Introduzione

I rivestimenti industriali svolgono una grande varietà di funzioni, dalla resistenza alla corrosione e all'abrasione e protezione UV, all'isolamento termico ed elettrico, al miglioramento dell'aspetto. Il mercato dei rivestimenti abbraccia molteplici settori tra cui industriale, automobilistico, navale, coil, packaging, trasporto e materiali da costruzione. I mercati nuovi ed emergenti necessitano di soluzioni di rivestimento ingegnerizzate all'avanguardia con caratteristiche prestazionali strettamente controllate. La sfida nel settore dei rivestimenti per i mercati esistenti ed emergenti è abbassare i costi ottimizzando le prestazioni e riducendo gli sprechi e l'impatto ambientale.

Figura 1. Esempi di applicazioni di rivestimento

Con vaste aree di applicazione e crescente domanda da parte dei settori di utilizzo finale, questo settore è alla ricerca di nuovi modi per migliorare l'efficienza, i tempi di consegna e l'utilizzo della capacità. I leader del settore in tutti i settori si stanno muovendo verso l'adozione di tecnologie più avanzate come l'automazione, l'Internet delle cose industriale (IIoT) e le tecniche di simulazione.

Applicazione del rivestimento

I processi di rivestimento e finitura utilizzano tecnologie avanzate per produrre superfici durevoli, finiture di alta qualità, massimizzando l'efficienza del processo e rispettando le normative ambientali. L'uniformità della finitura superficiale, la qualità del prodotto e la varietà giocano un ruolo fondamentale nel garantire la soddisfazione del cliente. La quantità e la qualità del rivestimento hanno un impatto ampio e diretto sui costi di produzione, vendita e manutenzione.

La viscosità del materiale di rivestimento è fondamentale per ottenere la consistenza. È un indicatore efficace della concentrazione dei solidi di rivestimento nel fluido, che è la base per lo spessore e l'uniformità del film. I parametri di prestazione dipendono tutti dalla viscosità del rivestimento liquido nel punto di applicazione. Questi includono la costruzione del film di rivestimento, l'efficienza di trasferimento, lo spessore e la deposizione del rivestimento, la corrispondenza dei colori, le qualità della superficie finita e la resistenza chimica. La viscosità è il principale fattore che influenza lo spessore e l'adesione del rivestimento. Un corretto controllo della viscosità garantisce la qualità e la durata del rivestimento, aiutando a soddisfare le massime esigenze di qualità e produttività del processo di rivestimento.

Un tipico sistema di rivestimento comprende: forniture di base e fluido di reintegro, un serbatoio di miscelazione agitato, una pompa, la linea di alimentazione all'applicatore, l'applicatore stesso e la linea di ritorno al serbatoio di miscelazione. L'applicatore può utilizzare un processo di immersione, rullo, spruzzo, spruzzatura, flusso o altro. Se la soluzione di rivestimento non è sufficientemente viscosa, il rivestimento sul prodotto potrebbe non essere sufficientemente spesso per fornire protezione. Tuttavia, se la viscosità è troppo bassa, si verificherà un cedimento del film sulle superfici verticali che causeranno irregolarità nel rivestimento. Ciò richiede finiture con proprietà reologiche complesse. Devono avere una bassa viscosità durante la spruzzatura e una viscosità molto più elevata quando il materiale atterra sulla superficie da rivestire. Inoltre, la viscosità del rivestimento dipende dalla temperatura, quindi il mantenimento della qualità della finitura richiede la compensazione della viscosità del materiale di rivestimento per la temperatura ambiente dell'applicazione.

Stato attuale del monit. viscosità rivestimentooring e controllo

La viscosità viene generalmente misurata in laboratorio utilizzando uno strumento rotazionale, come un viscosimetro di tipo Brookfield o un reometro ad alta precisione. Ciò consente un rigoroso controllo della temperatura, essenziale per caratterizzare le proprietà reologiche dei materiali di rivestimento. Tuttavia, queste misurazioni, eseguite su campioni prelevati dal reparto di produzione, possono richiedere ore o addirittura giorni per essere analizzate, per cui le loro misurazioni potrebbero non caratterizzare lo stato effettivo dei materiali attualmente applicati.

Sul piano di produzione, la viscosità viene generalmente misurata temporizzando il suo flusso da un dispositivo a imbuto, come una Ford o una tazza di efflusso simile. L'operatore riempie la tazza con la formulazione e misura il tempo necessario allo svuotamento della tazza. Più lungo è il tempo, maggiore è la viscosità. Questo di solito viene fatto a intervalli di 15 minuti o più, in modo che le deviazioni nella viscosità possano essere rilevate solo dopo che è già stata applicata una notevole quantità di rivestimento. Inoltre, il controllo della temperatura delle misurazioni della tazza è difficile se non impossibile, portando a discrepanze possibilmente ampie tra i valori misurati e la viscosità effettiva nel punto di applicazione. Tali misurazioni offline non possono catturare i cambiamenti di viscosità dovuti a cambiamenti di temperatura, variazioni di miscelazione ed evaporazione mentre si verificano.

La variazione della temperatura del materiale porta a cambiamenti di viscosità nei materiali di rivestimento, con conseguenti differenze strutturali o cedimenti. Nella maggior parte dei sistemi di verniciatura c'è una tendenza alla sedimentazione dei componenti leganti e pigmenti contenuti. Un materiale di rivestimento disomogeneo porta inevitabilmente a un risultato di rivestimento inadeguato. I componenti sedimentati possono portare a blocchi e al graduale blocco delle linee. I componenti del rivestimento sfaldati provocano lo sporco della pellicola del rivestimento. Le variazioni, difficili da controllare, determinano uno spessore del film errato e conseguentemente portano a prodotti finali inutilizzabili di qualità scadente, con caratteristiche visive o di altro tipo inaccettabili.

Tabella 1. Alcuni dei tipici difetti del rivestimento e le loro cause

La misurazione della viscosità in linea in soccorso

Fortunatamente, sono disponibili soluzioni che consentono la misurazione e il controllo della viscosità in linea in tempo reale, consentendo di rilevare le variazioni di processo nel momento in cui si verificano. Le fluttuazioni di viscosità dovute all'aggiunta di solvente o rivestimento, i cambiamenti di temperatura e l'evaporazione possono essere compensate automaticamente prima che influenzino la qualità del rivestimento. Monitoraggio continuo della viscositàoring può essere correlato al materiale di rivestimento e al consumo di solventi, nonché allo spessore e alla qualità del film, al fine di alterare strategicamente i parametri di processo per ottimizzare il processo di rivestimento. Il controllo della viscosità in linea può comportare una maggiore qualità del prodotto, maggiori rese, risparmi significativi nell'uso di rivestimenti e solventi per rivestimenti e ridurre al minimo i tempi di inattività del processo di rivestimento, rispetto alle tradizionali misurazioni offline con la tazza di efflusso.

L'evaporazione del solvente, l'aggiunta di rivestimento fresco o solvente al serbatoio di miscelazione e la sedimentazione possono portare a cambiamenti di viscosità nei materiali di rivestimento, con conseguenti difetti di rivestimento o eccessivo consumo di rivestimento e solvente.

La temperatura è anche una variabile cruciale nel determinare la viscosità. Sfortunatamente, le temperature negli ambienti di produzione spesso non sono ben controllate. La viscosità, che riflette il contenuto di solidi nel rivestimento, deve essere corretta nonostante le variazioni di temperatura. Le misurazioni della tazza non hanno né misurazione né controllo della temperatura, quindi non possono essere confrontate direttamente con la temperatura di spruzzatura effettiva. Ciò può portare a variazioni nella qualità del rivestimento al variare della temperatura del processo.

Driver per l'adozione da parte dei verniciatori della gestione della viscosità in tempo reale

Ci sono quattro fattori significativi che rendono importante la gestione della viscosità nelle applicazioni di rivestimento:

1. Prodotto finale qualità: Una scarsa qualità del rivestimento può influire negativamente sulle proprietà desiderabili dei rivestimenti: qualità della superficie finita, deposizione del rivestimento, proprietà di protezione e reattività chimica. Tutte queste proprietà dipendono dall'efficacia del controllo del processo di rivestimento, quindi il controllo della viscosità è fondamentale.
2. Riduzione dei costi riducendo gli sprechi: L'eccessiva miscelazione può non solo influire sulla qualità del prodotto finale, ma sprecare ingredienti, materie prime, tempo ed energia. La gestione della viscosità nel processo di miscelazione può identificare il punto finale in modo affidabile e preciso, portando così a una significativa riduzione del consumo di materie prime, dell'uso di energia, degli scarti e dei rifiuti.
3. Efficienza: Monitoraggio senza problemi e in tempo realeoring della viscosità elimina analisi di laboratorio costose e dispendiose in termini di tempo, che spesso si traducono in una risposta ritardata ai cambiamenti nel rivestimento. Garantire la coerenza durante tutto il processo di rivestimento riduce significativamente i tassi di scarto, risparmiando costi e tempo e migliorando i margini di profitto.
4. Automazione: Monitora automaticamenteoring inoltre, il controllo della preparazione del rivestimento e del processo di applicazione elimina una fase manuale di campionamento e test soggetta a errori e consente agli operatori di concentrarsi sulla qualità del prodotto finale.

Le applicazioni di rivestimento richiedono una tecnologia di processo avanzata per una misurazione e un controllo della viscosità in linea accurati e in tempo reale

La misurazione della viscosità in linea richiede un sensore di viscosità compatto e robusto, combinato con un sistema di misurazione e controllo che traduce la lettura del sensore in informazioni utilizzate per monitorare e controllare la viscosità del processo.

Una tecnologia che si è dimostrata particolarmente applicabile alle misurazioni in linea fa uso di un risonatore meccanico le cui oscillazioni sono smorzate dalla viscosità del materiale di rivestimento. Un sistema elettronico collegato al sensore risonante misura il suo smorzamento e lo converte in un valore di viscosità. Inoltre, un dispositivo di rilevamento della temperatura installato nel sensore di viscosità fornisce una misurazione della temperatura del materiale di rivestimento esattamente nel punto di misurazione della viscosità.

La tecnologia dei sensori risonanti fornisce una soluzione adattata in modo esclusivo al monitoraggio dei rivestimenti in lineaoring e controllo. Soddisfano molti dei requisiti per una misurazione affidabile e accurata:

• Robustezza: mantengono accuratezza e ripetibilità su ampie variazioni dei parametri di processo. Sono privi delle parti rotanti e delle fessure strette tipiche dei viscosimetri e dei reometri da laboratorio. Inoltre possono operare in ambienti con alti livelli di vibrazioni e urti.
• Indipendenza dall'operatore: sia le tazze di efflusso che gli strumenti di laboratorio richiedono operatori esperti per mantenere misurazioni affidabili e ripetibili. Senza un'adeguata formazione e attenzione ai dettagli, i metodi dipendenti dall'operatore sono generalmente inaffidabili per mantenere uno stretto controllo sul processo di rivestimento.
• Compatibilità con monitor automatizzatooring e sistemi di controllo – L’implementazione delle metodologie dell’Industria 4.0 richiede un’interfaccia perfetta dei sistemi di misurazione con la tecnologia degli impianti esistenti. I sistemi di viscosimetria a risonanza forniscono un ampio spettro di opzioni di uscita, da loop di corrente da 4-20 mA attraverso interfacce Ethernet, RS485 e bus CAN che eseguono protocolli standard del settore come Modbus, EthernetIP, CANOpen, Profinet, JSON, OPC UA per l'acquisizione diretta dei dati dalla macchina Sistemi PLC e SCADA di fabbrica. I metodi offline, al contrario, richiedono la fase intermedia in cui l'operatore inserisce manualmente i valori di viscosità, un processo che è soggetto a errori ed errori e non crea una completa tracciabilità del processo.
• Stretto controllo della temperatura: un buon sensore risonante ha la misurazione della temperatura integrata nell'elemento di rilevamento. Ciò consente la caratterizzazione del materiale di rivestimento nel punto di misurazione della viscosità, piuttosto che in condizioni di laboratorio.
• Manutenzione semplice: i sensori risonanti più avanzati espongono elementi del sensore sigillati ermeticamente e meccanicamente robusti al materiale di rivestimento. Sono privi di fessure e cavità e possono essere facilmente puliti in posizione (CIP) o rimossi semplicemente con uno straccio imbevuto di solvente. Sono disponibili anche sistemi che consentono il lavaggio del sensore in linea, abbinati a sistemi di autocontrollo che indicano se il sensore è pulito e privo di contaminazioni.
• Conveniente: nonostante il costo iniziale relativamente più elevato rispetto alle tazze di efflusso, i sistemi di misurazione della risonanza in linea sono generalmente molto meno costosi rispetto ai tipici strumenti di laboratorio, specialmente quando il costo ricorrente dei tecnici di laboratorio qualificati è considerato nell'equazione. Il costo di vita di questi viscosimetri in linea è significativamente inferiore rispetto alle coppe manuali se si tiene conto del costo della manodopera.

Un esempio di sensore risonante che offre questi vantaggi è il Rheonics Viscosimetro in linea SRV (vedere Fig. 2 di seguito)

Il suo fattore di forma compatto consente l'installazione diretta nella linea di verniciatura, vicino al punto di applicazione. La sua velocità di taglio intrinsecamente elevata, ben in alto sull'alto plateau di taglio dei tipici sistemi di verniciatura, produce misurazioni che prevedono accuratamente il comportamento del rivestimento nelle condizioni di flusso tipiche dell'applicazione a spruzzo.

Figura 2. Viscosimetro in linea SRV (fonte: rheonics)

Viscosità e temperatura: un rapporto intimo

La viscosità di quasi tutti i liquidi dipende fortemente dalla temperatura. Una misurazione della viscosità senza un controllo rigoroso e accurato della temperatura non ha senso. Per questo motivo è essenziale che la temperatura del fluido venga misurata il più vicino possibile al punto di misurazione della viscosità. Strumenti come il Rheonics SRV dispone di una misurazione accurata della temperatura integrata nell'elemento sensibile in modo che il valore di ogni misurazione della viscosità sia accompagnato da un valore di temperatura.

La misurazione della temperatura del fluido esattamente nel punto di misurazione della viscosità ha un ulteriore vantaggio. È possibile caratterizzare il rapporto tra la viscosità del rivestimento e la temperatura variando la sua temperatura nell'intervallo previsto nella linea di rivestimento, misurando la sua viscosità con il viscosimetro in linea. Le misurazioni risultanti possono essere utilizzate per derivare una formula che consente di calcolare la viscosità del fluido a qualsiasi temperatura in questo intervallo da una misurazione a qualsiasi altra temperatura in questo intervallo. Pertanto, il cosiddetto viscosità compensata in temperatura diventa indipendente dalla temperatura di processo effettiva. La viscosità con compensazione della temperatura è importante perché riflette alcuni parametri di processo molto rilevanti, come il carico di pigmento o la concentrazione di solvente, entrambi di per sé indipendenti dalla temperatura.

La misurazione affidabile della viscosità consente il controllo predittivo per l'integrazione di Industria 4.0

Alcuni degli elementi chiave per portare le linee di verniciatura agli standard dell'Industria 4.0 includono:

• Coerenza nel rivestimento grazie ad azioni correttive automatizzate
• Agilità nell'affrontare nuove varianti di prodotto nella produzione, conformità e provenienza del prodotto
• I big data forniscono prove solide per basare le decisioni per una maggiore efficienza
• L'interconnessione e la trasparenza delle informazioni consentono agli operatori di prendere decisioni sia all'interno che all'esterno degli impianti di produzione, consentendo così il decentramento delle decisioni
• Riduzione delle emissioni di carbonio - L'ottimizzazione del processo di rivestimento riduce l'utilizzo di materiale, il consumo di energia e gli sprechi: tutto ciò riduce in modo significativo il budget di CO2 del processo di rivestimento
• Il ritorno sull'investimento (ROI) sui viscosimetri in linea tipici è dell'ordine di 3-6 mesi.

Figura 3. Schema che mostra l'integrazione in linea del viscosimetro e controller nel processo di verniciatura / rivestimento automobilistico.

Verso una maggiore precisione, un controllo del processo di rivestimento affidabile e agile

 I sensori di viscosità risonante sono spesso accoppiati a sistemi di controllo basati su PLC convenzionali. Questi in genere non sfruttano tutti i vantaggi richiesti dai moderni sistemi di sensori compatibili con l'Industria 4.0.

Sistemi più sofisticati possono, ad esempio, utilizzare le misurazioni altamente accurate e riproducibili fornite dai sensori risonanti per consentire l’impostazione “blocca e carica” dei parametri di rivestimento controllando le misurazioni effettive rispetto a un database di materiali di rivestimento e parametri di lavoro stabiliti. Uno di questi sistemi è il Rheonics CoatControl con software ViscoLock che consente il controllo online della viscosità compensata dalla temperatura dei rivestimenti su più linee contemporaneamente. È possibile gestire più sensori da un unico dashboard distribuito in tutta la fabbrica. L'uniformità del rivestimento su più linee in fabbrica può essere ottenuta anche a temperature e condizioni di evaporazione variabili attraverso l'automazione del sistema di dosaggio con un controller che utilizza misurazioni continue della viscosità in tempo reale. I verniciatori possono finalmente ottenere la tracciabilità completa di ogni operazione di rivestimento.

Conclusione

I moderni sistemi di sensori e controllo migliorano il controllo del processo di rivestimento per conformarsi ai requisiti dell'Industria 4.0. Associando sensori in linea precisi e affidabili con sofisticati sistemi di controllo in linea, il controllo della viscosità può essere portato agli standard richiesti dalle linee di rivestimento automatizzate ad alta velocità, migliorando la produttività e la conformità agli standard ambientali. Tali sistemi sono aperti a futuri sviluppi nel campo, consentendo un agile adattamento alle mutevoli formulazioni dei rivestimenti e miglioramenti nella tecnologia applicativa.

1. Enfatizzare una maggiore efficienza, produttività, agilità e flessibilità mantenendo la qualità e la sicurezza, i progressi nelle apparecchiature per la produzione di vernici e rivestimenti: https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/advances-in-paint-and-coating-manufacturing-equipment/
2. Viscosità ottimale per l'applicazione della vernice: https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/optimum-viscosity-paint-application/
3. Principio di funzionamento SRV: https://rheonics.com/whitepapers/
4. Un aggiornamento sulla sostenibilità nel settore dei rivestimenti - https://www.paint.org/coatingstech-magazine/articles/an-update-on-sustainability-in-the-coatings-industry/

Per saperne di più sulle nostre soluzioni per l'industria dei rivestimenti, visita la pagina delle soluzioni.