Spessimetri a ultrasuoni per rivestimenti non metallici

Misurare lo spessore rivestimenti su substrati non metallici ha rappresentato a lungo un problema irrisolto del controllo qualità. I metodi a induzione magnetica e a correnti parassite richiedono infatti un materiale di base metallico: su plastica, legno, vetro, calcestruzzo o materiali compositi non forniscono alcuna risposta utile.

La misura a ultrasuoni risolve il problema operando su un principio del tutto diverso: non interroga il substrato, ma misura il tempo che un impulso sonoro impiega ad attraversare il rivestimento e a tornare indietro. Questa pagina illustra il principio fisico, la tecnica di analisi multistrato, il ruolo del mezzo di accoppiamento e i limiti pratici del metodo.

Perché serve un metodo dedicato ai substrati non metallici

L’impiego di materie plastiche, compositi e materiali cellulosici è cresciuto in modo costante in quasi tutti i comparti manifatturieri. Componenti che un tempo erano metallici oggi vengono stampati in polimero e successivamente rivestiti, per ragioni estetiche e di protezione. Il controllo dello spessore applicato resta indispensabile, ma gli strumenti tradizionali non sono utilizzabili.

Per anni la soluzione adottata è stata indiretta: si collocava accanto al pezzo un provino metallico, lo si verniciava nello stesso ciclo e si misurava lo spessore depositato su quest’ultimo. Il metodo si fonda però su un presupposto discutibile, ossia che una piastrina piana collocata nelle vicinanze riceva esattamente la stessa distribuzione di materiale del componente reale, che ha invece geometria e orientamento differenti.

Le alternative disponibili erano tutte distruttive: sezionare il pezzo e osservarne il taglio al microscopio, incidere una gola a V calibrata, misurare per differenza con un micrometro prima e dopo l’applicazione, oppure procedere per via gravimetrica. Tecniche valide sul piano metrologico, ma lente, dipendenti dall’abilità dell’operatore e soprattutto incompatibili con un controllo di produzione, perché richiedono di sacrificare pezzi per ottenere un campione statisticamente rappresentativo.

Il principio eco-impulso applicato ai rivestimenti

La sonda genera una breve vibrazione ultrasonora che viene immessa nel rivestimento. L’impulso si propaga nello strato fino a incontrare un materiale con proprietà meccaniche diverse: tipicamente il substrato, oppure l’interfaccia con un altro strato di rivestimento. In corrispondenza di questa discontinuità di impedenza acustica una parte dell’energia viene riflessa e torna verso la sonda.

Lo strumento misura il tempo di volo, cioè l’intervallo tra l’emissione dell’impulso e il ritorno dell’eco. Conoscendo la velocità di propagazione del suono nel materiale attraversato, quel tempo si converte direttamente in spessore. La relazione è semplice: lo spessore corrisponde a metà del percorso compiuto, poiché l’onda attraversa lo strato due volte, all’andata e al ritorno.

Il substrato non partecipa alla misura se non come superficie riflettente. È questa la ragione per cui il metodo funziona indifferentemente su plastica, legno, vetro, calcestruzzo o compositi: ciò che conta è unicamente che esista un contrasto acustico sufficiente tra rivestimento e materiale sottostante.

Velocità del suono e accuratezza della misura

L’accuratezza dipende in modo diretto dalla velocità del suono attribuita al materiale in esame. Poiché lo strumento misura un tempo e restituisce una lunghezza, un errore sulla velocità si traduce in un errore proporzionale sullo spessore indicato.

Sul piano pratico questo aspetto risulta meno critico di quanto si potrebbe temere. Le velocità di propagazione delle vernici e dei rivestimenti organici di uso industriale rientrano in un intervallo relativamente ristretto, cosicché la taratura di fabbrica risulta adeguata per la maggior parte delle applicazioni. Quando invece si opera su materiali particolari, o quando la tolleranza richiesta è stretta, conviene determinare la velocità effettiva su un campione di spessore noto.

Il mezzo di accoppiamento

L’aria è un pessimo conduttore per gli ultrasuoni alle frequenze impiegate: un sottile strato d’aria tra sonda e superficie riflette quasi interamente l’impulso, impedendo la misura. Occorre quindi interporre un mezzo di accoppiamento liquido o gelatinoso che riempia il microscopico spazio tra la sonda e il rivestimento.

Su superfici lisce e in posizione orizzontale una goccia d’acqua svolge egregiamente la funzione. Su superfici ruvide, verticali o irregolari serve invece un gel a base acquosa, più viscoso, che permanga sul punto di misura e penetri nelle cavità del profilo. Prima di impiegare qualsiasi mezzo di accoppiamento su un rivestimento delicato è prudente eseguire una prova su un’area non critica, per escludere macchie o alterazioni della finitura.

Analisi dei sistemi multistrato

La caratteristica più interessante del metodo ultrasonico è la capacità di distinguere i singoli strati all’interno di un ciclo di verniciatura. Ogni interfaccia tra materiali di densità diversa genera un proprio eco: analizzando la sequenza temporale degli echi, lo strumento può ricostruire lo spessore di ciascuno strato oltre a quello totale.

La rappresentazione grafica del segnale rende leggibile questo comportamento. Ogni picco corrisponde a un’interfaccia: quanto maggiore è il salto di densità, tanto più alto risulta il picco. Un’interfaccia netta tra materiali molto diversi produce un picco stretto e pronunciato; due strati di composizione simile e parzialmente compenetrati generano invece un picco basso e allargato, di lettura più incerta.

Limiti della discriminazione tra strati

Esiste uno spessore minimo al di sotto del quale uno strato non è più distinguibile individualmente. Gli strati promotori di adesione, che nei cicli su materie plastiche vengono applicati in spessori molto ridotti, cadono spesso sotto questa soglia: lo strumento ne somma il contributo a quello dello strato successivo, restituendo un valore aggregato.

Una seconda limitazione riguarda le applicazioni eseguite bagnato su bagnato, dove gli strati vengono depositati in sequenza senza attendere la reticolazione del precedente. Il risultato è una zona di transizione in cui i materiali si compenetrano gradualmente: manca il confine acustico netto e con esso la possibilità di separare i contributi. In questi casi resta comunque affidabile la misura dello spessore complessivo.

Comportamento su superfici ruvide

Le superfici ruvide mettono alla prova qualsiasi metodo di misura, e gli ultrasuoni non fanno eccezione. Su un rivestimento a buccia d’arancia pronunciata, o su una finitura strutturata, lo spessore varia da punto a punto anche a distanza di frazioni di millimetro.

In condizioni normali lo strumento rileva la distanza dalla sommità delle creste fino al substrato. Quando però la rugosità diventa marcata, l’eco proveniente dall’interfaccia tra mezzo di accoppiamento e rivestimento può risultare più intenso di quello proveniente dal fondo: lo strumento lo interpreta erroneamente come fine dello strato e restituisce valori sottostimati. Gli strumenti più evoluti permettono di definire una finestra temporale di validità, escludendo gli echi che cadono fuori dall’intervallo atteso.

In ogni caso, su superfici irregolari la singola lettura non è rappresentativa. La pratica corretta prevede di acquisire più misure ravvicinate nella stessa zona e di calcolarne la media, valutando anche la dispersione dei valori come indicatore dell’uniformità del rivestimento. Il tema della caratterizzazione superficiale è approfondito nella pagina dedicata ai rugosimetri e misuratori di profilo di ancoraggio.