복제 테이프 방법은 전 세계 검사자들이 수십 년 동안 표면 프로파일 높이를 측정하는 데 사용해온 신뢰할 수 있는 방법입니다. 이전 연구에 따르면 이 방법은 매우 정밀하고 정확한 것으로 나타났지만, 복잡한 버니싱 기술과 일부 측정 범위에서 두 가지 등급의 복제 테이프의 평균을 구해야 하는 요구 사항으로 인해 일부 사용자에게는 이 방법이 어려운 점이 있었습니다. 이 백서에서는 이 방법에 대해 제안된 두 가지 변경 사항, 즉 업데이트된 버니싱 도구와 선형화된 측정 눈금을 통해 평균화할 필요가 없도록 하는 방법을 자세히 설명합니다. 이 업데이트된 방법의 정확성과 정밀도를 확인하기 위해 다양한 경험을 가진 15명의 사용자가 다양한 미디어와 프로파일 높이로 블라스팅된 다양한 테스트 패널에서 측정을 수행하는 연구를 수행했습니다.
핵심 단어: 검사, 코팅 검사, 테스텍스 테이프, 복제 테이프, 버니싱, 표면 프로파일, 표면 거칠기, ASTM D4417, NACE SP0287, ISO 8503-5
산업용 보호 코팅을 적용하기 전에 연마 또는 기계식 블라스팅을 통해 기판을 준비합니다. 블라스팅은 기판에서 밀 스케일과 부식을 제거하는 동시에 피크와 밸리의 복잡한 패턴을 생성하여 추가적인 표면적을 확보하고 전단력을 완화합니다1.
표면 프로파일이라고 하는 이러한 추가 피크와 밸리는 연마재 크기, 연마재 모양, 연마재 구성, 분사 압력, 분사 노즐 오리피스 크기, 표면에 대한 분사 노즐의 위치 등의 요인에 따라 달라집니다.
충분한 표면 프로파일이 생성되었는지 확인하는 것은 수십 년 동안 일반적인 품질 관리 요건이었습니다. 역사적으로 바람직한 표면 프로파일을 가진 패널은 작업 초기에 생성되어 검사자가 촉각 및 시각적 비교를 위한 벤치마크로 사용되었습니다. 이후 비교를 위해 다양한 표준화된 샘플 표면 프로파일을 갖춘 상업적으로 준비된 비교 패널이 도입되었습니다. 상업용 비교 패널은 이전 방법에 비해 크게 개선되었지만, 검사자의 판단에 의존하는 정성적인 방법이었기 때문에 판단을 내리기에는 한계가 있었습니다.
1970년대에 표면 프로파일을 측정하는 대체 방법이 도입되었습니다: 테스트엑스 레플리카 테이프입니다. 복제 테이프는 비압축성 마일라 기판에 접착된 압축성 폼으로 구성되며, 폼/마일라에 접근할 수 있도록 구멍이 있는 접착 라벨에 접착되어 있습니다. 복제 테이프가 블라스트 표면에 접착되고 한쪽 끝에 구형 볼이 달린 휴대용 도구가 폼/밀라의 마일라 쪽을 눌러 폼을 표면으로 밀어내어 궁극적으로 네거티브 복제본을 생성합니다. 그런 다음 복제 테이프를 표면에서 제거하고 폼/밀라의 높이를 측정합니다. 마일라 기판의 두께를 빼면 폼 복제본의 높이를 결정할 수 있으므로 피크 대 밸리 표면 프로파일 높이를 설정할 수 있습니다.
복제 테이프 프로세스는 현장에서 사용할 수 있는 빠르고 저렴하며 정량적인 방법을 제공했습니다. 이 방법은 빠르게 인기를 얻었고 50년이 지난 지금도 가장 널리 사용되는 표면 프로파일 측정 방법 중 하나로 남아 있습니다.
보호 코팅 업계에서 일반적으로 사용되는 복제 테이프에는 세 가지 '등급'이 있습니다: 20~50µm(0.8~2mil) 사이의 프로파일을 위한 Coarse, 40~115µm(1.5~4.5mil) 사이의 프로파일을 위한 X-Coarse, 70~150µm(4~6mil) 사이의 프로파일을 위한 X-Coarse Plus입니다.
복제 테이프의 정확도와 정밀도를 결정하려는 시도는 1987년 미국 부식 기술자 협회(이후 NACE International, 이후 AMPP)에서 전문가 패널을 소집했을 때로 거슬러 올라갑니다2. 1987년 연구에서는 7명의 작업자가 14개의 패널에서 사전 제작된 복제 테이프 측정값과 표면 프로파일의 피크와 밸리에 초점을 맞춘 현미경을 사용하여 캡처한 측정값을 비교했습니다. 복제 테이프와 초점 현미경 측정값은 14개 사례 중 11개 사례에서 95% 신뢰 한계(표준편차 2개) 내에서 일치했습니다. 두 측정 기법 간의 평균 차이는 4.5μm(0.18밀리미터)였습니다. 작업자가 측정한 평균 표준 편차는 5.4μm(0.21밀리)였으며, 95% 신뢰 구간은 ±10.8μm(0.42밀리)였습니다.
2012년에는 ASTM D01.46 소위원회에서 ASTM D44173에 따라 사용되는 복제 테이프의 반복성과 정확성을 확립하기 위해 후속 라운드 로빈 연구를 수행했습니다. 11개 실험실에서 3명의 작업자가 5개의 패널을 측정하여 패널당 총 33개의 복제 테이프를 측정했습니다. 측정의 반복성(95% 신뢰 구간)은 패널에 따라 ±5~10μm(0.2~0.4밀리미터)였습니다.
추적 가능한 표면 프로파일 측정 표준이 존재하지 않기 때문에 정확도를 결정하는 것은 어려운 일입니다. 블라스트 프로파일은 그 특성상 무작위적이기 때문에 추적 가능한 표준을 생성하려는 시도는 비현실적입니다. 따라서 D01.46 소위원회는 드래그 스타일러스인 D4417 방법 D를 참조 방법으로 사용하기로 결정했습니다. 드래그 스타일러스 프로파일로미터는 표면 형태를 측정하는 업계 표준 방법이며, 더 중요한 것은 추적이 가능하고 참조 표준을 사용하여 보정할 수 있다는 점입니다. 이 기기는 정확도가 매우 높으며 일반적으로 1μm(0.04밀리미터) 미만의 정확도로 지정되어 있습니다.
드래그 스타일러스 프로파일로미터는 표면 프로파일을 관통하는 미세한 스타일러스를 사용합니다. 이 스타일러스를 표면 위로 드래그하여 측정 데이터를 기록하면 표면 프로파일의 2D 트레이스를 캡처할 수 있습니다. 이 2D 트레이스에 다양한 수학적 함수를 수행하여 프로파일의 형태와 관련된 숫자를 얻을 수 있으며, ASTM D4417 방법 D는 12.5mm(1/2") 평가 길이를 따라 가장 높은 피크와 가장 낮은 밸리 사이의 거리인 Rt를 적절한 파라미터로 지정하고 있습니다.
블라스팅 프로파일의 무작위적인 특성으로 인해 얇은 선을 따라 발생하는 프로파일은 전체 표면을 제한적으로 표현하기 때문에 이 방법의 정밀도는 낮습니다. 그러나 여러 측정값의 평균을 구하면 이 정밀도를 향상시킬 수 있습니다.
이 '상대 정확도' 방법을 사용하여 복제 테이프 방법의 정확도는 약 ±8μm(0.3밀리미터)로 확인되었습니다.
2023년, 이 저자는 2012년의 연구 결과를 재현하기 위한 시도를 했습니다. 복제 테이프의 경험이 많은 사용자는 결과를 어느 정도 재현할 수 있었지만, 경험이 없는 사용자는 결과를 재현하는 데 상당한 어려움을 겪었습니다.
복제 테이프는 폼이 완전히 압축되는 범위의 하단에서는 비선형적으로 반응하고, 폼의 두께보다 피크 높이가 큰 범위의 상단에서는 비선형적으로 반응하는 것으로 오랫동안 알려져 왔습니다.
테이프의 반응이 점점 더 비선형적으로 변함에 따라 측정값이 점점 더 부정확해집니다. Testex는 테이프의 사용 가능 범위에 보수적인 한계를 설정하여 이 문제를 해결합니다. "X-Coarse"의 경우 이 범위는 63um ~ 115um(2.5 ~ 4.5밀리)입니다. '거친'의 경우 범위는 20~38um(0.8~1.5밀리)입니다. 작은 부정확성은 "X-Coarse"의 상단(115um 또는 4.5밀리)과 "Coarse"의 하단(20um 또는 0.8밀리) 끝에서 나타납니다. 두 등급이 겹치는 영역에서는 "거친" 및 "X-거친" 테이프로 판독하여 평균을 내는 불편한 평균화 절차를 적용해야 합니다.
이 평균화 절차는 이미 장비의 일부인 재료와 관행을 활용하지만 ASTM 라운드 로빈에서 볼 수 있듯이 정확도와 정밀도가 떨어집니다. 또한 일부 검사자에게는 불편하고 혼란스러우며 측정 오류의 위험이 높아집니다.
ASTM 라운드 로빈 데이터 분석과 후속 연구를 기반으로 제조업체에서 수행한 실험에 따르면 복제 테이프의 선형성 오차는 측정되는 표면 프로파일과 높은 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 측정된 Rt가 50μm(2.4밀리미터)인 패널을 복제 테이프로 측정하면 일관되게 64μm(2.6밀리미터)의 측정값이 산출됩니다. 광범위한 블라스팅 프로파일에 대해 상당한 수의 측정을 수행하면 복제 테이프의 측정 범위에서 이 선형성 오차를 정량화하여 판독값에 적용할 수 있는 보정 계수를 산출하여 정확도를 높이고 번거로운 평균화 절차가 필요하지 않게 됩니다.
레플리카 테이프 방법은 버니싱 도구를 사용하여 마일라/폼을 블라스팅된 프로파일에 압착하는 방식입니다. 버니싱 도구는 간단하고 저렴하게 압력을 가할 수 있는 도구이지만, 복제 테이프를 제대로 버니싱하려면 올바른 작업자 기술이 필요합니다. 충분한 힘을 사용하지 않으면 압축되지 않은 폼 영역이 남아서 잘못된 결과가 측정됩니다. 과도한 힘을 사용하면 표면의 피크가 폼을 지나 마일라 백킹으로 침투하여 결과가 잘못 측정될 수 있습니다. 숙련된 작업자는 일관되고 정확한 힘을 사용하는 방법을 배울 수 있지만, 버니싱 공정은 신규 및 기존 검사자에게는 여전히 어렵고 일관성이 없습니다.
모든 경험 수준의 사용자에게 더 높은 정확도를 제공하기 위해 정밀 버니싱 도구가 개발되었으며, 그림 5에 설명되어 있습니다. 이 도구는 스프링이 장착된 볼이 들어 있는 외부 플라스틱 하우징으로 구성되어 있습니다. 스프링은 공구를 표면에 눌렀을 때 공에 알려진 일정한 힘을 가하도록 보정되어 있습니다.
기존 방법과 유사하게 그림 6과 같이 복제 테이프 위에 도구를 놓고 복제 폼이 완전히 압축될 때까지 번갈아 가며 움직여 일관된 '조약돌 입자' 모양으로 만듭니다. 레플리카 테이프에 줄무늬나 자국이 없어야 합니다.
작업자가 가하는 힘에 관계없이 강철 버니싱 볼은 일정한 양의 힘을 가하므로 레플리카 테이프가 과도하게 압축되어 표면 프로파일의 피크가 백킹 재료에 박힐 위험을 제거합니다. 레플리카 테이프의 전체 영역이 버니싱되고 도구의 바닥면이 버니싱하는 동안 레플리카 테이프와 접촉하는 한, 언더 버니싱의 위험도 제거됩니다.
.jpg)
이 연구의 목적은 추적 가능한 기준 방법(드래그 스타일러스 프로파일로미터)을 사용하여 Rt(피크 대 밸리 프로파일 높이)를 측정할 때 정밀한 힘 버니싱 도구와 선형화/보정 계수로 보강된 복제 테이프 방법의 정확도를 확인하는 것입니다.
실제 현장 조건에서 발파된 테스트 샘플로 연구를 완료하기 위해 38개의 3" x 5" 강철 패널 세트를 상업용 패널 공급업체에 의뢰하여 표준화된 패널을 제작했습니다. 8개 패널로 구성된 4개 세트는 샷, 스틸 그릿, 석탄 슬래그 및 가넷으로, 6개 패널은 알루미늄 산화물로 블라스팅했습니다. 각 패널 세트는 다양한 블라스트 프로파일을 생성하기 위해 다양한 연마재를 사용하여 블라스트했습니다. 두 개의 알루미늄 패널과 두 개의 강철 패널도 일반적으로 산업용으로 사용되는 범위보다 낮은 범위의 거친 등급 복제 테이프 테스트에 적합한 미세 프로파일을 생성하기 위해 취미용 블라스팅 설정을 사용하여 저압에서 초산화합금 연마제를 사용하여 블라스팅했습니다. 실험실에 도착하자마자 각 패널에 대한 예비 평가는 ASTM D4417 방법 D에 따라 스타일러스 프로파일로미터(Mitutoyo SJ-201 S/N 801624)로 8번의 Rt 측정을 통해 수행되었습니다.
예비 평가를 바탕으로 다양한 Rt 값과 연마재 유형을 대표하는 22개의 패널을 선정하고 문자를 지정하여 연구를 진행했습니다. 그런 다음 스타일러스 프로파일로미터를 사용하여 각 패널에서 Rt를 12회 추가로 측정하여 Rt 측정의 통계적 신뢰도를 높였습니다:
테스트를 수행하기 위해 저자의 동료들 중에서 17명의 피실험자를 모집했습니다. 다양한 인구통계학적 특성과 복제 테이프 사용 경험을 대표하기 위해 노력했습니다. 몇몇 참가자는 이 연구 이전에 레플리카 테이프를 사용해 본 적이 없었습니다:
작업자가 한 번에 연구에 참여하는 시간을 줄이기 위해 연구는 두 부분으로 나누어 진행되었습니다. 연구의 1부에서는 15개의 패널을 X-Coarse 테이프로 측정했습니다. 연구의 두 번째 부분에서는 6개의 패널을 거친 복제 테이프로 측정하고 6개의 패널을 X-Coarse Plus 복제 테이프로 측정했습니다. (일부 패널은 여러 등급의 테이프를 사용했습니다). X-Coarse 테이프가 테스트의 초점이 된 이유는 가장 많이 사용되는 등급으로, 일반적으로 발생하는 블라스트 프로파일을 측정할 수 있는 범위를 갖추고 있기 때문입니다.
그림 7의 스테이션에는 테스트 패널, 원하는 등급의 복제 테이프, 버니싱 도구, 마이크로미터, 노트북(교육용 비디오 및 결과 기록용), 왁스 종이(버니싱된 복제 테이프 조각 보관용), 종이(필요에 따라 마이크로미터 모루 청소용) 등 테스트에 필요한 모든 재료가 구비되어 있었습니다.
일관성을 유지하기 위해 이 연구의 저자가 11분 분량의 교육용 동영상을 녹화했습니다:
테스트는 앞서 언급한 선형화 및 수정된 버니싱 도구를 제외하고 ASTM D4417 방법 C에 따라 수행되었습니다. 각 참가자는 버니싱으로 인한 흰색 반점이나 자국이 없는 일관된 회색 패턴이 될 때까지 레플리카 테이프를 버니싱하도록 지시받았습니다. 제대로 버니싱된 복제 테이프와 그렇지 않은 복제 테이프의 예를 보여주기 위해 샘플 버니싱 테이프 조각이 제공되었습니다. 패널의 특정 영역에 두 개의 복제 테이프 조각을 버니싱한 후 마이크로미터를 사용하여 측정했습니다. 이러한 측정값은 나중에 제조업체의 지침에 따라 데이터 처리 단계에서 작성자가 평균을 냈습니다. 기존 제조업체의 지침에 따라 두 측정값이 5마이크론(0.2밀리미터) 이상 차이가 나면 세 번째 측정을 수행하여 원래 두 측정값 중 가장 유사한 측정값으로 평균을 냈습니다.
총 510개의 복제 테이프가 레코딩되어 총 255번의 측정이 이루어졌습니다. 아래 그림 8에는 연구의 X-Coarse 복제 테이프 부분의 측정값이 요약되어 있습니다. 노란색 띠는 선형화된 측정값의 95% 신뢰 구간을 나타내며, 각 작업자의 측정값은 특정 색상으로 표시되어 있습니다.
표준 편차와 표준 오차(측정된 Rt 대비)는 각각 주어진 패널에 대한 작업자 간의 반복성과 각 패널의 전체 측정 편향에 대한 측정값을 제공합니다.
이 결과는 평균 표준 편차의 두 배로 정의되는 평균 정밀도 ±5.6µm(0.22밀리미터)를 나타냅니다. 이는 작업자 간에 결과가 얼마나 유사한지를 나타내는 것으로, '재현성'이라고도 합니다.
표준 측정 오차는 ±4.0µm(0.16밀리)였으며, 이는 결과가 추적 가능한 드래그 스타일러스 측정값에 얼마나 근접했는지를 나타냅니다. 따라서 95% 신뢰 구간은 ±8.0µm(0.32밀리)로, 일반적으로 테스트 방법의 정확도로 간주됩니다. 특히 255개의 측정값은 각각 ±8µm(0.32밀리) 범위 내에 있었습니다.
연구의 거친 등급 부분에서는 177개의 복제 테이프를 레코딩하여 총 89개의 측정값을 얻었습니다. 측정값은 아래 그림 9에 요약되어 있습니다. 노란색 띠는 선형화된 측정값의 95% 신뢰 구간을 나타내며, 각 작업자의 측정값은 특정 색상으로 표시되어 있습니다.
표준 편차와 표준 오차(측정된 Rt 대비)는 각각 주어진 패널에 대한 작업자 간의 반복성과 각 패널의 전체 측정 편향에 대한 측정값을 제공합니다.
이 결과는 평균 표준 편차의 두 배로 정의되는 평균 정밀도 ±1.9µm(0.07밀리미터)를 나타냅니다. 이는 작업자 간에 결과가 얼마나 유사한지를 나타내는 것으로, '재현성'이라고도 합니다.
표준 측정 오차는 ±3.7µm(0.14밀리)로, 이는 결과가 추적 가능한 드래그 스타일러스 측정값에 얼마나 근접했는지를 나타냅니다. 따라서 95% 신뢰 구간은 ±8µm(0.32밀리)로, 일반적으로 테스트 방법의 정확도로 간주됩니다. 특히 89개의 측정값은 각각 ±8µm(0.32밀리) 범위 내에 있었습니다.
이 연구의 X-Coarse Plus 등급 부분에서는 210개의 복제 테이프를 레코딩하여 총 105회 측정했습니다. 측정값은 아래 그림 10에 요약되어 있습니다. 노란색 띠는 선형화된 측정값의 95% 신뢰 구간을 나타내며, 각 작업자의 측정값은 특정 색상으로 표시되어 있습니다.
패널 W는 Rt가 189µm(7.4밀리미터)로 X-Coarse Plus 복제 테이프의 최대 150µm(6.0밀리미터) 범위를 초과함에도 불구하고 이 연구 단계에 포함되었습니다. 많은 노력에도 불구하고 6.0~7.0 범위의 Rt를 가진 패널을 조달하기 어려웠고, 그 다음으로 높은 프로파일을 가진 패널 W를 평가하기로 결정했습니다. 패널 W는 X-Coarse Plus 복제 테이프의 범위를 훨씬 벗어났기 때문에 전체 정밀도 또는 정확도 수치에 포함되지 않았습니다. 패널 W의 결과는 X-Coarse Plus 복제 테이프의 최대 범위가 150µm(6.0밀리)보다 클 가능성이 높다는 것을 나타내지만 정확한 최대 범위를 결정하기 위해서는 해당 범위의 패널에 대한 추가 연구가 필요합니다.
표준 편차와 표준 오차(측정된 Rt 대비)는 각각 주어진 패널에 대한 작업자 간의 반복성과 각 패널의 전체 측정 편향에 대한 측정값을 제공합니다.
이 결과는 평균 표준 편차의 두 배로 정의되는 평균 정밀도 ±7.8µm(0.30밀리미터)를 나타냅니다. 이는 작업자 간에 결과가 얼마나 유사한지를 나타내는 것으로, '재현성'이라고도 합니다.
표준 측정 오차는 ±4.9µm(0.19밀리)로, 이는 결과가 추적 가능한 드래그 스타일러스 측정값에 얼마나 근접했는지를 나타냅니다. 따라서 95% 신뢰 구간은 ±10µm(0.38밀리)로, 일반적으로 테스트 방법의 정확도로 간주됩니다. 105개의 측정값 중 100개가 ±10µm(0.38밀리) 범위 내에 있었습니다.
이 연구에서는 표면 프로파일을 측정하는 복제 테이프 방법에 대한 약간의 업데이트, 즉 업데이트된 버니싱 도구의 사용과 측정 결과 보정을 위한 선형화 방법을 평가했습니다. 이 두 가지 업데이트는 이전 연구보다 경험이 훨씬 적은 작업자 명단에도 불구하고 테스트 방법의 정확성과 정밀도를 개선한 것으로 나타났습니다.
이 연구의 결과는 D01.46 위원회에서 수행한 이전 ASTM ILS 테스트의 결과와 유사하지만 더 유리하게 비교되었습니다. 개정된 버니싱 도구가 작업자의 상대적 미숙함을 상쇄하고(신규 작업자와 숙련된 작업자의 결과 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 없음) 전반적인 변동성을 줄인다는 가설이 성립됩니다. 또한 선형화 프로세스가 복제 테이프 범위의 상단과 상단 끝에서 반복성과 정확도를 향상시켰다는 가설도 있습니다.
이 연구를 바탕으로 다음과 같은 정확도 및 정밀도 문장을 제안합니다:
저자는 이 연구에 사용된 테스트 패널을 준비하는 데 있어 KTA-Tator의 도움을 받았습니다.