Techniques de mesure de l’adhérence et de la résistance à l’abrasion des revêtements et des encres – partie 2

Techniques de mesure de l'adhérence et de la résistance à l'abrasion des revêtements et des encres – partie 2

Voici le deuxième volet d'une série en deux parties consacrée aux techniques de mesure de l'adhérence et de la résistance à l'abrasion des revêtements et des encres. Ce numéro traite de la résistance à l'abrasion, avec de nouveaux équipements et de nouvelles techniques de mesure.

Comme indiqué dans la partie 1 sur l'adhérence — « Technology Feature » de Plastics Decorating, janvier/février 2005, l'adhérence et la résistance à l'abrasion des revêtements et encres durcis sont deux propriétés de performance essentielles. Elles peuvent être interdépendantes, mais sont souvent mutuellement exclusives : des revêtements et encres durcis peuvent présenter une bonne adhérence et une mauvaise résistance à l'abrasion, ou l'inverse. Des essais rigoureux et une bonne compréhension de l'adhérence et de l'abrasion garantissent la conformité aux spécifications et sont précieux pour résoudre les problèmes de revêtement et d'impression. L'identification du mécanisme de défaillance (adhérence (cohésion), abrasion, ou les deux) détermine la solution à apporter au procédé. Cet article présente plusieurs méthodes d'essai et instruments. Parmi eux, un nouvel abrasimètre linéaire de Taber Industries, conçu pour évaluer des formes réelles de produits comportant des surfaces galbées ainsi que des éprouvettes planes. Les techniques de mesure avancées citées dans cet article aident les fabricants à atteindre des performances produit supérieures et l'excellence de procédé Six Sigma.

Points clés à retenir

• L'abrasimètre linéaire teste des formes réelles de produits, convexes, concaves ou planes, alors que l'abrasimètre rotatif exige des éprouvettes planes.
• Le papier abrasif se dégrade au stockage. N'en achetez pas plus que pour six mois d'utilisation : un papier ancien absorbe l'humidité et abrase moins.
• Les normes ASTM D4060, D6037, F1478, SAE J365 et Ford BN108-02 font toutes référence à l'abrasimètre rotatif Taber.
• Les résultats proviennent de la perte de poids, du nombre de cycles ou de la percée visuelle jusqu'à une couche sous-jacente contrastée.
• Le montage relève de l'utilisateur. Il n'existe pas de norme universelle pour maintenir un produit ; ce qui compte, c'est sa rigidité pendant l'essai.

Foire aux questions

Peut-on tester l'abrasion sur des produits courbes ou galbés ?

Oui, avec un abrasimètre linéaire. Des accessoires interchangeables se montent sur un arbre cannelé à flottement libre qui monte et descend afin que l'accessoire épouse les contours convexes, concaves ou plats. L'abrasimètre rotatif traditionnel ne peut pas tester directement des géométries galbées.

Combien de temps le papier abrasif reste-t-il utilisable ?

Les techniciens recommandent de ne pas en acheter plus que pour six mois d'utilisation. Un papier ancien est moins abrasif car il absorbe l'humidité ; il doit donc être stocké au frais et au sec. À titre indicatif, un papier de 11/16 po de large sur un mandrin de 2 po produit environ 1 800 cycles, et une bobine de ruban polyester de 1/4 po environ 3 400 cycles.

Quelles normes ASTM s'appliquent aux essais d'abrasion des revêtements ?

L'abrasimètre rotatif Taber est référencé dans l'ASTM D4060 pour les revêtements organiques, l'ASTM D6037 pour la résistance à la marque d'abrasion à sec des revêtements très brillants et l'ASTM F1478 pour les images produites par copieurs et imprimantes, ainsi que dans la SAE J365 et la Ford BN108-02. L'abrasimètre Norman Tool est conforme à l'ASTM F2357 pour les claviers à membrane.

Comment quantifie-t-on les résultats d'abrasion ?

Par la perte de poids après un nombre de cycles donné, par le nombre de cycles nécessaire pour retirer une épaisseur unitaire de revêtement, ou visuellement par rapport à des références prédéfinies lorsque le revêtement est usé jusqu'au substrat ou à une couche contrastée. Les revêtements doivent être entièrement durcis avant l'essai.

Comment fixer un produit pour un essai d'abrasion linéaire ?

Il n'existe pas de norme universelle, vu la diversité des produits testables. L'utilisateur final choisit une pince ou un montage adapté : parfois un étau standard, parfois un dispositif plus élaboré. L'exigence essentielle est que le produit reste rigide pendant tout l'essai.

Méthodes d'essai d'abrasion

Il existe de nombreuses méthodes d'essai d'abrasion et, comme pour les essais d'adhérence, chaque entreprise doit décider de la ou des méthodes qui évaluent le mieux son produit. De nombreux secteurs citent des exigences ASTM précises selon l'application commerciale du produit. Norman Tool Abrader est le fabricant d'origine du célèbre testeur d'usure par abrasion « RCA ». Depuis 1964, Norman Tool, Inc. fabrique, distribue et exporte des testeurs d'usure par abrasion utilisés pour évaluer la résistance à l'abrasion et à l'usure de finitions organiques peintes ou plaquées, de feuilles et de lettrages encrés de claviers. Il est couramment utilisé dans l'automobile, l'électroménager, la téléphonie mobile et les revêtements de plastiques. Au fil des ans, le système a été constamment amélioré en précision et en facilité d'utilisation.

Cet instrument est un testeur d'abrasion à contact ponctuel, capable de tester des produits (réels) plats et concaves. Les poids sont de 55 grammes, 175 grammes et 275 grammes. Le principe et l'objet de l'essai consistent à user une finition appliquée sur un substrat quelconque sous l'effet d'une charge. Le point d'usure est atteint à l'apparition d'un défaut ou lorsque la couche de finition est traversée, mettant à nu une seconde surface ou un second revêtement de couleur ou de teinte contrastée. Le mode opératoire est le suivant : l'éprouvette revêtue à abraser est placée sur un dispositif de maintien fixé à la plaque de base du testeur pour ne pas bouger pendant l'abrasion. Le matériau abrasif, du papier, est ensuite engagé dans la machine et fixé à l'ensemble d'arbre d'enroulement. Une fois les instructions de réglage terminées, le compteur est remis à zéro et les moteurs sont mis en marche pour lancer le cycle d'essai. À un nombre de cycles prédéfini, la machine s'arrête et l'arbre vertical est relevé pour évaluer la zone testée. La machine peut aussi fonctionner en continu. Chaque plaque d'éprouvette envoyée aux clients du monde entier est vérifiée au préalable pour sa précision et sa reproductibilité par rapport au « Master RCA Abrasion Wear Tester » de Norman Tool.

Certains techniciens recommandent vivement de ne pas acheter de papier pour plus de six mois d'utilisation. Un papier ancien est moins abrasif car il a absorbé de l'humidité. Stockez le papier dans un environnement frais et sec. Un papier de 11/16 po de large x 8 po de diamètre extérieur sur un mandrin de 2 po, non huilé, produit environ 1 800 cycles. Une bobine de ruban polyester de 1/4 po de large produit environ 3 400 cycles. Le papier ne peut être obtenu qu'auprès de Norman Tool. L'abrasimètre Norman Tool est conforme à l'ASTM F 2357, méthodes d'essai normalisées pour déterminer la résistance à l'abrasion des encres et revêtements sur claviers à membrane à l'aide de l'abrasimètre « RCA » de Norman Tool. Norman Tool dispose d'un nouvel appareil d'essai à doigt pneumatique.

Taber Industries fabrique des instruments d'abrasion et d'usure depuis 1941. L'abrasimètre rotatif Taber d'origine (illustré ci-dessous) est conçu pour tester à vitesse constante des éprouvettes planes, y compris peintes, revêtues ou imprimées. Les produits à géométrie galbée ne peuvent pas être testés directement avec cet appareil.

Montées sur un plateau tournant, les éprouvettes subissent l'usure par frottement de meules abrasives chargées. Entraînées par l'échantillon, les meules produisent des traces d'abrasion qui forment un motif d'arcs croisés sur un anneau circulaire.

La résistance à l'abrasion peut être calculée par la perte de poids après un nombre de cycles d'abrasion donné, par le nombre de cycles nécessaire pour retirer une épaisseur unitaire de revêtement, ou visuellement par la quantité de revêtement enlevée par rapport à des références prédéfinies. Pour obtenir des résultats précis, les revêtements ou encres des éprouvettes doivent être entièrement durcis. Des procédures décrivent en outre le surfaçage correct des meules avant chaque essai.

L'abrasimètre rotatif est référencé dans de nombreuses normes, dont l'ASTM D 4060 (méthode d'essai normalisée de résistance à l'abrasion des revêtements organiques par l'abrasimètre Taber), l'ASTM D 6037 (méthodes d'essai normalisées de résistance à la marque d'abrasion à sec des revêtements très brillants), l'ASTM F 1478 (méthode d'essai normalisée de détermination de la résistance à l'abrasion des images produites par copieurs et imprimantes, méthode Taber), la SAE J365 (méthode d'essai de résistance au frottement des matériaux de garniture) et la méthode d'essai Ford Motor Company BN108-02 (résistance à l'abrasion – abrasimètre Taber).

La dernière génération de machines d'essai d'abrasion est l'abrasimètre linéaire Taber modèle 5700 (illustré à gauche). Ce nouvel abrasimètre linéaire a été développé pour permettre de tester des produits réels.

Grâce à un mouvement linéaire alternatif, des accessoires interchangeables sont montés à l'extrémité d'un arbre cannelé à flottement libre. Pendant le cycle du bras, l'arbre monte ou descend de sorte que l'accessoire suive les contours de la forme du produit, qu'elle soit convexe, concave ou plane.

Taber Industries a récemment lancé une nouvelle version de son abrasimètre linéaire, le modèle 5750. De nombreuses fonctions avancées ont été ajoutées, notamment : a) un affichage numérique, b) un guide d'alignement laser, c) une charge minimale de 60 grammes, d) une vitesse de course variable de 2 à 75 avec six touches de présélection et e) de nouveaux accessoires pour une plus grande polyvalence d'essai.

Avec des matériaux de meule Taber conformes aux standards de l'industrie, la résistance à l'usure des matériaux, y compris des plastiques, est testée en mouvement linéaire. Comme pour l'abrasimètre rotatif Taber, le Wearaser™, le matériau doit être resurfacé avant utilisation. Les modèles 5700/5750 disposent d'un mode de resurfaçage automatique programmable.

La longueur de course, la vitesse et la charge peuvent être personnalisées pour chaque essai. Les commandes programmables permettent de tester jusqu'à un nombre de cycles de course prédéfini ou en continu jusqu'à l'enlèvement du revêtement ou de l'impression. La tête d'accessoire universelle permet à l'utilisateur de choisir des abrasifs certifiés ASTM, ou d'employer son propre abrasif, éventuellement propre à un secteur. Les abrasimètres linéaires 5700/5750 peuvent aussi être configurés pour les essais de rayure, de frottement, de pièce de monnaie (Dime, Nickel, etc.) et de crockmètre. Comme pour de nombreux testeurs d'abrasion, les résultats peuvent être déterminés par la perte de poids ou par des références visuelles lorsque le revêtement de surface est usé jusqu'au substrat ou à une partie de celui-ci (percée).

Le crocking (transfert de couleur) consiste à évaluer le tissu de frottement pour déterminer la quantité de couleur qui s'y est transférée ; il est intégré à l'ASTM D 6279 (méthode d'essai normalisée de résistance à l'abrasion par frottement des revêtements très brillants) et à l'ASTM F 1319 (méthode d'essai normalisée de détermination de la résistance à l'abrasion et aux salissures des images produites par les produits de copie bureautique). Taber poursuit actuellement d'autres certifications ASTM pour les abrasimètres linéaires 5700/5750.

Vu la diversité des produits testables sur l'abrasimètre linéaire, il n'existe pas de norme universelle pour positionner un produit en vue de l'essai. L'utilisateur final détermine un dispositif de serrage ou de fixation adapté au produit. Dans certains cas, un étau standard est utilisé. Pour d'autres produits, des dispositifs plus élaborés peuvent être nécessaires. L'essentiel est que le produit reste rigide pendant l'essai.

Outre le testeur d'usure par abrasion Norman RCA et les abrasimètres rotatif et linéaire Taber présentés dans cet article, on trouve dans les catalogues et la littérature du secteur d'innombrables appareils d'essai d'adhérence et d'abrasion. Ces méthodes reconnues internationalement comprennent l'ASTM D 3363 (essai normalisé de dureté de film par crayon) ; l'appareil à poutre équilibrée d'adhérence par rayure et de résistance à la marque pour l'ASTM D 2197 (méthode d'essai normalisée d'adhérence des revêtements organiques par rayure) et la D5178-98(2002) (méthode d'essai normalisée de résistance à la marque des revêtements organiques) ; et l'essai d'abrasion ABREX® sur surfaces imprimées/revêtues sous l'influence de différents fluides (sueur, lotion, huiles) par simulation d'un contact doigt/main selon la DIN EN 60068-2-70. ABREX® est un instrument récent dont les informations disponibles étaient limitées à la rédaction de cet article.

En plus de ces essais, de nombreuses entreprises développent des procédures internes à l'aide de systèmes d'essai numériques sophistiqués, tels que les équipements Com-Ten et Instron, qui intègrent de nombreuses méthodes de procédure ASTM. Selon l'usage prévu du produit, les essais de performance peuvent aussi comprendre des essais de résistance aux produits chimiques et aux solvants, l'immersion dans l'eau suivie d'un essai au ruban adhésif, des essais en lave-vaisselle et en lave-linge, etc. Les entreprises recourent fréquemment à plusieurs méthodes d'essai pendant le développement et la fabrication des produits.

Normes d'essai et excellence de procédé

De nombreuses entreprises utilisent certaines des méthodes d'essai présentées ici par nécessité, c'est-à-dire pour remporter des marchés en démontrant que leurs procédés de fabrication sont conformes à des normes sectorielles précises. Malheureusement, les fabricants ignorent souvent les problèmes de défaillance sur le terrain jusqu'à ce que leurs clients retournent des produits non conformes. Par défaut, on incrimine une « mauvaise adhérence ». En comprenant bien les nombreuses causes possibles des défaillances d'adhérence par opposition aux défaillances d'abrasion, les ingénieurs peuvent identifier avec adresse les causes profondes critiques et mettre en œuvre des actions correctives.

Les essais ne doivent pas être réservés au développement de produits et au dépannage. Un contrôle continu en ligne des produits, selon les méthodes et techniques présentées et les techniques Six Sigma, garantira une fabrication robuste.

Remerciements

• American Society of Testing and Materials International
• BYK Gardner
• Gardner Company
• Norman Tool, Inc
• Taber Industries

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc. (TSG). TSG est une société d'ingénierie internationale spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, collage, décoration et finition, marquage laser et sécurité des produits. Pour en savoir plus, appelez le numéro gratuit (888)-SABREEN ou consultez www.sabreen.com et www.plasticslasermarking.com.

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