Introducción
Durante muchos años, el control de calidad de piezas moldeadas por soplado ha implicado el corte de dichas piezas con navajas de precisión (o bisturíes) para medir espesores usando calibres (o, también conocidos como pie de rey). Con este método de ensayo tradicional se genera una serie de problemas. Cuando una pieza es cortada en un fondo abierto, se crea una rebaba en el flanco rebanado. Por ende, si el operador ejecuta una medición sobre esta rebaba, no obtendrá una medición real del espesor de la pared. Entonces, a pesar de asumir que el operador es cuidadoso y evita los bordes distorsionados, pueden existir aún limitaciones en cuanto a dónde deben efectuarse las mediciones con los dispositivos mecánicos. Generalmente, con ciertas geometrías no será posible acceder a las esquinas estrechas de las botellas o áreas que forman sus empuñaduras. Cuando una pieza es destruida para mediciones de espesor, no es posible usarla para otros ensayos. Las diversas técnicas de medición de los operadores ponen en manifiesto un problema continuo. Los calibres pueden causar errores cuando son sostenidos angularmente respecto a la posición de la pieza, y cuando son usados en materiales que pueden ser comprimidos mediante la presión ejercida por la patilla móvil, debido a que las lecturas de espesor adquiridas varían de un operador a otro. También existe un problema potencial de seguridad. Los operadores necesitan seccionar las piezas con navajas de precisión (o bisturíes) varias veces por turno, lo que crea un riesgo constante para herirse gravemente.
Hay dos métodos electrónicos disponibles que pueden mitigar o eliminar por completo estos problemas: la medición ultrasónica y la medición a efecto Hall. Hoy en día, ambos métodos son usados para el control de calidad de piezas moldeadas por soplado. La selección de un método de medición, al igual que los factores que entran en juego al seleccionar tal método (nombrados al final de esta publicación), dependen por lo general del producto que debe ser inspeccionado.
Teoría relativa a la medición ultrasónica
Los medidores de espesores ultrasónicos (o por ultrasonido) proporcionan medios precisos, fiables y reproducibles para medir el espesor de pared de manera no destructiva desde un lado de la pieza. Estos se basan en el tiempo que toma la propagación de la onda acústica del ultrasonido a través de la pieza. La sonda es colocada sobre la superficie de la pieza bajo ensayo y acoplada acústicamente a dicha pieza por medio de un acoplante (generalmente glicerina, propilenglicol, o agua). El impulso del sonido viaja desde la superficie de contacto hasta la superficie opuesta y se refleja hacia la sonda como un eco (vea la Fig. 1). El medidor mide el tiempo de transmisión de un impulso acústico a través de un material (vea la Fig. 2). Cuando cuenta con la velocidad acústica del material bajo ensayo, el medidor calcula el espesor del material mediante la siguiente ecuación.
Figura 1. La sonda está situada sobre la pieza. El sonido proveniente de la sonda recorre una trayectoria ida y vuelta desde la superficie de contacto hasta la superficie de fondo.
Figura 2. El impulso inicial representa la onda acústica emitida a través de la pieza. El eco de fondo representa la onda acústica reflejada desde la superficie opuesta. «t» es el tiempo de vuelo del impulso acústico. Y, el Modo 1 hace referencia al método de medición, que usa el impulso inicial, y el eco de fondo para determinar el espesor.
Calibración
Los medidores ultrasónicos son extremamente precisos si las condiciones que causan errores son entendidas y se siguen unas simples medidas de precaución. Si se calibra adecuadamente el medidor, éste mostrará un espesor de pared preciso. El proceso de calibración requiere muestras de material de espesor conocido. Normalmente, el medidor será configurado mediante muestras que presentan el espesor máximo y mínimo del material que debe ser medido. La velocidad de propagación acústica y la compensación cero (un parámetro relacionado con la sonda) son determinados por una simple operación de teclado que implica la introducción del espesor conocido del estándar de referencia (o bloque de calibración) mientras la sonda permanece acoplada al material. El medidor usa el espesor conocido para calcular una velocidad acústica y compensación cero para el material y la sonda respectivamente. Cuando el medidor está ejecutando una medición de espesor, éste usa la velocidad acústica calibrada para calcular el espesor del producto.
Ventajas y limitaciones
La primera ventaja de los medidores de espesores ultrasónicos es que solo requieren acceder a un lado de la pieza bajo ensayo para efectuar las mediciones de espesor, lo cual permite medir recipientes cerrados, grandes láminas y otros productos con geometrías difíciles o imposibles de acceder de ambos lados. Los medidores por lo general son portátiles y fáciles de usar. Una limitación potencial es que la precisión de la medición depende de cuán precisa sea la velocidad acústica conocida del material, por lo tanto se está propenso a obtener lecturas incorrectas si la velocidad de propagación acústica del material cambia de manera imprevisible. La velocidad acústica puede ser afectada por cambios en las propiedades del material, que incluyen variaciones de temperatura o de densidad sustanciales. La mayoría de plásticos presentan variaciones de velocidad remarcables, como cambios en la temperatura de más de 5 °C (10 °F). La manera más fácil de evitar los errores inducidos por cambios en la temperatura es calibrando y midiendo la pieza bajo condiciones de temperatura ambiente. De no ser posible, la calibración y la medición deben efectuarse en una posición constante conocida en el proceso de fabricación. Debido a que la mayoría de sondas pueden dañarse por el contacto con piezas calientes de más de 50 °C (122 °F) aproximadamente, no se recomienda ejecutar ensayos bajo condiciones de alta temperatura a menos de utilizar sondas especiales. Los productos que se dotan de paredes gruesas, en donde la parte interna permanece caliente y la superficie fría, pueden presentar grandes variaciones de temperatura desde la parte externa de la pieza hasta la interna. Estas variaciones de temperatura pueden causar cambios sustanciales de la velocidad acústica a través de la pared de la pieza, lo que a su vez puede producir medidas incorrectas.
Teoría relativa a la medición a efecto Hall
El otro método de medición electrónica emplea un fenómeno conocido como efecto Hall. El efecto Hall usa un campo magnético aplicado perpendicularmente a un conductor por el que circula una corriente. Esta combinación implica una tensión en otra dirección. Se ubica un objetivo ferromagnético —como una esfera de acero con un espesor de masa conocido— en el campo magnético y la tensión inducida cambia. Mientras el objetivo va siendo alejado del imán, el campo magnético cambia y, por tanto, lo hace la tensión inducida de manera previsible. Si los cambios en la tensión inducida son representados gráficamente, es posible generar una curva que compare la tensión inducida con respecto a la distancia del objetivo desde la sonda (vea la Fig. 3).
Para ejecutar una medición, es necesario colocar una sonda a efecto Hall en un lado del producto que desea medir, y el objetivo ferromagnético —normalmente una esfera de acero— al lado opuesto (o interior) del producto. El medidor muestra la distancia entre el objetivo y la sonda que representa el espesor de pared.
Figura 3: Se coloca una esfera de acero en uno de los lados de la pieza que desea medir. La sonda está ubicada al lado opuesto de la pieza y la esfera es atraída hasta la sonda.
Calibración
El medidor es calibrado mediante el uso de una serie de cuñas de espesor conocido en la sonda; la esfera debe ser colocada sobre la cuña seleccionada e introducir en el medidor el espesor conocido de cada una. La información que es introducida en el medidor durante la calibración permite elaborar una tabla de consulta que ofrecerá una representación gráfica de los cambios de tensión. El medidor muestra los valores medidos en comparación con la tabla de consulta, y proyecta el espesor por medio de la lectura digital. Si bien esto suena complicado, los operadores solo necesitan saber los valores conocidos durante la calibración y dejar que el medidor lleve a cabo la comparación y el cálculo. Cuando se utilizan los medidores a efecto Hall, no es necesario que el operador conozca el cálculo físico que permite adquirir la medida, ya que el proceso de calibración es automático.
Ventajas y limitaciones
Las ventajas de este sistema son la eliminación de acoplantes, la inexistencia de variaciones a nivel de la temperatura o a nivel de las propiedades del material, y la posibilidad para medir el espesor de pared en esquinas redondeadas o en muestras demasiado finas. Además, es fácil hacer un rápido escaneo de la pieza con la sonda para verificar el espesor en puntos específicos o para identificar el espesor mínimo de un área. La única limitación potencial en las aplicaciones para plásticos moldeados por soplado es la necesidad de colocar una esfera de acero dentro de la pieza que será medida; ya que, en el caso de los recipientes cerrados, dicha esfera no podrá ser usada y será mejor emplear la medición ultrasónica. El sistema puede medir hasta 10 mm (0,400 pulg.) aproximadamente. Con este método es posible medir materiales comprimibles; sin embargo, una esfera muy grande podría comprimir el material, por lo que es necesario utilizar una esfera más pequeña al efectuar este tipo de mediciones. En la etapa de producción, el operador puede escanear una pieza completa en tan solo segundos, guardando varias lecturas o escaneos para un espesor de pared mínimo. Frecuentemente, este tipo de unidad se encuentra en el área de producción, en donde es utilizada por los operadores de equipos de soplado. Este enfoque permite obtener un verdadero control del proceso estadístico.
Selección de un método de medición
No existen reglas rápidas o eficaces para escoger uno de los métodos de medición. Por lo general, si se debe medir piezas grandes y rígidas con paredes gruesas, es preferible usar el método ultrasónico. Cuando se debe medir piezas pequeñas con paredes delgadas (menos de 2,5 mm o 0,100 pulg.), que presentan esquinas estrechas, es preferible usar un medidor a efecto Hall, como el Magna-Mike™ 8600 de Olympus. Para la mayoría de aplicaciones de moldeado por soplado se prefieren los medidores de espesores a efecto Hall. La mayoría de productos soplados se caracterizan por sus formas complejas, de espesor relativamente delgado, con paredes flexibles y esquinas difíciles de medir con medidores mecánicos o por ultrasonido.
En el caso de seleccionar el método ultrasónico, es posible utilizar cualquier medidor de espesores de precisión de Olympus. En aplicaciones más comunes para botellas de plástico monocapa, se recomienda usar un medidor de espesores ultrasónico estándar. Entre ellos destacan el medidor 38DL PLUS™ y el medidor 45MG™ dotado de la opción de software Sonda monoelemento. Es posible almacenar múltiples configuraciones de velocidad y sonda en estos medidores, lo que convierte la ejecución de mediciones en un proceso simple para una amplía variedad de materiales. Las sondas Sonopen™ M116, M208 o V260 son recomendadas generalmente para piezas que presentan paredes de espesor delgado. Para piezas de espesor grueso use los mismos medidores de espesores con sondas de contacto de baja frecuencia, como la M112, M110 o M109. Para medir espesores en plásticos con temperaturas elevadas, que exceden los 50 °C o 120 °F, utilice sondas de líneas de retardo para altas temperaturas.
En el caso de botellas con espesores inferiores a 0,1 mm (0,004 pulg.) y recipientes de plástico dotados de múltiples capas, se recomienda el medidor 72DL PLUS™. Medir el espesor de botellas de plástico delgado o plásticos multicapa requiere el uso de una frecuencia mucho más alta que aquella disponible en los medidores de espesores ultrasónicos estándar. El medidor 72DL PLUS trabaja con sondas de alta frecuencia que va hasta 125 MHz y tiene la capacidad para mostrar de forma simultánea el espesor de hasta seis capas.
Resumen
Es posible calibrar cualquier medidor de espesores mediante unos simples pasos. Cuando la calibración es completada, estos medidores otorgarán resultados fiables y reproducibles. Los usuarios encuentran que la técnica propia de cada operador, utilizada con los medidores mecánicos, ya no es necesaria con estos métodos. Los datos de calibración son almacenados con las lecturas registradas y proporcionan un informe de verificación sobre el trabajo del operador. Los medidores de espesores por ultrasonido o a efecto Hall brindan capacidades de registro de datos, lo que elimina la posibilidad de errores de transcripción.
