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Nivel de confianza en medición del brillo

Análisis de de los métodos y estándares existentes para una correcta medición del brillo en superficies recubiertas.

por TQC*

Las propiedades estéticas son cada vez más importantes en la industria de hoy. En el siglo XX las mediciones del brillo se convirtieron en un parámetro de control de calidad estándar para validar la apariencia visual de superficies recubiertas. Las lecturas de los medidores de brillo (brillómetros) y los estrictos criterios de brillo, establecidos en las especificaciones de acabado, son por estos días pautas de apariencia determinantes.

Los fabricantes de revestimientos, las organizaciones encargadas del control de la calidad y los proveedores de equipos de verificación también especifican o exigen límites muy estrictos para los niveles de brillo. ¿Pero dichas especificaciones y exigencias son factibles? 

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Los brillómetros se hicieron populares en los años 70. Los fabricantes de equipos de verificación alemanes comenzaron a producir en masa medidores de brillo a precios asequibles y apropiados para usar en líneas de producción. Dichos equipos se basaban en instrumentos de laboratorio empleados en la industria del papel de la época. Debido a la evolución de la tecnología y a las más elevadas exigencias en materia de apariencia visual, se redujeron de manera significativa las tolerancias de las especificaciones de las unidades de brillo (UB). Algunos fabricantes de instrumentos aseguran que sus brillómetros ofrecen una precisión que no supera el valor de 0.1 UB y las especificaciones para las aplicaciones suelen determinar un ancho de banda de solo 1 UB como criterio de aceptación. 

¿Estos criterios son realistas? 
Para responder a esta pregunta es necesario analizar el brillo tal como figura en las normas internacionales (ISO y ASTM) y tal como lo miden los laboratorios de referencia.

Para definir una unidad de brillo es necesario establecer algunos puntos de referencia. Los puntos de referencia de brillo establecidos en las normas son 0 UB y 100 UB. El punto de referencia de 0 UB corresponde a una superficie completamente opaca y mate con cero reflexión. El punto de referencia de 100 UB GU está basado en un cristal negro o de cuarzo. El índice de refracción, una derivación del cambio en el ángulo cuando la luz pasa de un medio a otro, a una longitud de onda específica se emplea para calcular la reflectividad de una superficie. Esto se hace empleando la ecuación de Fresnel. 

Este método parece bastante sólido, sin embargo, hay una falla en la definición de la longitud de onda empleada. Las normas ASTM y ISO no concuerdan en la longitud de onda de la línea espectral que se debe usar para el punto de referencia de 100 UB. La norma ISO emplea la línea “d” (helio), mientras que la norma ASTM hace referencia a la línea “D1” (sodio). Se trata en realidad de una diferencia de solamente 1.7 nm, pero en términos de estandarización es una desviación importante que puede dar lugar a resultados inesperados.

En términos generales, el uso de solo dos puntos de referencia es una base poco consistente para un estándar. Adicionalmente, la linealidad entre estos dos puntos es solo un supuesto. No hay manera de verificar esta supuesta linealidad puesto que no se han definido más puntos de referencia y, por consiguiente, no se tiene acceso a ellos en este momento.

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Se ha observado un segundo parámetro que no ha sido especificado. La rugosidad superficial de las placas de calibración estándares no hace parte de la ecuación de Fresnel, tampoco la rugosidad es tomada en consideración en las normas anteriormente mencionadas. Algunas normas especifican la lisura, no obstante, en el mejor de los casos, la rugosidad es designada como “superficie altamente pulida” (¿cómo cuantificar “altamente”?). 

No obstante, la rugosidad superficial sí afecta la reflexión de una superficie. Las placas de calibración de brillo empleadas por los fabricantes de instrumentos para validar la linealidad de sus productos están hechas del mismo material para todo la gama de brillo, aunque con diversos acabados superficiales, en términos de rugosidad y textura.

En rigor, estas placas deberían tener todas el mismo valor de brillo en virtud de la ecuación de Fresnel y las definiciones de las normas. Sin embargo, cuando dichas placas son medidas por un laboratorio de referencia —como el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos, NIST, o el Instituto Federal de Alemania para la Investigación y Comprobación de Materiales, BAM— todas ellas arrojan valores diferentes. Por ello, surge la pregunta: “¿La rugosidad superficialidad incide en el valor del brillo? “. La respuesta es clara: “Sí incide y el efecto es significativo”. 

En la Tabla 1 se observan los principales parámetros empleados en varias normas globales. La varianza en el valor del brillo ocasionada por esta diferencia puede sumar varias unidades de brillo. 

Tabla 1: Línea espectral y condiciones de acabado por norma

 

Entre más rugosa sea la superficie, menor es el brillo, como se observa en la gráfica 1.

Gráfica 1: Muestra la relación entre el brillo y la rugosidad. La gráfica es la correlación del brillo con el valor Ra (rugosidad superficial media aritmética). Todos los datos se obtienen a partir de placas de vidrio negro del mismo material con el mismo índice de refracción.

Estos dos asuntos: la rugosidad superficial y la longitud de onda de la línea espectral, constituyen un problema sistemático en la armonización de los estándares de brillo, lo que hace imposible trabajar de conformidad con varios estándares simultáneamente. El diseño y la geometría de los medidores de brillo por lo general es adecuado para la operación dentro de varios estándares. Sin embargo, la calibración de los equipos de medición con base en los estándares actualmente definidos ocasiona problemas, tal como se observa en la Tabla 1.

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Ni siquiera los dos principales laboratorios de referencia, NIST y BAM, están en consonancia entre sí. El instituto NIST hace referencia a la norma ASTM, mientras que el BAM se refiere a la norma ISO.

¿Razones por ausencia de concordancia?
Es difícil explicar la ausencia de concordancia entre los estándares. La falta de experiencia o conocimiento podría ser un problema. Las revisiones de la literatura relevante no muestran ninguna investigación importante sobre el brillo/la reflexión en contraste con la rugosidad superficial. Sin lugar a dudas, se han realizado trabajos en el área de revestimientos, pero ¿qué aspectos abarcan dichos trabajos? El velo (haze), la distinción de la imagen y el efecto de piel de naranja…todos estos parámetros importantes, pero sin un valor estándar de referencia definido. Todo parece indicar que el estándar para el brillo es, por decir lo menos, discutible.

Se han realizado algunos estudios científicos sobre el comportamiento de la luz en superficies rugosas, por ejemplo, la teoría de la dispersión de Beckman y Kirchhoff. No obstante, no existe una teoría unificada que conecte la teoría de Beckman y Kirchhoff con la ecuación de Fresnel. Un estudio científico que se encargue de investigar si ambas teorías pueden combinarse podría producir una definición definitiva y unívoca sobre las placas de calibración del brillo para llegar a un valor absoluto y así unificar la norma ISO y la norma ASTM.

Además de la incertidumbre sobre las definiciones de los estándares sobre brillo hay más cosas por las que preocuparse. La trazabilidad que todos desean en sus métodos está en grave peligro. Todos los laboratorios certificados necesitan enviar de forma regular sus estándares para calibración y necesitan una trazabilidad sólida de los estándares de referencia. Un estándar de referencia debe tener al menos un nivel de certidumbre mayor que el estándar de calibración. Esto implicaría una verificación regular anual del estándar de referencia empleado.

Numerosos laboratorios de calibración con certificación ISO 17025 calibran las placas de los usuarios, suministrados con todos los brillómetros comerciales, mediante una verificación con otro brillómetro comercial. Este brillómetro en sí se calibra con placas que tienen certificación del BAM. En la gama de referencia de 100 UB BAM indica una incertidumbre de hasta ±1 UB. Al combinar este valor con la reproducibilidad y la precisión del brillómetro comercial que se usa para la verificación, este sistema produce fácilmente un error de varias unidades de brillo.

¡Es momento de replantear el nivel de confianza que depositamos en estos estándares!

Los principales estándares de referencia del BAM y el NIST deben examinarse en función de su índice de refracción. En los últimos 15 años nunca se ha realizado un examen cruzado entre estos dos laboratorios principales. Muchos aspectos relacionados con la referencia de brillo son inciertos y deben ser resueltos, tales como la correlación entre la rugosidad y el brillo, la longitud de onda de la línea espectral y principalmente la supuesta linealidad de la línea de calibración.

La situación actual fue una de las motivaciones que tuvo ISO para revisar los estándares de brillo de la norma ISO 2813. Con el fin de llevar la norma a un nivel oficial más elevado, como documento de trabajo, ISO tuvo que realizar un estudio interlaboratorio (ILS, por sus siglas en inglés), también conocido como prueba Round Robin. Para dicho estudio se empleó una selección de las principales marcas de brillómetros comerciales.

El estudio probó que los valores de repetibilidad y reproducibilidad indicados en las fichas de datos de los instrumentos empleados en el ILS distaban mucho de ser realistas. Adicionalmente, se encontró que los datos en que se basaban estos valores de repetibilidad y reproducibilidad se perdían con el tiempo. Basándose en los resultados de la prueba interlaboratorio (Round Robin), ISO decidió formular nuevos niveles de reproducibilidad (R) y repetibilidad (r) en la próxima versión de la norma ISO2813. Estos niveles reflejan lo que actualmente es posible lograr con los medidores de brillo profesionales de última generación (Véase tabla 2.)

Tabla 2: datos de repetibilidad y reproducibilidad para el brillo propuestos en la nueva norma ISO 2813

Conclusión
ISO dio el primer paso al renovar la norma ISO2813. Sin embargo, esto resuelve solo una parte del problema. El problema principal tiene que ver con el estándar fundamental. Actualmente todos los datos se derivan de solo un material de referencia, un trozo de cristal de cuarzo, sin que exista una prueba de la supuesta linealidad. 

Lo ideal sería desarrollar y definir una serie de materiales de referencia confiables con el fin de probar y garantizar las referencias de brillo en un rango de valores, no tan solo en uno o dos puntos. Un grupo de referencias también permitiría demostrar o refutar la supuesta linealidad de la línea de calibración. Se requieren investigaciones científicas exhaustivas para definir los efectos de la rugosidad y la longitud de onda con el fin de desarrollar un estándar fundamental que permita armonizar las normas ISO y ASTM y que no deje lugar a dudas. En el mejor de los casos, el nivel de precisión de estos estándares fundamentales es diez veces mejor que los de los medidores de brillo comerciales actuales.

Sería de gran utilidad para la industria realizar investigaciones científicas sobre una definición global de brillo. Es necesario comprobar la factibilidad y corrección de todas las especificaciones sobre brillo. Aunque el brillo es un criterio de control de calidad de la apariencia generalmente aceptado en muchas industrias, recientes hallazgos sobre los estándares de brillo nos obligan a reconsiderar la forma en que analizamos la exactitud de los resultados obtenidos.

*TQC diseña y produce instrumentos de medición de campo y equipo de laboratorio para pruebas de de pinturas y recubrimientos y tratamiento de superficies generales (www.www.tqc.eu).

Duván Chaverra Agudelo
Author: Duván Chaverra Agudelo
Jefe Editorial en Latin Press, Inc,.
Comunicador Social y Periodista con experiencia de más de 16 años en medios de comunicación. Apasionado por la tecnología y por esta industria. dchaverra@latinpressinc.com

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