Mesure de marbrage en peinture

1 Introduction

L’effet nuageux, également appelé marbrage, représente la clarté ou les variations de couleur qui sont les plus évidentes sur les finitions métalliques claires. Cela peut être causé par des incompatibilités de formulation ainsi que par des variations dans les paramètres d'application. Par exemple, des variations d'épaisseur de film de la couche de base ou une désorientation des paillettes peuvent conduire à différentes tailles de nuages résultant en un aspect non uniforme.
Des expériences psychophysiques ont été menées avec des constructeurs automobiles ainsi que des fournisseurs de peinture pour évaluer ce que les experts et les non-experts perçoivent comme dérangeant ou même comme un défaut de peinture. La connaissance de ces expériences a été utilisée dans la conception d'un instrument de test : le cloud-runner. Il mesure objectivement ces variations au sein de grands panneaux en balayant la surface sur des distances allant jusqu'à 1 m de longueur. De plus, il prend également en compte l’intensité du défaut de marbrure que nous percevons, ce qui dépend fortement de la clarté et de la finesse de la finition de l'effet. Des études ont été réalisées sur des finitions métalliques avec divers degrés de tailles de paillettes d'aluminium, de différentes couleurs ainsi que des systèmes à trois couches. 
 

2 Évaluation visuelle et causes des marbrures

Les normes automobiles internes décrivent l'apparence de surface ainsi que les exigences de qualité pour l'extérieur et les pièces complémentaires peintes des véhicules. Les exigences sont décrites en termes d'attributs d'apparence et de défauts de surface. La marbrure est un défaut de peinture indésirable des revêtements à effet. L'impression de couleur totale montre des zones irrégulières de variations de luminosité souvent décrites comme des taches non uniformes. Comme ces taches claires-sombres sont assez grandes, on les appelle aussi des nuages. Ce phénomène est particulièrement visible sur les grands panneaux de carrosserie. Afin de faciliter le jugement des marbrures, certaines entreprises automobiles ont créé des panneaux de référence avec différents degrés de marbrures. Dans l’environnement d’une usine, les conditions d'éclairage ne sont pas toujours idéales pour voir les marbrures. Cela n'est pas seulement influencé par l'éclairage, mais aussi par les conditions d'observation et la distance. En particulier, les finitions à effet claires qui peuvent présenter différents degrés de marbrure en fonction de l'angle de vue.
Les marbrures peuvent être causées par la formulation du revêtement, ainsi que par des variations dans le processus d'application. La désorientation des paillettes métalliques dans le film de peinture (Fig.1) peut être due à une formulation instable (additifs rhéologiques) ou à des variations d'application (zones d'application humides/sèches). Les variations d'épaisseur du film de la couche de base (Fig.2 et Fig.3) peuvent également conduire à différentes tailles de marbrures résultant en un aspect non uniforme.
Par conséquent, il y a un grand intérêt à mesurer objectivement la « marbrure ». Dans les applications de R&D, les spectrophotomètres multi-angles sont utilisés pour mesurer la variation de luminosité en "balayant" la surface point par point, ce qui prend beaucoup de temps (système d’analyse des empreintes digitales). La perception des marbrures dépend de la distance d'observation : de grandes marbrures peuvent être observées lors d'une évaluation à distance, tandis que de petites marbrures sont plus visibles lors d'une évaluation rapprochée (Fig. 4). 
 
 
 

Image 1 Nuages dorientation : Désorientation des paillettes métalliques dans la peinture

Image 2 Nuages dépaisseur

Image 3 Masquage partiel visible en angle rasant

Image 4 Perception visuelle des marbrures en fonction de la distance dobservation

3 Mesure objective de la marbrure

Pour évaluer objectivement la marbrure, il est nécessaire de mesurer les variations de luminosité sur une grande surface d'échantillonnage et sous différents angles de détection (Fig.5 et Fig.6)
Le cloud-runner balaye optiquement la surface et mesure les variations de luminosité. L'échantillon est éclairé par une LED à lumière blanche à un angle de 15° mesuré à partir de la perpendiculaire. Les variations de luminosité sont détectées sous trois angles de vue pour simuler l'évaluation visuelle dans différentes conditions d'observation à 15°, 45° et 60° mesurées à partir de la réflexion spéculaire.
On fait rouler l’appareil sur la surface à une distance définie. La longueur de balayage est variable entre 10 et 100 cm. Les variations de luminosité sont mesurées point par point.
Le signal de mesure est divisé via des fonctions de filtres mathématiques en 6 plages de tailles différentes. Une valeur de notation est calculée pour chaque angle et taille de marbrure. Plus la valeur est élevée, plus l'effet de marbrure est visible.

Les valeurs mesurées sont affichées dans un spectre de marbrures, un graphique montrant la taille des marbrures sur l'axe X et la valeur de notation sur l'axe Y (Fig 7).
Dans cet exemple, une finition métallisée bleu clair, l'influence de l'angle d'observation est assez importante. Cela signifie visuellement que les marbrures de taille moyenne à grande sont plus évidentes lors d'une observation frontale lorsque l'échantillon apparaît plus clair (15°), tandis qu'à des angles plus plats, les marbrures ne sont plus visibles.
 

Image 5 Schéma optique de l’appareil de mesure de marbrures

Image 6 cloud-runner de BYK-Gardner

Image 7 Spectre de marbrure sous 3 angles

4 Corrélation avec la perception visuelle

Les experts et les non-experts reconnaissent principalement les taches claires et foncées d'une taille moyenne comprise entre 50 et 100 mm comme des marbrures typiques. Par conséquent, pour l'inspection visuelle et la mesure instrumentale, une taille de panneau minimale d'env. 30 x 50 cm est recommandé. Cela a été confirmé par plusieurs études sur le terrain avec différentes couleurs et effets menées par des constructeurs automobiles. Les plus petites tailles de marbrure ne varient généralement pas au cours du process et sont caractéristiques de la peinture, c'est-à-dire qu'elles sont liées à la taille et à la distribution des paillettes métalliques à effet. Ainsi, le meilleur terme pour décrire les petites marbrures serait la texture. La texture se superpose et, par conséquent, diminue la visibilité des grandes marbrures. Un défaut de marbrure sera plus évident sur une finition métallique argentée fine que sur une finition métallique argentée plus texturée.
Afin de définir les limites pertinentes pour le client concernant les marbrures typiques, des études de corrélation visuelle ont été réalisées. En conséquence, un indice de marbrure a été développé afin de résumer les plus grandes tailles de marbrures en un seul chiffre : 
 

M = LM • (1-f • T)    with    LM = ((0.5M_f  +  max(M_g,M_h ) )) / 1.5

Les petites tailles de marbrures ont également été additionnées dans une valeur de texture T, basée sur l'équation suivante :

T = ((M_d + 0.5M_e )) / 1.5 - 6

Comme la quantité de texture exercera une influence sur la perception visuelle, un facteur de pondération f est appliqué sur les indices M, ce qui permettra de comparer différentes couleurs avec une texture variable. Lorsque l'influence de la texture diminue pour des angles plus plats, les facteurs de pondération diminuent respectivement.

f_T(15°) = 0.05

f_T(45°) = 0.04

f_T(60°) = 0.03

L'indice de mottle M et la texture T permettent d'afficher les résultats de mesure dans un Graphe de Mottle (fig.8) qui peut être utilisé pour le contrôle de processus de nombreuses couleurs ainsi que pour les tâches de développement de peinture. À des fins de contrôle de la qualité, une limite Rouge – Jaune – Vert peut être définie pour les indices M.

Image 8 Graphe Mottle

5 Exemples d'application typiques

5.1 Contrôle qualité de routine

AComme mentionné, la marbrure peut varier en raison des changements de processus ou des changements de formulation. Par conséquent, la qualité des nouvelles versions de couleur, des versions de lots et du contrôle qualité de la production de véhicules doit être évaluée. Sur la figure 9, les données de mesure de 100 voitures, de différentes couleurs et textures, sont présentées. La valeur limite a été fixée à un indice de mottle spécifique M15°. Ainsi, l'utilisateur obtient rapidement un aperçu de la stabilité du processus. Dans l'étape suivante, les performances de chaque couleur et ligne de peinture peuvent être analysées. 

5.2 Effet de rayures

Un problème typique qui peut survenir dans le processus de peinture est ce que l'on appelle "l'effet de rayures", qui conduit à un motif de rayures claires et foncées en fonction de l'application de la peinture (Fig. 10).
Le spectre de marbrure de la figure 11 montre un genre d’exemple de finition métallique argentée. La courbe de mesure du capot montre une augmentation significative de Mh, tandis que les mesures sur la porte ne montrent pas de marbrures perceptibles. (Fig. 12)

Pour garantir la détection des rayures, il est nécessaire de mesurer sur des zones suffisamment grandes et d'utiliser une longueur de balayage d'au moins 45 cm. Les lectures doivent être prises perpendiculairement à la direction d'application. Il est recommandé de prendre 10 scans à une distance de 1 à 2 cm.

Image 9 Graphe Mottle de 100 voitures

Image 10 Effet rayures

Image 11 Spectres de marbrure de finition métallisée avec et sans effet de rayures

Image 12 Graphe de Mottle de teintes métallisées avec et sans effet de rayures

6 Résumé

Afin de garantir une couleur et un aspect uniforme, des outils de mesure objectifs sont nécessaires. L'inspection visuelle de la qualité de la finition de surface dépend fortement des conditions d'éclairage et de visualisation qui ne sont pas toujours idéales dans un environnement de production. Une nouvelle technologie de mesure innovante intégrée dans un instrument portable permet un contrôle objectif des défauts de peinture critiques appelés marbrures. Des études de champ visuel ont été menées pour établir des limites pertinentes pour le client.