De Replica Tape methode is een vertrouwde methode die al tientallen jaren gebruikt wordt door inspecteurs wereldwijd om de hoogte van oppervlakteprofielen te meten. Eerdere studies hebben aangetoond dat de methode zeer nauwkeurig en accuraat is, maar een ingewikkelde polijsttechniek en de eis om het gemiddelde te nemen van twee verschillende kwaliteiten replica tape in sommige meetbereiken maakte de methode een uitdaging voor sommige gebruikers. In dit artikel worden twee voorgestelde veranderingen aan de methode beschreven: een vernieuwd polijstgereedschap en een lineaire meetschaal om de noodzaak voor middeling te elimineren. Er werd een onderzoek uitgevoerd om de nauwkeurigheid en precisie van deze bijgewerkte methode te bepalen, waarbij metingen werden uitgevoerd door 15 gebruikers met uiteenlopende ervaring op een reeks testpanelen die gestraald waren met verschillende media en profielhoogten.
Trefwoorden: Inspectie, coatinginspectie, Testex Tape, Replica Tape, polijsten, oppervlakteprofiel, oppervlakteruwheid, ASTM D4417, NACE SP0287, ISO 8503-5
Voorafgaand aan het aanbrengen van een industriële beschermende coating wordt het substraat voorbereid door middel van stralen of mechanisch stralen. Stralen verwijdert walshuid en corrosie van het substraat en zorgt tegelijkertijd voor extra oppervlakte en een vermindering van de kracht door het genereren van een complex patroon van pieken en dalen1.
Deze extra pieken en dalen, bekend als het oppervlakteprofiel, variëren op basis van factoren zoals de grootte van het straalmiddel, de vorm van het straalmiddel, de samenstelling van het straalmiddel, de straaldruk, de grootte van de opening van de straalpijp en de positie van de straalpijp ten opzichte van het oppervlak.
Ervoor zorgen dat een voldoende oppervlakteprofiel is gecreëerd, is al tientallen jaren een gebruikelijke vereiste voor kwaliteitscontrole. In het verleden werden panelen met een gewenst oppervlakteprofiel aan het begin van een opdracht gemaakt en door inspecteurs gebruikt als benchmark voor tactiele en visuele vergelijking. Vervolgens werden commercieel vervaardigde vergelijkingspanelen geïntroduceerd met een reeks gestandaardiseerde oppervlakteprofielen om te vergelijken. Hoewel de commerciële vergelijkingspanelen een aanzienlijke verbetering betekenden ten opzichte van eerdere methodes, waren ze een kwalitatieve methode die afhankelijk was van het oordeel van de inspecteur om een beslissing te nemen.
In de jaren 1970 werd een alternatieve methode voor het meten van oppervlakteprofiel geïntroduceerd: Testex Replica Tape. Replica tape bestaat uit een samendrukbaar schuim geplakt op een niet samendrukbaar mylar substraat, welke zelf geplakt is op een zelfklevend label met een gat om toegang te geven tot het schuim/mylar. De replicatape wordt op het gestraalde oppervlak geplakt en een handgereedschap met een bolvormige bal aan één uiteinde wordt tegen de mylar zijde van het schuim/mylar gedrukt, waardoor het schuim in het oppervlak wordt gedrukt en er uiteindelijk een negatieve replica ontstaat. De replicatape wordt vervolgens van het oppervlak verwijderd en de hoogte van het schuim/mylar wordt gemeten. Door de dikte van het mylar substraat af te trekken, kan de hoogte van de schuimreplica worden bepaald, waardoor de hoogte van het piek-tot-dal oppervlakteprofiel wordt vastgesteld.
Het replicatape proces zorgde voor een snelle, goedkope, kwantitatieve methode die in het veld gebruikt kon worden. Het werd snel populair en 50 jaar later is het nog steeds een van de populairste meetmethoden voor oppervlakteprofielen.
Er zijn drie 'kwaliteiten' replica tape die vaak gebruikt worden in de industrie voor beschermende coatings: Coarse, voor profielen tussen 20 - 50 µm (0,8 - 2 mils), X-Coarse voor profielen tussen 40 - 115 µm (1,5 - 4,5 mils), en X-Coarse Plus, voor profielen tussen 70 - 150 µm (4 - 6 mils).
Pogingen om de nauwkeurigheid en precisie van het replicatape te bepalen gaan terug tot 1987, toen een panel van experts werd bijeengeroepen door de National Association of Corrosion Engineers (later NACE International, later AMPP)2 . Het onderzoek uit 1987 vergeleek replicatape metingen uitgevoerd op 14 panelen door 7 operators, met metingen uitgevoerd met een microscoop gericht op de pieken en dalen van het oppervlakte profiel. In 11 van de 14 gevallen kwamen de metingen met een replica van het meetlint en die met een microscoop overeen binnen de 95 % betrouwbaarheidsgrenzen (twee standaarddeviaties). Het gemiddelde verschil tussen de twee soorten meettechnieken was 4,5 μm (0,18 mils). De gemiddelde standaardafwijking voor de metingen door de operatoren was 5,4 μm (0,21 mils), voor een 95% betrouwbaarheidsinterval van ±10,8 μm (0,42 mils).
In 2012 werd een vervolg round-robin onderzoek uitgevoerd door de ASTM D01.46 subcommissie met als doel de herhaalbaarheid en nauwkeurigheid vast te stellen van replicatape gebruikt in overeenstemming met ASTM D44173. Vijf panelen werden gemeten door drie operators in elf laboratoria, voor een totaal van 33 metingen met replicatape per paneel. De herhaalbaarheid (95% betrouwbaarheidsinterval) van de metingen was tussen de ±5 en 10 μm (0,2-0,4 mils) afhankelijk van het paneel.
Het bepalen van de nauwkeurigheid is een uitdaging, omdat er geen herleidbare meetstandaard voor oppervlakteprofielen bestaat. Gestraalde profielen zijn van nature willekeurig, waardoor elke poging om een herleidbare standaard te genereren onpraktisch is. Het subcomité van D01.46 besloot daarom om D4417 Methode D, de sleepstylus, als referentiemethode te gebruiken. De sleepstylusprofilometer is een industriestandaardmethode voor het meten van oppervlaktemorfologie, en wat nog belangrijker is, hij is herleidbaar en kan worden gekalibreerd met behulp van referentiestandaarden. Deze instrumenten zijn zeer nauwkeurig en worden over het algemeen gespecificeerd voor nauwkeurigheden onder 1 μm (0,04 mils).
De sleepstylus-profilometer gebruikt een stylus met een fijne punt die in het oppervlakteprofiel dringt. Door deze stylus over het oppervlak te slepen en meetgegevens op te nemen, kan een 2D spoor van het oppervlakteprofiel worden vastgelegd. Op die 2D-track kunnen verschillende wiskundige functies worden uitgevoerd om een getal te verkrijgen dat verband houdt met de morfologie van het profiel; ASTM D4417 Methode D specificeert Rt, de afstand tussen de hoogste piek en de laagste vallei langs een evaluielengte van 12,5 mm (1/2"), als de geschikte parameter.
Door de willekeurige aard van gestraalde profielen is de precisie van deze methode laag, omdat het profiel langs een dunne lijn een beperkte weergave is van het totale oppervlak. Deze precisie kan echter verbeterd worden door een gemiddelde te nemen van meerdere metingen.
Met behulp van deze 'relatieve nauwkeurigheid' werd de nauwkeurigheid van de replicatape methode vastgesteld op ongeveer ±8 μm (0,3 mils).
In 2023 werd door deze auteur een poging gedaan om de resultaten van het onderzoek uit 2012 te repliceren. Terwijl zeer ervaren gebruikers van replicatape de resultaten in redelijke mate konden repliceren, hadden onervaren gebruikers aanzienlijke moeite met het repliceren van de resultaten.
Het is al lang bekend dat replica tape niet-lineair reageert aan de onderkant van het bereik - waar het schuim volledig wordt samengedrukt - en aan de bovenkant van het bereik - waar de piekhoogtes groter zijn dan de dikte van het schuim.
Als de respons van de meetband steeds minder lineair wordt, worden de metingen steeds onnauwkeuriger. Testex pakt dit aan door conservatieve grenzen te stellen aan het bruikbare bereik van de tape. Voor "X-Coarse" is dit bereik 63 tot 115 um (2,5 tot 4,5 mils). Voor "grof" is het bereik 20 tot 38 um (0,8 tot 1,5 mils). Kleine onnauwkeurigheden verschijnen aan de bovenkant (115 um, of 4,5 mils) van "X-Coarse" en aan de onderkant (20 um, of 0,8 mils) van "Coarse". In het overlappende gebied tussen de twee klassen moet een lastige middelingsprocedure worden toegepast, waarbij metingen worden gedaan met "Coarse" en "X-Coarse" tape en worden gemiddeld.
Deze middelingsprocedure maakt gebruik van materialen en praktijken die al deel uitmaken van de apparatuur, maar vermindert de nauwkeurigheid en precisie, zoals blijkt uit de ASTM round robin. Het is ook onhandig en verwarrend voor sommige inspecteurs, waardoor het risico op meetfouten toeneemt.
Experimenten uitgevoerd door de fabrikant, gebaseerd op een analyse van de ASTM round robin gegevens en daaropvolgend onderzoek, toonden aan dat de lineariteitsfout van replicatape sterk gecorreleerd was met het te meten oppervlakteprofiel. Bijvoorbeeld, een paneel met een gemeten Rt van 50 μm (2,4 mils) zal consequent een meting van 64 μm (2,6 mils) opleveren als het wordt gemeten met replicatape. Door een significant aantal metingen te doen over een groot bereik van gestraalde profielen kan deze lineariteitsfout worden gekwantificeerd over het meetbereik van het replicatape, wat een correctiefactor oplevert die kan worden toegepast op de metingen om de nauwkeurigheid te verbeteren en de noodzaak voor de omslachtige middelingsprocedure te elimineren.
Bij de replica tape methode wordt een polijstgereedschap gebruikt om het mylar/schuim in het gestraalde profiel te drukken. Het polijstgereedschap is een eenvoudig en goedkoop gereedschap voor het uitoefenen van druk, maar vereist de juiste techniek van de operator om het replicatape op de juiste manier te polijsten. Als er niet voldoende kracht wordt gebruikt, blijven er niet-onderdrukte delen van het schuim achter en wordt er een foutief hoog resultaat gemeten. Als er te veel kracht wordt gebruikt, kunnen de pieken van het oppervlak voorbij het schuim doordringen in de Mylar backing, wat foutief lage resultaten veroorzaakt. Hoewel ervaren operators kunnen leren om een consistente en juiste hoeveelheid kracht te gebruiken, blijft het burnishing proces een uitdaging en inconsistent voor nieuwe en bestaande inspecteurs.
Om gebruikers van alle ervaringsniveaus een grotere nauwkeurigheid te bieden, werd een precisie-polijstgereedschap gemaakt, dat is afgebeeld in Figuur 5. Het bestaat uit een buitenste plastic behuizing met een veerbelaste kogel. Het bestaat uit een buitenste plastic behuizing met daarin een veerbelaste kogel. De veer is gekalibreerd om een bekende, consistente kracht op de kogel uit te oefenen wanneer het gereedschap tegen het oppervlak wordt gedrukt.
Net als bij de bestaande methode wordt het gereedschap op het replicatape geplaatst zoals te zien is in afbeelding 6, en wordt het in een afwisselend patroon bewogen totdat het replicaschuim volledig is samengedrukt, wat te zien is aan een consistente 'kiezelkorrel'. Er mogen geen strepen of vlekken te zien zijn op het gepolijste replica tape.
Onafhankelijk van de kracht die de operator uitoefent, oefent de stalen polijstkogel een consistente hoeveelheid kracht uit, waardoor het risico van overmatig samendrukken van het replicatape en het drijven van de pieken van het oppervlakteprofiel in het steunmateriaal wordt geëlimineerd. Zolang het hele oppervlak van het replicatape wordt gepolijst en de onderkant van het gereedschap in contact is met het replicatape tijdens het polijsten, wordt het risico van te weinig polijsten ook geëlimineerd.
.jpg)
Het doel van dit onderzoek is het bepalen van de nauwkeurigheid van de Replica Tape methode, aangevuld met een precisie-polijstgereedschap en linearisatie/correctiefactor, bij het meten van Rt (piek-tot-dal profielhoogte) met behulp van een herleidbare referentiemethode (de sleepstylus-profilometer).
Om er zeker van te zijn dat het onderzoek werd afgerond met testmonsters die onder realistische veldomstandigheden werden gestraald, werd een set van 38 stalen panelen van 3" x 5" besteld bij een commerciële bron voor gestandaardiseerde panelen. Vier sets van acht panelen werden gestraald met Shot, Steel Grit, Coal Slag en Garnet, en zes panelen werden gestraald met Aluminium Oxide. Elke set panelen werd gestraald met een reeks straalmiddelen in een poging om een reeks straalprofielen te genereren. Twee aluminium panelen en twee stalen panelen werden ook gestraald met superoxalloy straalmiddel onder lagere druk met behulp van een hobby-straalinstallatie, in een poging om fijne profielen te creëren die geschikt waren voor het testen van het lage bereik van replica tape van de grove kwaliteit, onder het bereik dat normaal gesproken wordt gebruikt voor industriële toepassingen. Bij aankomst in het laboratorium werd een voorlopige evaluatie van elk paneel uitgevoerd door middel van acht metingen van Rt met de stylus profilometer (Mitutoyo SJ-201 S/N 801624) in overeenstemming met ASTM D4417 Methode D.
Op basis van de voorlopige evaluatie werden 22 panelen die een reeks Rt-waarden en schuurmiddeltypes vertegenwoordigden geselecteerd voor het onderzoek en aangeduid met een letter. Vervolgens werd Rt op elk paneel nog eens 12 keer gemeten met de stylus-profilometer om de statistische betrouwbaarheid van de Rt-metingen te vergroten:
Voor het uitvoeren van de tests werden 17 proefpersonen geworven onder collega's van de auteur. Er is geprobeerd om een verscheidenheid aan demografische gegevens en ervaring met het gebruik van replicatape te representeren. Verschillende deelnemers hadden voor dit onderzoek nog nooit replicatape gebruikt:
Het onderzoek werd in twee delen opgesplitst om de tijd dat de operators met het onderzoek bezig waren te beperken. In deel één van het onderzoek werden 15 panelen gemeten met X-Coarse tape. In het tweede deel van het onderzoek werden 6 panelen gemeten met Coarse replicatape en 6 panelen met X-Coarse Plus replicatape. (Sommige panelen werden gebruikt voor meerdere kwaliteiten tape). X-Coarse tape was de focus van het onderzoek omdat dit de meest populaire kwaliteit is, met een bereik waarmee veel voorkomende gestraalde profielen gemeten kunnen worden.
Een station, afgebeeld in Figuur 7, was ingericht met alle materialen die nodig waren voor het testen, inclusief de testpanelen, replica tape van de gewenste kwaliteit, polijstgereedschap, micrometer, laptop (voor het bekijken van de instructievideo en het opnemen van resultaten), waspapier (voor het bewaren van gepolijste stukjes replica tape) en papier (voor het schoonmaken van micrometer aambeelden, indien nodig).
Voor de consistentie werd een instructievideo van 11 minuten opgenomen door de auteur van dit onderzoek:
De tests werden uitgevoerd in overeenstemming met ASTM D4417 Methode C, met uitzondering van de eerder genoemde linearisatie en het aangepaste polijstgereedschap. Elke deelnemer kreeg de instructie om de replica tape te polijsten totdat een consistent grijs patroon was bereikt, zonder witte vlekken of sporen van het polijsten. Voorbeeld stukjes gepolijste tape werden verstrekt om voorbeelden te laten zien van goed en slecht gepolijste replica's van tape. Twee stukken replica tape werden gepolijst op een geïdentificeerd deel van het paneel en gemeten met de micrometer. Deze metingen werden later gemiddeld door de auteur tijdens de gegevensverwerking, in overeenstemming met de instructies van de fabrikant. Volgens de bestaande instructies van de fabrikant werd, als twee metingen meer dan 5 micron (0,2 mils) verschilden, een derde meting gedaan en het gemiddelde genomen van de twee oorspronkelijke metingen die het meest op elkaar leken.
In totaal werden 510 stukken replica tape gepolijst, voor een totaal van 255 metingen. De metingen van het X-Coarse deel van het onderzoek zijn samengevat in Figuur 8 hieronder. De gele band vertegenwoordigt het 95% betrouwbaarheidsinterval voor lineaire metingen en de metingen van elke operator zijn aangegeven met een specifieke kleur.
De standaardafwijking en standaardfout (ten opzichte van de gemeten Rt) geven respectievelijk een maat voor de herhaalbaarheid tussen operators voor een bepaald paneel en de algemene meetvertekening voor elk paneel.
Deze resultaten geven een gemiddelde precisie aan, gedefinieerd als twee keer de gemiddelde standaardafwijking, van ±5,6 µm (0,22 mils). Dit geeft aan hoe vergelijkbaar de resultaten tussen de operators waren en wordt ook wel 'reproduceerbaarheid' genoemd.
De standaardmeetfout was ±4,0 µm (0,16 mils). Dit geeft aan hoe dicht de resultaten lagen bij de herleidbare sleepstylusmetingen. Het 95%-betrouwbaarheidsinterval was daarom ±8,0 µm (0,32 mils), wat doorgaans beschouwd wordt als de nauwkeurigheid van de testmethode. Opmerkelijk is dat elk van de 255 metingen binnen het bereik van ±8 µm (0,32 mils) lag.
Voor het grofkorrelige deel van het onderzoek werden 177 stukken replicatape gepolijst, voor een totaal van 89 metingen. De metingen zijn samengevat in Figuur 9 hieronder. De gele band geeft het 95% betrouwbaarheidsinterval voor lineaire metingen weer, en de metingen van elke operator zijn aangegeven met een specifieke kleur.
De standaardafwijking en standaardfout (ten opzichte van de gemeten Rt) geven respectievelijk een maat voor de herhaalbaarheid tussen operators voor een bepaald paneel en de algemene meetvertekening voor elk paneel.
Deze resultaten geven een gemiddelde precisie aan, gedefinieerd als twee keer de gemiddelde standaardafwijking, van ±1,9 µm (0,07 mils). Dit geeft aan hoe vergelijkbaar de resultaten tussen de operators waren en wordt ook wel 'reproduceerbaarheid' genoemd.
De standaardmeetfout was ±3,7 µm (0,14 mils). Dit geeft aan hoe dicht de resultaten lagen bij de herleidbare sleepstylusmetingen. Het 95%-betrouwbaarheidsinterval was daarom ±8 µm (0,32 mils) - wat doorgaans beschouwd wordt als de nauwkeurigheid van de testmethode. Opmerkelijk is dat elk van de 89 metingen binnen het bereik van ±8 µm (0,32 mils) lag.
Voor het X-Coarse Plus deel van het onderzoek werden 210 stukken replicatape gepolijst, voor een totaal van 105 metingen. De metingen zijn samengevat in Figuur 10 hieronder. De gele band vertegenwoordigt het 95% betrouwbaarheidsinterval voor lineaire metingen, en de metingen van elke operator zijn aangegeven met een specifieke kleur.
Paneel W werd opgenomen in deze fase van het onderzoek ondanks dat het een Rt heeft van 189µm (7,4 mils), wat hoger is dan het maximale 150µm (6,0 mils) bereik van X-Coarse Plus replicatape. Ondanks aanzienlijke inspanningen was het moeilijk om panelen te verkrijgen met een Rt tussen 6,0 en 7,0 mils en er werd besloten om paneel W te evalueren, dat het op één na hoogste profiel had. Omdat paneel W ver buiten het bereik van de X-Coarse Plus replicatape lag, werden de metingen niet meegenomen in de algemene precisie- of nauwkeurigheidcijfers. De resultaten van paneel W geven aan dat het maximale bereik van X-Coarse Plus replicatape waarschijnlijk groter is dan 150µm (6,0 mils), maar verder onderzoek is nodig met panelen in dat bereik om het exacte maximale bereik te bepalen.
De standaardafwijking en standaardfout (ten opzichte van de gemeten Rt) geven respectievelijk een maat voor de herhaalbaarheid tussen operators voor een bepaald paneel en de algemene meetvertekening voor elk paneel.
Deze resultaten geven een gemiddelde precisie aan, gedefinieerd als twee keer de gemiddelde standaardafwijking, van ±7,8 µm (0,30 mils). Dit geeft aan hoe vergelijkbaar de resultaten tussen de operators waren en wordt ook wel 'reproduceerbaarheid' genoemd.
De standaardmeetfout was ±4,9 µm (0,19 mils). Dit geeft aan hoe dicht de resultaten lagen bij de herleidbare sleepstylusmetingen. Het 95%-betrouwbaarheidsinterval was daarom ±10 µm (0,38 mils) - wat gewoonlijk beschouwd wordt als de nauwkeurigheid van de testmethode. 100 van de 105 metingen vielen binnen het bereik van ±10 µm (0,38 mils).
Lichte updates van de Replica Tape methode voor het meten van oppervlakteprofiel, namelijk het gebruik van een bijgewerkt polijstgereedschap en een linearisatiemethode voor het corrigeren van meetresultaten, werden in deze studie geëvalueerd. Deze twee updates bleken de nauwkeurigheid en precisie van de testmethode te verbeteren, ondanks een veel minder ervaren groep operators dan in eerdere studies.
De resultaten van dit onderzoek zijn vergelijkbaar met, maar steken gunstig af bij de resultaten van de vorige ASTM ILS-tests uitgevoerd door het D01.46 comité. De hypothese is dat het herziene polijstgereedschap de relatieve onervarenheid van de operators meer dan compenseert (er was geen statistisch significant verschil tussen de resultaten van nieuwe en ervaren operators), waardoor de totale variabiliteit afneemt. Er wordt ook verondersteld dat het linearisatieproces de herhaalbaarheid en nauwkeurigheid aan de bovenste en bovenste uiteinden van het bereik van de replicatape heeft verbeterd.
Op basis van dit onderzoek worden de volgende nauwkeurigheids- en precisieverklaringen voorgesteld:
De auteur erkent de hulp van KTA-Tator bij het samenstellen van de testpanelen die voor dit onderzoek zijn gebruikt.