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Viscosimètre de viscosité de revêtement 2

Revêtements `` plus verts '' de haute qualité grâce à la surveillance et au contrôle automatisés de la viscosité

Revêtements `` plus verts '' de haute qualité grâce à la surveillance et au contrôle automatisés de la viscosité

Abstrait

Le défi dans l'industrie des revêtements pour les marchés existants et émergents est de réduire le coût d'application du revêtement, d'optimiser l'utilisation des matériaux de revêtement, de recycler les matériaux et de fournir des revêtements extrêmement prévisibles et robustes. La viscosité est une propriété importante du revêtement et est cruciale à la fois pour assurer la qualité du matériau de revêtement ainsi que pour le processus d'application. La surveillance et le contrôle de la viscosité du revêtement à travers l'écosystème complet permettent d'obtenir les deux propriétés hautement désirées d'un revêtement: la consistance et l'épaisseur. Les solutions d'automatisation d'usine / Industrie 4.0 utilisent des viscosimètres en ligne pour contribuer à un processus de revêtement plus économe en ressources, plus économique et plus écologique, en plus d'offrir des performances de revêtement de qualité supérieure.

Introduction

Les revêtements industriels remplissent une grande variété de fonctions, de la résistance à la corrosion et à l'abrasion et la protection UV, en passant par l'isolation thermique et électrique, à l'amélioration de l'apparence. Le marché des revêtements couvre plusieurs secteurs, notamment les matériaux industriels, automobiles, marins, de bobines, d'emballage, de transport et de construction. Les marchés nouveaux et émergents ont besoin de solutions de revêtement de pointe et techniques avec des caractéristiques de performance étroitement contrôlées. Le défi dans l'industrie des revêtements pour les marchés existants et émergents est de réduire les coûts tout en optimisant les performances et en réduisant les déchets et l'impact environnemental.

Figure 1. Exemples d'applications de revêtement

Avec d'énormes domaines d'application et une demande croissante des secteurs d'utilisation finale, cette industrie recherche de nouvelles façons d'améliorer l'efficacité, les délais et l'utilisation de la capacité. Les leaders de l'industrie dans tous les secteurs s'orientent vers l'adoption de technologies plus avancées telles que l'automatisation, l'Internet des objets industriel (IIoT) et les techniques de simulation.

Application du revêtement

Les processus de revêtement et de finition utilisent des technologies de pointe pour produire des surfaces durables, des finitions de haute qualité, tout en maximisant l'efficacité des processus et en respectant les réglementations environnementales. L'uniformité de la finition de surface, la qualité et la variété des produits jouent un rôle essentiel dans la satisfaction du client. La quantité et la qualité du revêtement ont un impact important et direct sur les coûts de fabrication, de vente et de maintenance.

La viscosité du matériau de revêtement est essentielle pour atteindre la cohérence. C'est un indicateur efficace de la concentration des solides de revêtement dans le fluide, qui est à la base de l'épaisseur et de l'uniformité du film. Les paramètres de performance dépendent tous de la viscosité du revêtement liquide au point d'application. Ceux-ci incluent la construction du film de revêtement, l'efficacité du transfert, l'épaisseur et le dépôt du revêtement, la correspondance des couleurs, les qualités de surface finies et la résistance chimique. La viscosité est le principal facteur influençant l'épaisseur et l'adhérence du revêtement. Un contrôle approprié de la viscosité garantit la qualité et la durée de vie du revêtement, contribuant ainsi à répondre aux exigences les plus élevées en matière de qualité et de productivité du processus de revêtement.

Un système de revêtement typique comprend: des fournitures de base et de liquide d'appoint, un réservoir de mélange agité, une pompe, la conduite d'alimentation vers l'applicateur, l'applicateur lui-même et la conduite de retour vers le réservoir de mélange. L'applicateur peut utiliser un procédé d'immersion, de rouleau, de pulvérisation, de pulvérisation, d'écoulement ou autre. Si la solution de revêtement n'est pas suffisamment visqueuse, le revêtement sur le produit peut ne pas être suffisamment épais pour fournir une protection. Cependant, si la viscosité est trop faible, un affaissement du film se produira sur les surfaces verticales conduisant à une irrégularité du revêtement. Cela nécessite des finitions aux propriétés rhéologiques complexes. Ils doivent avoir une faible viscosité lors de la pulvérisation et une viscosité beaucoup plus élevée lorsque le matériau atterrit sur la surface à revêtir. De plus, la viscosité du revêtement dépend de la température, de sorte que le maintien de la qualité de finition nécessite de compenser la viscosité du matériau de revêtement pour la température ambiante d'application.

État actuel de la surveillance et du contrôle de la viscosité du revêtement

La viscosité est généralement mesurée en laboratoire à l'aide d'un instrument rotatif, tel qu'un viscosimètre de type Brookfield ou un rhéomètre de haute précision. Cela permet un contrôle strict de la température, ce qui est essentiel pour caractériser les propriétés rhéologiques des matériaux de revêtement. Cependant, ces mesures, effectuées sur des échantillons prélevés dans l'atelier de production, peuvent prendre des heures voire des jours à analyser, de sorte que leurs mesures peuvent ne pas caractériser l'état réel des matériaux actuellement appliqués.

Sur le site de production, la viscosité est généralement mesurée en chronométrant son écoulement à partir d'un dispositif en forme d'entonnoir, tel qu'une Ford ou une coupelle d'efflux similaire. L'opérateur remplit le gobelet avec la formulation et mesure le temps nécessaire pour que le gobelet se vide. Plus le temps est long, plus la viscosité est élevée. Ceci est généralement effectué à des intervalles de 15 minutes ou plus, de sorte que les écarts de viscosité ne peuvent être détectés qu'après qu'une quantité considérable de couche a déjà été appliquée. De plus, le contrôle de la température des mesures en coupelle est difficile, voire impossible, ce qui conduit à des écarts éventuellement importants entre les valeurs mesurées et la viscosité réelle au point d'application. Ces mesures hors ligne ne peuvent pas capturer les changements de viscosité dus aux changements de température, aux variations de mélange et à l'évaporation au fur et à mesure qu'ils se produisent.

La variation de la température du matériau entraîne des changements de viscosité dans les matériaux de revêtement, entraînant des différences structurelles ou un affaissement. Dans la plupart des systèmes de peinture, il existe une tendance à la sédimentation du liant contenu et des composants pigmentaires. Un matériau de revêtement non homogène conduit inévitablement à un résultat de revêtement inadéquat. Les composants déposés peuvent conduire à des blocages et au blocage progressif des lignes. Les composants de la couche écaillée entraînent une salissure du film de revêtement. Les variations, difficiles à contrôler, entraînent une épaisseur de film incorrecte et par conséquent conduisent à des produits finaux inutilisables de mauvaise qualité, avec des caractéristiques de performances visuelles ou autres inacceptables.

Tableau 1. Certains des défauts de revêtement typiques et leurs causes

ProblèmeDescriptionCausesSolution
épluchure d'orangeLa surface semble inégale comme la peau d'une orangeBuse trop éloignée de la surface; la température de l'atelier est trop élevée pour modifier la viscosité; la buse de pulvérisation est obstruée.La mesure de la viscosité en ligne signalera le colmatage et la viscosité compensée en température évitera le problème
Surface tachetéeAspect irrégulier (affecte généralement les revêtements métalliques)Peinture pas bien mélangée avant l'applicationLa mesure de la viscosité en ligne montrera la forte variation de mesure
Fonctionne ou s'affaisseLe revêtement n'adhère pas uniformément à la surface à peindrePeinture sèche trop lentement, couches de finition appliquées trop épaissesLa viscosité aurait été supérieure au point de consigne, le mode automatique aura une viscosité corrigée
Variations de couleurManque de cohérence des couleurs entre les unités peintes / enduitesPropriétés incohérentes et irrégulières du revêtement en raison du manque de contrôle efficace et continu de la viscositéLa surveillance de la viscosité montrera une grande variation de viscosité, le contrôle automatique évitera complètement le problème
Solvant popRétention excessive de solvant / air occlus dans le film humide, qui s'échappe par éruption à travers la surfaceContrôle inexact de la viscosité et de la température de la formulation du revêtement avant l'applicationLe contrôle automatique de la viscosité évite l'utilisation d'un excès de solvant, réduisant les risques de piégeage
Prise d'airSimilaire à l'éclatement ou aux bulles de solvantSurveillance inadéquate des conditions de la ligne de peintureLe viscosimètre en ligne alertera les opérateurs de la condition
boursoufluresBulles près de la surface d'un film pendant le séchage au four qui ne traversent pas la surface.La viscosité de la surface du film augmente à un niveau élevé, piégeant le solvant volatil à un niveau inférieurOptimiser l'utilisation des solvants et garantir une viscosité correcte du revêtement grâce au viscosimètre en ligne évite ce problème

Mesure de viscosité en ligne à la rescousse

Heureusement, il existe des solutions qui permettent de mesurer et de contrôler la viscosité en ligne en temps réel, ce qui permet de détecter les variations de processus au fur et à mesure qu'elles se produisent. Les fluctuations de viscosité dues à l'ajout de solvant ou de revêtement, aux changements de température et à l'évaporation peuvent être automatiquement compensées avant qu'elles n'affectent la qualité du revêtement. La surveillance continue de la viscosité peut être corrélée avec le matériau de revêtement et la consommation de solvant, ainsi que l'épaisseur et la qualité du film, afin de modifier stratégiquement les paramètres du processus pour optimiser le processus de revêtement. Le contrôle de la viscosité en ligne peut entraîner une meilleure qualité du produit, des rendements accrus, des économies significatives dans l'utilisation des revêtements et des solvants de revêtement, et minimiser les temps d'arrêt du processus de revêtement, par rapport aux mesures traditionnelles hors ligne avec la coupelle d'efflux.

L'évaporation du solvant, l'ajout de revêtement frais ou de solvant dans le réservoir de mélange et la sédimentation peuvent entraîner un changement de viscosité des matériaux de revêtement, entraînant des défauts de revêtement ou une consommation excessive de revêtement et de solvant.

La température est également une variable cruciale pour déterminer la viscosité. Malheureusement, les températures dans les environnements de production ne sont souvent pas bien contrôlées. La viscosité, qui reflète la teneur en solides du revêtement, doit être correcte malgré les variations de température. Les mesures en coupelle n'ont ni mesure de température ni contrôle, et ne peuvent donc pas être directement comparées à la température de pulvérisation réelle. Cela peut entraîner des variations de la qualité du revêtement lorsque la température du processus varie.

Moteurs pour l'adoption par les enducteurs de la gestion de la viscosité en temps réel

Quatre facteurs importants rendent la gestion de la viscosité importante dans les applications de revêtement:

  1. Produit final qualité: Une mauvaise qualité de revêtement peut nuire aux propriétés souhaitables des couches - qualités de surface finies, dépôt de revêtement, propriétés de protection et réactivité chimique. Toutes ces propriétés dépendent de la façon dont le processus de revêtement est contrôlé, par conséquent, le contrôle de la viscosité est essentiel.
  2. Réduire les coûts en réduisant les déchets: Un mélange excessif peut non seulement affecter la qualité du produit final, mais aussi les déchets d'ingrédients, les matières premières, le temps et l'énergie. La gestion de la viscosité dans le processus de mélange peut identifier le point final de manière fiable et précise, conduisant ainsi à une réduction significative de la consommation de matières premières, de la consommation d'énergie, des rejets et des déchets.
  3. L’efficacité : La surveillance en temps réel et sans tracas de la viscosité élimine les analyses de laboratoire coûteuses et fastidieuses, ce qui entraîne souvent un retard de réponse aux changements de couche.Assurer la cohérence tout au long du processus de revêtement réduit considérablement les taux de rejet, économise du temps et des coûts tout en améliorant les marges bénéficiaires.
  4. Automation: La surveillance et le contrôle automatiques de la préparation du revêtement et du processus d'application suppriment une étape manuelle d'échantillonnage et de test qui est sujette à des erreurs et soulage les opérateurs de se concentrer sur la qualité du produit final.

 

Les applications de revêtement nécessitent une technologie de processus avancée pour une mesure et un contrôle précis et en temps réel de la viscosité en ligne

La mesure de la viscosité en ligne nécessite un capteur de viscosité compact et robuste, combiné à un système de mesure et de contrôle qui traduit la lecture du capteur en informations utilisées pour surveiller et contrôler la viscosité du procédé.

Une technologie qui s'est avérée particulièrement applicable aux mesures en ligne utilise un résonateur mécanique dont les oscillations sont amorties par la viscosité du matériau de revêtement. Un système électronique connecté au capteur résonant mesure son amortissement et le convertit en une valeur de viscosité. De plus, un dispositif de détection de température installé dans le capteur de viscosité fournit une mesure de la température du matériau de revêtement exactement au point de mesure de la viscosité.

La technologie des capteurs résonants fournit une solution spécialement adaptée à la surveillance et au contrôle des revêtements en ligne. Ils remplissent de nombreuses exigences pour une mesure fiable et précise:

  • Robustesse - ils maintiennent la précision et la répétabilité sur de larges variations des paramètres de processus. Ils sont exempts de pièces rotatives et d'espaces étroits typiques des viscosimètres et rhéomètres de laboratoire. De plus, ils peuvent fonctionner dans des environnements avec des niveaux élevés de vibrations et de chocs.
  • Indépendance de l'opérateur - les godets d'efflux et les instruments de laboratoire nécessitent des opérateurs habiles pour maintenir des mesures fiables et reproductibles. Sans une formation adéquate et une attention aux détails, les méthodes dépendant de l'opérateur ne sont généralement pas fiables pour maintenir un contrôle strict sur le processus de revêtement.
  • Compatibilité avec les systèmes de surveillance et de contrôle automatisés - La mise en œuvre des méthodologies de l'Industrie 4.0 nécessite une interface transparente des systèmes de mesure avec la technologie existante de l'usine. Les systèmes de viscosimètre à résonance offrent un large éventail d'options de sortie, des boucles de courant 4-20 mA aux interfaces Ethernet, RS485 et bus CAN exécutant les protocoles standard de l'industrie tels que Modbus, EthernetIP, CANOpen, Profinet, JSON, OPC UA pour l'acquisition directe de données par machine Systèmes PLC et SCADA d'usine. Les méthodes hors ligne, en revanche, nécessitent l'étape intermédiaire de l'opérateur qui saisit manuellement les valeurs de viscosité, un processus qui est sujet à des défaillances et des erreurs et ne crée pas une traçabilité complète du processus.
  • Contrôle strict de la température - un bon capteur résonnant a une mesure de température intégrée dans l'élément de détection. Cela permet la caractérisation du matériau de revêtement au point de mesure de la viscosité, plutôt que dans des conditions de laboratoire.
  • Maintenance simple - les capteurs résonants les plus avancés exposent des éléments de capteur hermétiquement scellés et mécaniquement robustes au matériau de revêtement. Ils sont exempts de lacunes et de cavités, et peuvent être facilement nettoyés en place (CIP) ou enlevés simplement en les essuyant avec un chiffon imbibé de solvant. Des systèmes sont même disponibles qui permettent de laver le capteur dans la ligne, couplés à des systèmes d'autocontrôle qui indiquent si le capteur est propre et exempt de toute contamination.
  • Rentable - malgré un coût initial relativement plus élevé par rapport aux coupes d'efflux, les systèmes de mesure résonnante en ligne sont généralement beaucoup moins chers que les instruments de laboratoire classiques, en particulier lorsque le coût récurrent de techniciens de laboratoire qualifiés est pris en compte dans l'équation. Le coût à vie de ces viscosimètres en ligne est nettement inférieur à celui des coupelles manuelles lorsque le coût de la main-d'œuvre est pris en compte.

Un exemple de capteur résonnant qui offre ces avantages est le viscosimètre en ligne Rheonics SRV (voir Fig.2 ci-dessous)

Son format compact permet une installation directe dans la ligne de revêtement, à proximité du point d'application. Son taux de cisaillement intrinsèquement élevé, bien au-dessus du plateau de cisaillement élevé des systèmes de peinture typiques, produit des mesures qui prédisent avec précision le comportement du revêtement dans les conditions d'écoulement typiques de l'application par pulvérisation.

 

 

SRV - 3/4 "NPT - Capteur de viscosité de processus en ligne pour les applications d'impression, de revêtement, de nourriture, de mélange et de broyage

Figure 2. Viscosimètre en ligne SRV (source: rhéonique)

Viscosité et température: une relation intime

La viscosité de presque tous les liquides dépend fortement de la température. Une mesure de viscosité sans contrôle précis et précis de la température n'a pas de sens. Pour cette raison, il est essentiel que la température du fluide soit mesurée aussi près que possible du point de mesure de la viscosité. Les instruments tels que le Rheonics SRV ont une mesure de température précise intégrée dans l'élément de détection de sorte que la valeur de chaque mesure de viscosité est accompagnée d'une valeur de température.

La mesure de la température du fluide exactement au point de mesure de la viscosité présente un autre avantage. Il est possible de caractériser la relation entre la viscosité du revêtement et la température en faisant varier sa température sur la plage attendue dans la ligne de revêtement, tout en mesurant sa viscosité avec le viscosimètre en ligne. Les mesures obtenues peuvent être utilisées pour dériver une formule qui permet de calculer la viscosité du fluide à n'importe quelle température dans cette plage à partir d'une mesure à n'importe quelle autre température dans cette plage. Par conséquent, le soi-disant viscosité compensée en température devient indépendant de la température réelle du processus. La viscosité compensée en température est importante car elle reflète certains paramètres de processus très pertinents, tels que la charge de pigment ou la concentration de solvant, qui sont tous deux, en eux-mêmes, indépendants de la température.

Une mesure fiable de la viscosité permet un contrôle prédictif pour l'intégration de l'Industrie 4.0

Certains des éléments clés pour amener les lignes de revêtement aux normes de l'Industrie 4.0 comprennent:

  • Cohérence du revêtement grâce à des actions correctives automatisées
  • Agilité dans le traitement des nouvelles variantes de produits dans la production, la conformité et la provenance des produits
  • Le Big Data fournit des preuves solides pour fonder les décisions pour une plus grande efficacité
  • L'interconnexion et la transparence des informations permettent aux opérateurs de prendre des décisions à la fois à l'intérieur et à l'extérieur des installations de production, permettant ainsi la décentralisation des décisions
  • Réduction des émissions de carbone - L'optimisation du processus de revêtement réduit l'utilisation des matériaux, la consommation d'énergie et les déchets - tout cela réduit considérablement le budget CO2 du processus de revêtement
  • Le retour sur investissement (ROI) des viscosimètres en ligne typiques est de l'ordre de 3 à 6 mois.

 

Figure 3. Schématique montrant l'intégration en ligne du viscosimètre et contrôleur dans le processus de peinture / revêtement automobile.

 

Vers une plus grande précision, un contrôle fiable et agile du processus de revêtement

 Les capteurs de viscosité résonnante sont souvent associés à des systèmes de contrôle conventionnels basés sur PLC. Celles-ci n'utilisent généralement pas tous les avantages requis par les systèmes de capteurs modernes et compatibles avec l'Industrie 4.0.

Des systèmes plus sophistiqués peuvent, par exemple, utiliser les mesures hautement précises et reproductibles fournies par les capteurs résonants pour permettre le réglage «verrouillage et charge» des paramètres de revêtement en vérifiant les mesures réelles par rapport à une base de données de matériaux de revêtement et des paramètres de travail établis. L'un de ces systèmes est le logiciel Rheonics CoatControl avec ViscoLock qui permet le contrôle en ligne de la viscosité compensée en température des couches sur plusieurs lignes simultanément. Plusieurs capteurs peuvent être gérés à partir d'un seul tableau de bord réparti sur l'ensemble de l'usine. La cohérence du revêtement sur plusieurs lignes de l'usine peut être obtenue même sous des températures et des conditions d'évaporation variables grâce à l'automatisation du système de dosage avec un contrôleur utilisant des mesures de viscosité en temps réel en continu. Les enducteurs peuvent enfin réaliser un suivi complet de chaque opération de revêtement.

Conclusion

Les systèmes de capteurs et de contrôle modernes font progresser le contrôle du processus de revêtement pour se conformer aux exigences de l'industrie 4.0. En associant des capteurs en ligne précis et fiables à des systèmes de contrôle en ligne sophistiqués, le contrôle de la viscosité peut être amené aux normes requises des lignes de revêtement automatisées à grande vitesse, tout en améliorant la productivité et la conformité aux normes environnementales. Ces systèmes sont ouverts aux développements futurs dans le domaine, permettant une adaptation agile à l'évolution des formulations de revêtements et à des améliorations de la technologie d'application.

Références

  1. Mettre l'accent sur une efficacité, une productivité, une agilité et une flexibilité accrues tout en maintenant la qualité et la sécurité, les progrès des équipements de fabrication de peintures et de revêtements: https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/advances-in-paint-and-coating-manufacturing-equipment/
  2. Viscosité optimale pour l'application de peinture: https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/optimum-viscosity-paint-application/
  3. Principe de fonctionnement SRV: https://rheonics.com/whitepapers/
  4. Une mise à jour sur la durabilité dans l'industrie des revêtements - https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/an-update-on-sustainability-in-the-coatings-industry/

Solutions rhéoniques pour l'industrie du revêtement

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