Misurazione del Mottling delle vernici

1 Introduzione

Le macchie, dette anche mottling, sono variazioni di luminosità o di colore che sono per lo più evidenti su finiture metallizzate chiare. Possono essere causate da incompatibilità di formulazione nonché da variazioni dei parametri applicativi. Ad esempio, le variazioni di spessore del film della base o il disorientamento delle scaglie possono portare a varie dimensioni di macchie con conseguente aspetto non uniforme. 

Sono stati condotti esperimenti psicofisici con produttori di automobili e fornitori di vernici OEM per auto per valutare ciò che esperti e non esperti percepiscono come fastidioso o addirittura considerano difetto della vernice. La conoscenza di questi esperimenti è stata utilizzata nella progettazione di uno strumento di misura, cloud-runner, che misura oggettivamente queste variazioni all'interno di grandi pannelli scansionando la superficie su distanze fino a 1 m di lunghezza. Inoltre, tiene conto anche della gravità del difetto di mottling che dipende fortemente dalla luminosità e dalla finezza della finitura ad effetto. Sono stati condotti studi su finiture metalliche con varie dimensioni di lamelle di alluminio di diversi colori e sistemi a tre strati. 
 

2 Valutazione visiva e cause del mottling

Gli standard automobilistici interni descrivono l'aspetto della superficie e i requisiti di qualità per l'esterno del veicolo verniciato e le parti aggiuntive. I requisiti sono descritti in termini di caratteristiche estetiche e imperfezioni della superficie. Il mottling è un difetto della vernice indesiderato sui prodotti ad effetto. L'impressione del colore totale mostra aree irregolari di variazioni di luminosità spesso descritte come aspetto macchiato e non uniforme. Poiché queste macchie chiare-scure sono piuttosto grandi, vengono chiamate anche nuvole. Questo fenomeno è particolarmente evidente sui pannelli di grandi dimensioni. Per facilitare il giudizio sul mottling alcune case automobilistiche hanno creato pannelli di riferimento con diversi gradi di mottling. In un ambiente industriale le condizioni di illuminazione non sono sempre ideali per vedere il mottling. Non è influenzato solo dall'illuminazione, ma anche dalle condizioni di osservazione e dalla distanza. In particolare, le finiture ad effetto chiare possono mostrare diversi gradi di macchie a seconda dell'angolo di osservazione. 
Il mottling può essere causato dalla formulazione del rivestimento, nonché da variazioni nel processo di applicazione. Il disorientamento delle scaglie metalliche nel film di vernice (Fig.1) può essere dovuto a formulazione instabile (additivi reologici) o variazioni di applicazione (aree di applicazione bagnate/asciutte). Le variazioni di spessore del film della base (Fig.2 e Fig.3) possono anche portare a macchie di varie dimensioni con conseguente aspetto non uniforme.

Pertanto, vi è un forte interesse nel misurare oggettivamente il mottling. Nelle applicazioni in R&D, vengono utilizzati gli spettrofotometri multi-angolo per misurare la variazione di luminosità "scansendo" la superficie punto per punto, il che richiede molto tempo (analisi fingerprint). La percezione del mottling dipende dalla distanza di osservazione: le grandi macchie possono essere viste nella valutazione a distanza, mentre quelle piccole sono più evidenti nella osservazione ravvicinata (Fig. 4).
 

Immagine 1 Macchie di orientamento: Disorientamento delle lamelle nella vernice

Immagine 2 Macchie di spessore

Immagine 3 Copertura parziale visibile ad angoli radenti

Immagine 4 Percezione visiva delle macchie dipendente dalla distanza di osservazione

3 Misurazione oggettiva del mottling

Per valutare obiettivamente il mottling, è necessario misurare le variazioni di luminosità su un'ampia area del campione e sotto diversi angoli di rilevamento (Fig.5 e Fig.6). 
Il cloud-runner scansisce otticamente la superficie e misura le variazioni di luminosità. Il campione viene illuminato con un LED a luce bianca ad un angolo di 15° misurato dalla perpendicolare e le variazioni di luminosità vengono rilevate sotto tre angoli di osservazione per simulare la valutazione visiva in diverse condizioni, a 15°, 45° e 60° misurati dalla riflessione speculare.
Il misuratore delle macchie viene fatto scorrere sulla superficie per una distanza definita. La lunghezza della scansione è variabile tra 10 e 100 cm. Le variazioni di luminosità sono misurate punto per punto.Il segnale della misura viene suddiviso tramite funzioni di filtro matematiche in 6 diversi range di dimensioni e viene calcolato un valore di per ogni angolo e dimensione di macchia. Più alto è il valore, più visibile sarà l'effetto macchiato.

I valori misurati vengono mostrati in uno spettro del mottiling, un grafico che mostra la dimensione delle macchie sull’asse X e il suo valore sull’asse Y (Fig 7).
In questo esempio, una finitura blu metallizzata chiara, l’influenza dell’angolo di osservazione è molto significativa. Ciò significa che visivamente le macchie da medie a grandi sono più evidenti ad un’osservazione perpendicolare quando il campione appare più chiaro (15°), mentre ad angoli più piatti il mottling non è più visibile.

Immagine 5 Schema ottico del misuratore di macchie, cloud-runner

Immagine 6 cloud-runner della BYK-Gardner

Immagine 7 Spettro delle macchie a 3 angoli diversi

4 Correlazione con la percezione visiva

Esperti e non esperti riconoscono principalmente le aree chiaro-scure con una dimensione media compresa tra 50 e 100 mm come macchie tipiche. Pertanto, per l'ispezione visiva e la misurazione strumentale si consiglia una dimensione minima del pannello di ca. 30 x 50 cm. Ciò è stato confermato da diversi studi sul campo con colori ed effetti diversi condotti dai produttori OEM automobilistici. Le dimensioni di macchie più piccole solitamente non variano nel processo e sono caratteristiche della vernice, ovvero sono legate alla dimensione e alla distribuzione delle scaglie metalliche e ad effetto. Pertanto, il termine migliore per descrivere le piccole macchie sarebbe texture. La texture si sovrappone e, di conseguenza, diminuisce la visibilità delle grandi macchie. Un difetto di mottling sarà più evidente su una finitura metallizzata silver fine che su una finitura metallizzata silver più strutturata.
Al fine di definire i limiti rilevanti per il cliente per il mottling tipico, sono stati eseguiti studi di correlazione visiva. Come risultato, è stato sviluppato un indice di mottling che riassume le dimensioni delle macchie più grandi in un numero:
M = LM • (1-f • T)    con LM = ((0.5M_f  +  max(M_g,M_h ) )) / 1.5

Le piccole dimensioni di macchie sono state anche aggiunte in un valore di texture T, basato sulla seguente equazione:
T = ((M_d + 0.5M_e )) / 1.5 - 6

Poiché la quantità di texture avrà un'influenza sulla percezione visiva, viene applicato un fattore di ponderazione f sugli indici M che consentirà il confronto di diversi colori con texture variabili. Quando l'influenza della texture diminuisce per angoli più piatti, anche i fattori di ponderazione diminuiscono rispettivamente.
f_T(15°) = 0.05

f_T(45°) = 0.04

f_T(60°) = 0.03

L’indice di Mottling M e di Texture T permettono di mostrare i risultati di misura in un grafico di mottling (fig.8) che può essere usato per il controllo del processo di molti colori nonché nelle attività per lo sviluppo delle vernici. Per gli scopi di controllo qualità può essere definito un limite Rosso – Giallo – Verde per gli indici M.
 

Immagine 8 Grafico del mottling

5 Esempi tipici di applicazione

5.1 Controllo qualità di routine

Come accennato, il mottling può variare a causa di modifiche al processo o modifiche alla formulazione. Pertanto, è necessario valutare la qualità nella progettazione di nuovi colori, nelle delibere dei lotti e nella di produzione dei veicoli. Nella figura 9 sono mostrati i dati di misurazione di 100 auto, con diversi colori e texture. Il valore limite è stato fissato a uno specifico indice di mottling M15°. Pertanto, l'utente ottiene rapidamente una panoramica sulla stabilità del processo. Nella fase successiva è possibile analizzare le prestazioni di ciascun colore e linea di verniciatura. 
 

5.2 Effetto striping

Un tipico problema che può verificarsi nel processo di verniciatura è il cosiddetto "effetto striping", che porta a una serie di strisce chiare e scure a seconda dell'applicazione della vernice (Fig. 10).
Lo spettro del mottling nella figura 11 mostra un tale esempio di una finitura metallizzata silver. La curva di misura del cofano mostra un aumento significativo in Mh, mentre le misure sulla portiera non mostrano macchie evidenti. (Fig. 12)Per garantire il rilevamento delle strisce è necessario misurare su aree sufficientemente ampie e utilizzare una lunghezza di scansione minima di 45 cm. Le letture devono essere prese perpendicolarmente alla direzione dell'applicazione. Si consiglia di eseguire 10 scansioni a una distanza compresa tra 1 e 2 cm. 

Immagine 9 Grafico del mottling di 100 auto

Immagine 10 Effetto striping

Immagine 11 Spettri del mottling di finiture silver metallizzate con e senza effetto striping

Immagine 12 Spettri del mottling di finiture silver metallizzate con e senza effetto striping

6 Sommario

Per garantire un colore e un aspetto uniformi sono necessari strumenti di misurazione oggettivi. L'ispezione visiva della qualità della finitura superficiale dipende fortemente dalle condizioni di illuminazione e di osservazione che non sono sempre ideali nell'ambiente di produzione. Una nuova tecnologia di misurazione innovativa realizzata in uno strumento portatile consente il controllo oggettivo dei difetti critici della vernice chiamati mottling. Sono stati condotti studi visivi sul campo per stabilire i limiti rilevanti per il cliente.