 μm (0,2-0,4 mils) en fonction du panneau.
La détermination de la précision est un défi, car il n'existe pas de norme traçable pour la mesure des profils de surface. De par leur nature même, les profils de grenaillage sont aléatoires, ce qui rend toute tentative de générer une norme traçable irréalisable. Le sous-comité D01.46 a donc décidé d'utiliser la méthode D4417, le stylet de traînée, comme méthode de référence. Le profilomètre à tige traînante est une méthode standard de l'industrie pour mesurer la morphologie des surfaces et, plus important encore, il est traçable et peut être étalonné à l'aide d'étalons de référence. Ces instruments sont très précis, étant généralement spécifiés à des précisions inférieures à 1 μm (0,04 mils).
Le profilomètre à stylet traînant utilise un stylet à pointe fine qui pénètre dans le profil de la surface. En faisant glisser ce stylet sur la surface et en enregistrant les données de mesure, une trace 2D du profil de la surface peut être capturée. Diverses fonctions mathématiques peuvent être exécutées sur ce tracé 2D pour obtenir un nombre associé à la morphologie du profil ; la méthode D de l'ASTM D4417 spécifie Rt, la distance entre le pic le plus élevé et la vallée la plus basse sur une longueur d'évaluation de 12,5 mm (1/2"), comme paramètre approprié.
En raison de la nature aléatoire des profils grenaillés, la précision de cette méthode est faible, car le profil rencontré le long d'une ligne fine est une représentation limitée de la surface globale. Toutefois, cette précision peut être améliorée en faisant la moyenne de plusieurs mesures.
En utilisant cette méthode de "précision relative", la précision de la méthode du ruban réplique a été déterminée comme étant d'environ ±8 μm (0,3 mils).
En 2023, cet auteur a tenté de reproduire les résultats de l'étude de 2012. Si les utilisateurs très expérimentés de bandes répliques ont pu reproduire les résultats dans une mesure raisonnable, les utilisateurs inexpérimentés ont eu beaucoup de mal à le faire.
On sait depuis longtemps que le ruban réplique réagit de manière non linéaire dans la partie inférieure de sa plage - lorsque la mousse est entièrement comprimée - et dans la partie supérieure de sa plage - lorsque les hauteurs maximales sont supérieures à l'épaisseur de la mousse.
Lorsque la réponse du ruban devient de plus en plus non linéaire, les mesures deviennent de plus en plus imprécises. Testex y remédie en fixant des limites prudentes à la plage utile du ruban. Pour le "X-Coarse", cette plage est comprise entre 63 et 115 um (2,5 et 4,5 mils). Pour "Coarse", la plage est de 20 à 38 um (0,8 à 1,5 mils). De petites imprécisions apparaissent à l'extrémité supérieure (115 um, ou 4,5 mils) de "X-Coarse" et à l'extrémité inférieure (20 um, ou 0,8 mils) de "Coarse". Dans la zone de chevauchement entre les deux qualités, il faut appliquer une procédure de calcul de la moyenne peu pratique, qui consiste à prendre des mesures avec les rubans "Coarse" et "X-Coarse" et à en calculer la moyenne.
Cette procédure de calcul de la moyenne utilise des matériaux et des pratiques qui font déjà partie de l'appareil, mais elle réduit l'exactitude et la précision, comme le montre le tour de table de l'ASTM. Elle est également peu pratique et déroutante pour certains inspecteurs, ce qui accroît le risque d'erreur de mesure.
Les expériences menées par le fabricant, sur la base d'une analyse des données du tournoi à la ronde de l'ASTM et d'une étude ultérieure, ont montré que l'erreur de linéarité du ruban réplique était fortement corrélée au profil de la surface mesurée. Par exemple, un panneau dont le Rt mesuré est de 50 μm (2,4 mils) donnera systématiquement une mesure de 64 μm (2,6 mils) lorsqu'il est mesuré à l'aide d'un ruban réplique. En prenant un nombre significatif de mesures sur une large gamme de profils grenaillés, cette erreur de linéarité pourrait être quantifiée sur toute la gamme de mesure du ruban réplique, produisant un facteur de correction qui pourrait être appliqué aux lectures pour améliorer la précision, et éliminer le besoin d'une procédure de moyenne encombrante.
La méthode de la bande réplique implique l'utilisation d'un outil de brunissage pour presser le mylar/la mousse dans le profil sablé. L'outil de brunissage est un outil simple et peu coûteux qui permet d'appliquer une pression, mais il nécessite une technique correcte de la part de l'opérateur pour brunir correctement la bande de réplique. Si la force exercée n'est pas suffisante, des zones de mousse non comprimées subsistent et le résultat mesuré est faussement élevé. Si une force excessive est utilisée, les pics de la surface peuvent pénétrer au-delà de la mousse dans le support Mylar, ce qui entraîne des résultats faussement bas. Alors que les opérateurs expérimentés peuvent apprendre à utiliser une force cohérente et correcte, le processus de brunissage reste difficile et incohérent pour les nouveaux inspecteurs et ceux qui sont déjà en poste.
Afin d'offrir une plus grande précision aux utilisateurs de tous niveaux, un outil de brunissage de précision a été créé ; il est illustré à la figure 5. Il se compose d'un boîtier extérieur en plastique contenant une bille à ressort. Le ressort est calibré pour appliquer une force connue et constante sur la bille lorsque l'outil est pressé contre la surface.
Comme pour la méthode existante, l'outil est placé sur le ruban de la réplique comme indiqué dans la figure 6, et est déplacé en alternance jusqu'à ce que la mousse de la réplique soit complètement comprimée, comme le montre l'aspect uniforme du "grain de caillou". Une fois brunie, la bande de la réplique ne doit pas présenter de traces ou de marques.
Quelle que soit la force appliquée par l'opérateur, la bille de brunissage en acier applique une force constante, ce qui élimine les risques de surcompression de la bande de réplique et d'enfoncement des crêtes du profil de surface dans le matériau de support. Le risque de sous-brûlage est également éliminé tant que toute la surface de la bande réplique est brunie et que la face inférieure de l'outil est en contact avec la bande réplique pendant le brunissage.
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L'objectif de cette étude est de déterminer la précision de la méthode Replica Tape, augmentée d'un outil de brunissage à force de précision et d'un facteur de linéarisation/correction, pour mesurer Rt (hauteur du profil de crête à vallée) à l'aide d'une méthode de référence traçable (le profilomètre à stylet de traînée).
Pour s'assurer que l'étude a été réalisée avec des échantillons testés dans des conditions de terrain réalistes, un ensemble de 38 panneaux d'acier de 3" x 5" a été commandé auprès d'une source commerciale pour obtenir des panneaux standardisés. Quatre ensembles de huit panneaux ont été grenaillés avec de la grenaille, de la grenaille d'acier, du laitier de charbon et du grenat, et six panneaux ont été grenaillés avec de l'oxyde d'aluminium. Chaque série de panneaux a été grenaillée avec une gamme d'abrasifs, dans le but de générer une gamme de profils de grenaillage. Deux panneaux d'aluminium et deux panneaux d'acier ont également été grenaillés à l'aide d'un abrasif superoxalloy à une pression plus faible, en utilisant une installation de grenaillage de qualité amateur, dans le but de créer des profils fins adaptés au test de la gamme inférieure du ruban réplique de qualité grossière, en dessous de la gamme typiquement utilisée pour les applications industrielles. À l'arrivée au laboratoire, une évaluation préliminaire de chaque panneau a été effectuée à l'aide de huit mesures de Rt avec le profilomètre à stylet (Mitutoyo SJ-201 S/N 801624) conformément à la méthode D de l'ASTM D4417.
Sur la base de l'évaluation préliminaire, 22 panneaux représentant une gamme de valeurs Rt et de types d'abrasifs ont été sélectionnés pour l'étude et désignés par une lettre. Le Rt a ensuite été mesuré sur chaque panneau 12 fois supplémentaires à l'aide du profilomètre à stylet afin d'accroître la confiance statistique dans les mesures du Rt :
Pour effectuer les tests, 17 sujets ont été recrutés parmi les collègues de l'auteur. On s'est efforcé de représenter un éventail de données démographiques et d'expériences de l'utilisation de la bande réplique. Plusieurs participants n'avaient jamais utilisé de réplique de ruban adhésif avant cette étude :
L'étude a été divisée en deux parties, afin de réduire la durée pendant laquelle les opérateurs ont participé à l'étude. 15 panneaux ont été mesurés avec le ruban X-Coarse dans la première partie de l'étude. Dans la seconde partie de l'étude, 6 panneaux ont été mesurés avec le ruban réplique Coarse et 6 panneaux ont été mesurés avec le ruban réplique X-Coarse Plus. (Certains panneaux ont été utilisés pour plusieurs qualités de ruban). Le ruban X-Coarse a fait l'objet de l'essai parce qu'il s'agit de la qualité la plus populaire, avec une gamme capable de mesurer les profils grenaillés les plus courants.
Une station, illustrée à la figure 7, a été équipée de tout le matériel nécessaire aux essais, y compris les panneaux d'essai, les répliques de ruban de la qualité souhaitée, les outils de brunissage, un micromètre, un ordinateur portable (pour visionner la vidéo d'instruction et enregistrer les résultats), du papier ciré (pour conserver les morceaux de répliques de ruban brunies) et du papier (pour nettoyer les enclumes de micromètre, le cas échéant).
Pour des raisons de cohérence, une vidéo pédagogique de 11 minutes a été enregistrée par l'auteur de cette étude :
Les tests ont été réalisés conformément à la méthode C de l'ASTM D4417, à l'exception de la linéarisation et de l'outil de polissage modifié mentionnés précédemment. Il a été demandé à chaque participant de brunir la réplique du ruban jusqu'à l'obtention d'un motif gris cohérent, sans points blancs ni marques de brunissage. Des échantillons de bande brunie ont été fournis pour montrer des exemples de bandes correctement et incorrectement brunies. Deux morceaux de réplique ont été polis sur une zone identifiée du panneau et mesurés à l'aide d'un micromètre. Ces mesures ont ensuite été moyennées par l'auteur au cours de la phase de traitement des données, conformément aux instructions du fabricant. Selon les instructions du fabricant, si deux mesures diffèrent de plus de 5 microns (0,2 mils), une troisième mesure a été prise et la moyenne a été calculée à partir de la mesure la plus similaire des deux mesures initiales.
Au total, 510 morceaux de réplique ont été polis, pour un total de 255 mesures. Les mesures de la partie de l'étude portant sur les répliques de ruban X-Coarse sont résumées dans la figure 8 ci-dessous. La bande jaune représente l'intervalle de confiance à 95 % pour les mesures linéarisées, et les mesures de chaque opérateur sont indiquées par une couleur spécifique.
L'écart-type et l'erreur-type (par rapport au Rt mesuré) fournissent une mesure de la répétabilité entre les opérateurs pour un panneau donné, et le biais de mesure global pour chaque panneau, respectivement.
Ces résultats indiquent une précision moyenne, définie comme le double de l'écart-type moyen, de ±5,6 µm (0,22 mils). Il s'agit d'une représentation de la similitude des résultats entre les opérateurs, également appelée "reproductibilité".
L'erreur de mesure standard était de ±4,0 µm (0,16 mils), ce qui indique à quel point les résultats étaient proches des mesures traçables du stylet de traînée. L'intervalle de confiance à 95 % était donc de ±8,0 µm (0,32 mils), ce qui est généralement considéré comme la précision de la méthode d'essai. Il est à noter que chacune des 255 mesures se situait dans l'intervalle de ±8 µm (0,32 mils).
Pour la partie de l'étude concernant la qualité grossière, 177 morceaux de réplique ont été polis, pour un total de 89 mesures. Les mesures sont résumées dans la figure 9 ci-dessous. La bande jaune représente l'intervalle de confiance à 95 % pour les mesures linéarisées, et les mesures de chaque opérateur sont indiquées par une couleur spécifique.
L'écart-type et l'erreur-type (par rapport au Rt mesuré) fournissent une mesure de la répétabilité entre les opérateurs pour un panneau donné, et le biais de mesure global pour chaque panneau, respectivement.
Ces résultats indiquent une précision moyenne, définie comme le double de l'écart-type moyen, de ±1,9 µm (0,07 mils). Il s'agit d'une représentation de la similitude des résultats entre les opérateurs, également appelée "reproductibilité".
L'erreur de mesure standard était de ±3,7 µm (0,14 mils), ce qui indique à quel point les résultats étaient proches des mesures traçables du stylet de traînée. L'intervalle de confiance à 95 % était donc de ±8 µm (0,32 mils), ce qui est généralement considéré comme la précision de la méthode d'essai. Il est à noter que chacune des 89 mesures se situait dans l'intervalle de ±8 µm (0,32 mils).
Pour la partie de l'étude concernant le grade X-Coarse Plus, 210 morceaux de réplique de ruban ont été polis, pour un total de 105 mesures. Les mesures sont résumées dans la figure 10 ci-dessous. La bande jaune représente l'intervalle de confiance à 95 % pour les mesures linéarisées, et les mesures de chaque opérateur sont indiquées par une couleur spécifique.
Le panneau W a été inclus dans cette phase de l'étude malgré un Rt de 189µm (7,4 mils), qui dépasse la plage maximale de 150µm (6,0 mils) du ruban réplique X-Coarse Plus. Malgré des efforts considérables, il a été difficile de se procurer des panneaux ayant un Rt compris entre 6,0 et 7,0, et il a été décidé d'évaluer le panneau W, qui présentait le profil le plus élevé suivant. Comme le panneau W se situait bien en dehors de la plage du ruban réplique X-Coarse Plus, les mesures n'ont pas été incluses dans les chiffres globaux de précision ou d'exactitude. Les résultats du panneau W indiquent que la portée maximale de la réplique du ruban X-Coarse Plus est probablement supérieure à 150 µm (6,0 mils), mais des études supplémentaires sont nécessaires avec des panneaux de cette gamme pour déterminer la portée maximale exacte.
L'écart-type et l'erreur-type (par rapport au Rt mesuré) fournissent une mesure de la répétabilité entre les opérateurs pour un panneau donné, et le biais de mesure global pour chaque panneau, respectivement.
Ces résultats indiquent une précision moyenne, définie comme le double de l'écart-type moyen, de ±7,8 µm (0,30 mils). Il s'agit d'une représentation de la similitude des résultats entre les opérateurs, également appelée "reproductibilité".
L'erreur de mesure standard était de ±4,9 µm (0,19 mils), ce qui indique à quel point les résultats étaient proches des mesures traçables du stylet de traînée. L'intervalle de confiance à 95 % était donc de ±10 µm (0,38 mils), ce qui est généralement considéré comme la précision de la méthode d'essai. 100 des 105 mesures se situaient dans l'intervalle de ±10 µm (0,38 mils).
De légères mises à jour de la méthode Replica Tape pour mesurer le profil de la surface, à savoir l'utilisation d'un nouvel outil de brunissage et d'une méthode de linéarisation pour corriger les résultats des mesures, ont été évaluées dans le cadre de cette étude. Ces deux mises à jour ont semblé améliorer l'exactitude et la précision de la méthode d'essai, malgré un groupe d'opérateurs beaucoup moins expérimentés que dans les études précédentes.
Les résultats de cette étude sont similaires, mais se comparent favorablement aux résultats des tests ASTM ILS précédents effectués par le comité D01.46. On suppose que l'outil de brunissage révisé a plus que compensé l'inexpérience relative des opérateurs (il n'y avait pas de différence statistiquement significative entre les résultats obtenus par les nouveaux opérateurs et les opérateurs expérimentés), réduisant ainsi la variabilité globale. On suppose également que le processus de linéarisation a amélioré la répétabilité et la précision aux extrémités supérieure et inférieure de la plage de répliques.
Sur la base de cette étude, les affirmations suivantes en matière d'exactitude et de précision sont suggérées :
L'auteur tient à remercier KTA-Tator pour son aide dans la préparation des panneaux d'essai utilisés pour cette étude.