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Procesos metrológicos en pinturas para automoción

 David Serrano-Garciaz
David Serrano-Garcia
QSHE-OE Quality, Safety, Environment & Operational Excellence
BASF

Resumen: Aplicación de los equipos de medición y ensayo en los procesos de fabricación, ajuste, control de calidad y uso industrial de recubrimientos para la industria de la automoción.

Palabras clave: Automoción, pinturas, equipos de medición y ensayo, color, viscosidad, propiedades superficiales, tolerancias, incertidumbres, calidad, control de proceso, robot de aplicación.

Abstract: Use of testing and measurement devices in the production, adjustment, quality control and industrial applications of paint coatings for automotive industry.

Keywords: Automotive, coatings, Paint, measurement, testing, color, viscosity, surface properties, tolerances, uncertainty, quality, process control, spraying robot.

1. La pintura en la industria de automoción.

La pintura para automoción, a diferencia de los componentes sólidos de un vehículo, exige una aplicación particular de la metrología.

El producto por el que se juzga al suministrador de pintura para automoción no es, como pudiera parecer en un principio, la propia pintura, sino el vehículo correctamente pintado.

Este concepto es muy amplio, ya que el resultado final es juzgado a veces de forma visual, valorando no sólo el aspecto superficial sino, fundamentalmente, el color. Más aún, el color no se juzga como valor absoluto sino frente a una placa patrón y, en muchas ocasiones, frente a una medida electrónica patrón obtenida mediante un espectro-colorímetro.

Pero la complejidad no termina aquí ya que el conjunto que se juzga realmente es el contraste de color entre la carrocería y las partes plásticas, fundamentalmente paragolpes.

Por tanto, podríamos definir el producto final como el vehículo bien pintado y con las partes metálicas y plásticas en armonía de color. Todos los procesos y sistemas de Gestión de la Calidad del fabricante están orientados a este objetivo.

Esta problemática exige una integración total del fabricante de pintura en los procesos de los clientes, tanto plantas de primer equipo como suministradores de éste que, a su vez, pintan sus piezas plásticas.

En este sentido, la metrología, aun jugando un papel fundamental en el resultado final buscado, no es suficiente por si misma sin una coordinación total de todos los procesos implicados, es decir, diseño y fabricación de pintura, piezas plásticas y vehículo.

2. Principales exigencias

Hoy en día, las características anticorrosivas, de solidez a la radiación ultravioleta de los pigmentos y resinas, adherencia de la pintura al sustrato y entre capas, ciclos de lavado etc., se dan por supuestos. Son las propiedades más visibles las que distinguen la calidad del suministrador de pintura, es decir, aspecto y color.

No se trata de parámetros únicos, sino que ambos comprenden un conjunto muy amplio de variables. Como ejemplo, el aspecto en cuanto a estiramiento de la última capa de pintura (laca incolora), que se objetiva mediante medidas de wave scan, que evalúan la planitud de la superficie haciendo incidir un láser y valorando la variación del ángulo del rayo reflejado a lo largo de la superficie y, de un modo más tradicional, valorando mediante una escala estándar la capacidad de reflejar con mayor o menor nitidez una imagen (DOI, distinctness of image )

3. Materias primas

En cuanto a materias primas, la pintura se compone básicamente de resinas, que aportan la matriz polimérica de la película seca, pigmentos, que aportan el color y propiedades anticorrosivas, cargas inorgánicas, que aportan poder de relleno de las irregularidades del sustrato a pintar, disolventes, para fluidificar la pintura líquida y hacerla manejable, y, en sentido muy amplio, aditivos, que sirven para aportar al conjunto aspectos como resistencia a la luz, tensión superficial, biocidas, humectantes para facilitar el proceso de molienda de los pigmentos, conductividad en pinturas basadas en disolventes orgánicos, y un largo etc.

La caracterización de estas materias primas en la etapa de control de calidad se apoya hoy en día en acuerdos de calidad concertada con los proveedores y, en algunos casos, la verificación de los materiales mediante métodos que buscan detectar errores de suministro. Son métodos anti error que detectan si se ha suministrado un producto por otro. Por ejemplo, la medida del índice de refracción es un método muy rápido y sencillo que detecta este tipo de fallos. Otros métodos utilizados en este sentido son la espectroscopía infrarroja y la cromatografía de gases.

Otras materias primas, sin embargo, sólo se pueden valorar si se utilizan para fabricar una pequeña cantidad de pintura patrón que debe ser pintada, horneada y, una vez seca, medidos sus parámetros a controlar, principalmente el color.

En otros casos, sí se miden parámetros absolutos de cada lote recibido tales como viscosidad, índice de acidez, distribución de tamaño de partícula etc.

4. Proceso de fabricación

4.1. Síntesis química de la base de resina

El proceso de fabricación de la resina supone un control de parámetros de proceso químico que contribuyen a las propiedades finales. Se controla básicamente la temperatura, presión, tiempo de reacción y las masas de componentes que se van adicionando (monómeros, disolventes, aditivos, catalizadores etc.). Sin embargo, para el control de las propiedades intrínsecas de la resina, es necesario extraer una muestra en el momento en el que los parámetros de proceso y su histórico indican que nos aproximamos al punto de polimerización deseado. Sobre la muestra así tomada, se analizan en laboratorio los parámetros fundamentales: el peso molecular promedio, que nos indica la longitud de la cadena molecular conseguida hasta ese momento y nos condiciona propiedades finales de la pintura relacionadas con su dureza, viscosidad y, por tanto, aplicabilidad mediante pistola de pintado, resistencias químicas (ej. a la gasolina que puede caer al repostar) etc.

Otros análisis van encaminados a medir la cantidad de grupos funcionales químicos que permitirán a la resina reaccionar con otras moléculas presentes en la pintura. Se valoran los grupos hidroxilo, epóxido, carboxilo etc. Esta valoración nos indica el grado de progreso de la reacción química para, una vez llegado a los valores deseados, detener el proceso, con lo que la resina puede ser ya diluida y utilizada en la fabricación posterior de la pintura.

Hay que tener en cuenta que se parte de monómeros o moléculas cortas, conseguimos transformarlos en polímeros de cadena relativamente corta en forma de resina y, finalmente como pintura, se alcanza el estado de polímero al reaccionar sobre la superficie del vehículo.

La resina es, pues, un producto puramente estadístico, ya que sus “piezas” (moléculas) son de tamaño, ramificaciones y propiedades que, aún dentro de unos rangos, son variables de unas moléculas a otras.

Por otro lado, el proceso de síntesis se detiene siempre antes de obtener el resultado previsto, confiando al posterior proceso interactivo de muestreo y análisis la obtención de las propiedades buscadas.

En esta etapa, es fundamental la precisión en las dosificaciones másicas de los componentes que van a reaccionar. Hay que tener en cuenta que se trata de un proceso industrial en el que conviven dosificaciones automáticas con otras manuales en las que la intervención humana debe introducir el menor error posible.

La precisión requerida en las pesadas viene condicionada por el análisis de riesgos que se realiza en las etapas de diseño mediante el análisis del modo de fallo, sus efectos y la criticidad de sus consecuencias (FMEA o AMFE).

De este modo, a los componentes se les asigna un margen de error permitido de modo que, si se respeta, ni las propiedades finales ni los procesos posteriores hasta alcanzar el vehículo bien pintado se verán alteradas de un modo apreciable. El respetar este margen de error máximo se asegura asignando la báscula cuyo análisis de variabilidad, o MSA, arroje un valor total lo suficientemente pequeño con respecto a dicha tolerancia en las pesadas. Las incertidumbres permitidas en las básculas suelen ser del entorno de +/- 0,03 %

Con el fin de evitar errores de interpretación, al operario de la planta se le predetermina la báscula a utilizar para cada tipo de componente y, muy importante, los criterios de redondeo del valor visualizado en la pantalla.

4.2. Fabricación de la pintura por molienda

La siguiente fase crítica en el proceso de fabricación de la pintura es la etapa de molienda o dispersión de pigmentos y cargas sólidas.

La pintura es una dispersión de componentes sólidos en un medio líquido que, en general, no son solubles en este medio. El grado de dispersión del pigmento condiciona las propiedades colorimétricas del mismo. En este caso, y de modo similar al peso molecular en la fabricación de la resina, se controlan parámetros indirectos, como la energía específica aportada, medida como kW·h/kg. La medición directa del grado de dispersión mediante “grindómetro” o regleta de finura conlleva un error asociado bastante apreciable y muy dependiente de la experiencia del analista en la observación del aparato de medida así como de la preparación de la muestra y aplicación precisa del método, incluyendo la fuente de luz utilizada. Se utiliza sólo como indicación del grado de avance del proceso de dispersión.

Figura 1. Regleta de finura
Figura 1. Regleta de finura

Finalmente, el proceso de molienda se detiene sólo cuando de una muestra tomada se realiza un ensayo completo, adicionando el resto de componentes de la pintura. Dicha muestra, así preparada, se pinta y, de la placa seca resultante, se mide el color.

Las curvas patrón de energía específica frente a poder colorante (o capacidad de teñir) sirven de indicación para predecir el punto final de molienda.

Como vemos, durante el proceso de fabricación de una pintura es, a veces, imprescindible preparar las muestras antes de realizar una medición sobre ellas. En general, el principal error asociado a la medida obtenida proviene de esta preparación.

En este proceso, cada componente utilizado debe ser estable y representativo de las etapas posteriores. En general, se usan materiales patrón como bases de resina, o pastas de color que deben ser seleccionados mediante técnicas estadísticas que garanticen su representatividad de valores promedio. Por otra parte, en los métodos de ensayo deben respetarse los procedimientos de preparación de la muestra así completada: temperaturas, rango de aplicación del método, condiciones de iluminación, tiempos de curado en horno, etc.

Por último, la variabilidad de los equipos de medición y ensayo que se aplican a la muestra así obtenida contribuyen al margen de error total pero no de manera predominante.

A diferencia de otros productos en los que cada unidad es medible, cada lote de pintura fabricado es, en sí mismo, un elemento homogéneo en cuanto a sus propiedades.

Por lo tanto, conceptos como Cp y Cpk no son de utilidad directa por dos motivos: uno es que no se cuenta con un número suficiente de datos y, lo que es más importante, nunca se fabrica hasta el final del proceso sino que siempre hay una reserva de ciertos componentes para un ajuste fino de parámetros como viscosidad, resistividad, brillo y, sobre todo, color.

Cp: cociente entre el rango de tolerancias del proceso y la capacidad (intervalo natural de variación) del mismo

Ecu 1

Siendo

  • USL: Límite superior de la especificación.

  • LSL: Límite inferior de la especificación.

Cpk: Calcula lo que el proceso es capaz de producir si el objetivo del proceso está centrado entre los límites de la especificación

Ecu 2

TS: tolerancia superior

TI: tolerancia inferior

σ: variabilidad estimada del proceso

μ: media estimada del proceso

T: media objetivo del proceso

5. Variabilidad inherente al proceso de fabricación

Como vemos, desde el acopio de materias primas hasta la aprobación del vehículo bien pintado convivimos con numerosas fuentes de variabilidad, desde las propiedades de las materias primas, las propias del proceso de síntesis de las resinas, las dosificaciones, tiempos de agitación para garantizar la representatividad de las muestras, la representatividad de los materiales usados como referencia para la realización de ensayos intermedios, los ajustes en los parámetros de aplicación de los robots utilizados para valorar o predecir el resultado final etc.

Por este motivo, se establecen varias etapas como “compensadoras de variabilidad”. La primera, es la mencionada reserva de ciertos componentes para un ajuste final, tanto en la fabricación de la resina, como en la de la pintura.

La principal reserva se establece en las pastas de color que se adicionan en pequeñas cantidades para el ajuste final. En esta etapa se “ajusta” la pintura a los valores nominales de los parámetros buscados, compensando los efectos de la variabilidad introducida hasta ese momento.

A partir de este punto, es necesario pintar de un modo lo más representativo posible para valorar o, más bien, predecir los resultados esperables en el vehículo final.

6. Aplicación de la pintura mediante robots. Factores que influyen en las propiedades colorimétricas y superficiales.

En esta fase se pretende que, partiendo del mismo producto líquido, los robots de aplicación en sus condiciones de funcionamiento ambientales obtengan el mismo resultado que los del cliente.

Figura 2. Robot de aplicación
Figura 2. Robot de aplicación

Evidentemente el concepto “mismo” no es real, sino que va acompañado con la lógica variabilidad que supone el contar con equipos de aplicación. En este punto es fundamental un control de parámetros tales como la temperatura y humedad relativa del aire de la sala climatizada donde se aplica y los de funcionamiento del robot: velocidad del brazo, presión de pulverización, diferencia de potencial aplicada en el caso de productos de aplicación electrostática, distancia entre la boquilla de pulverización y el objeto etc.

La estabilidad del robot se comprueba periódicamente aplicando una pintura patrón y valorando la huella que ésta deja, el espesor de película seca y, sobre todo, el color.

Sin embargo, y aun siendo importante, la mayor fuente de variabilidad y de errores sistemáticos no es la mayor o menor precisión con la que se ajustan los parámetros clave mencionados, sino la coordinación entre los procesos de aplicación del control de calidad del fabricante de pinturas con el de aplicación del cliente sobre el vehículo.

El color varía con estas condiciones de un modo que puede ser apreciable en caso de modificaciones en dichos parámetros. Como ejemplo, un fondo bicapa metalizado plata aplicado a más presión de la estipulada provocará un aerosol de gotas más finas con lo que la superficie total de evaporación será mayor y, por tanto, una vez depositada sobre el vehículo se secará más rápido, limitando el tiempo del que las láminas de aluminio disponen para orientarse horizontalmente en la fase líquida ya que la viscosidad se incrementará más rápidamente. Esto reducirá el efecto claro-oscuro que se aprecia modificando el ángulo de observación y, por el contrario, se obtendrá un color más claro y homogéneo en todos los ángulos. Efectos similares vienen provocados por diferencias en la velocidad del brazo del robot, en la viscosidad de ajuste antes de la aplicación, en la temperatura etc.

Figura 3. Espacio de color Lab
Figura 3. Espacio de color Lab

7. Principales equipos de medición y ensayo utilizados en pinturay condicionantes metrológicos

Las mediciones se realizan sobre varios aspectos:

  • Parámetros de proceso: presión, temperatura, humedad relativa.

  • Producto líquido en cualquiera de sus etapas de fabricación: viscosidad, pH, índice de hidroxilo, equivalente epoxi, conductividad, granulometría de los pigmentos, composición relativa (ej. de disolventes ), densidad, …

  • Producto aplicado y seco: espesor de capa, dureza, adherencia, resistencias químicas, resistencias físicas (rayado, doblado, embutición …), resistencias a la intemperie (estabilidad del brillo y color a la acción de la luz o a los ambientes agresivos, salinos etc. ), brillo, DOI, color, etc.

Algunos ejemplos de exigencias metrológicas en el proceso:

Tabla1
(1) Diferencias de color entre dos muestras resultantes de las integraciones de las curvas de color en el espectro visible (400-700) nm
(2) Porcentaje de luz reflejada sobre la incidente

 

Los resultados obtenidos son de dos tipos: por un lado, unidades absolutas o relativas a un patrón y, por otro, resultados valorables por atributos que se contrastan con elementos patrón. Entre los primeros está la medida de viscosidad en copa ( s ), o el brillo ( % ), el color ( DE, diferencia de color frente a una placa patrón ), etc. Entre los segundos estaría, por ejemplo, el gravillonado o efecto generado en una chapa pintada al someterla a proyección de grava que se valora frente a muestras patrón con diferentes grados de deterioro.

Mención aparte merece por su complejidad la valoración del color una vez aplicado todo el sistema de pintado con todas sus capas (cataforesis, imprimación, base de color y laca transparente).

Figura 4. Color
Figura 4. Color

En resumen, la gran variedad de etapas de proceso y de parámetros implicados en él obliga a una variedad equivalente en los equipos de medición y ensayo así como las magnitudes implicadas. Todo ello unido a las altas exigencias de la industria de la automoción hace de la función de Gestión de la Calidad una pieza fundamental en el mantenimiento de la coherencia del proceso.

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