È una storia comune. Un fabbricante analizza quanto tempo i pezzi passano in ogni processo. Taglio laser, piegatura, saldatura – questi e altri reparti interni di solito possono essere misurati in minuti e ore. Ma se si mandano i pezzi ai subappaltatori esterni, il tempo si misura in giorni, a volte in settimane. Non c’è da stupirsi che così tanti costruttori scelgano di portare molti servizi all’interno dell’azienda, incluso il rivestimento in polvere.

Ancora, non tutti i costruttori hanno una linea di rivestimento in polvere, e per una buona ragione. Se un negozio ha una stretta rete di verniciatori personalizzati nella zona, fare il salto nella verniciatura a polvere forse non ha senso. Dopo tutto, lanciare una linea di verniciatura a polvere non è un’impresa semplice. Ma senza una rete vicina e reattiva di verniciatori in polvere personalizzati, un produttore a volte non ha scelta. Se vuole continuare a servire i clienti, un negozio a volte deve fare il grande passo.

I fabbricanti devono imparare le basi dell’attrezzatura, dal pretrattamento alla verniciatura in polvere stessa fino ai requisiti di asciugatura. Ma i negozi non dovrebbero dimenticare un pezzo critico del puzzle: i requisiti di formazione. La verniciatura a polvere è ingannevolmente semplice. Danneggiare o altrimenti scartare un pezzo durante la verniciatura a polvere e la finitura è un errore costoso, considerando tutto il valore – dal taglio laser alla saldatura – che è stato aggiunto prima del processo di verniciatura.

Considerando questo, The FABRICATOR ha parlato con Rodger Talbert di Grand Rapids, Mich.-based Talbert Consulting, specializzato nella formazione per l’industria della verniciatura a polvere. Si è scoperto che questo settore affronta le stesse sfide della fabbricazione dei metalli. La qualità di una vernice in polvere dipende non solo dalla tecnologia, ma anche dalle persone che gestiscono e utilizzano questa tecnologia. Tutto inizia con un operatore, una pistola a spruzzo e il pezzo in mano.

Il primo giorno

Osservando un operatore inesperto di verniciatura a polvere il suo primo giorno, Talbert nota diverse cose. Per prima cosa c’è l’idea sbagliata che si tratti di un lavoro facile. “È strano, ma è vero. La verniciatura a polvere può sembrare semplice nel senso che la persona media può capire come mettere la polvere su un pezzo. Ma presto scopre che non può ottenere un film uniforme, e non può coprire certe aree di un pezzo come sperava.”

Questa classica incoerenza di copertura deriva da un malinteso di base su come funziona esattamente la verniciatura a polvere. A differenza della vernice bagnata, la polvere non ha la tensione superficiale che la mantiene aderente alla superficie. È una polvere, dopo tutto, non un liquido. Una vernice in polvere aderisce solo quando c’è un’azione elettrostatica, “e l’elettricità ha il suo comportamento secondo la legge di Ohm”, ha detto Talbert. “Seguirà il percorso di minor resistenza”.

Quando il novizio inizia a spruzzare, all’inizio tutto sembra andare bene. Ma abbastanza presto, le aree di certe parti, come gli angoli stretti di flange interne adiacenti o il punto in cui due fili si intersecano, non hanno una copertura sufficiente del rivestimento, mentre le aree piatte ne hanno troppa. Questo perché le aree piatte presentano la minore resistenza elettrica, mentre gli angoli hanno un’alta resistenza elettrica.

Il novizio punta la pistola negli angoli per cercare di raggiungere una copertura sufficiente, solo per scoprire che una parte della polvere scorre in quelle aree di minor resistenza, quelle aree piatte. Il pezzo finisce con alcune aree sovraccaricate, altre aree sottocopertura, e un’irregolarità generale in tutto. Cosa manca all’operatore? Potrebbe essere una o molte altre cose, a seconda della situazione.

Attrezzatura e tecnica

Alcune variabili sono fuori dal controllo immediato dell’operatore durante l’operazione, comprese le impostazioni di pretrattamento, la velocità della linea, la sospensione dei pezzi e la densità della linea, nonché le impostazioni del forno di polimerizzazione. Per quanto riguarda le variabili che l’operatore può controllare, esse possono essere raggruppate in due aree: le impostazioni delle attrezzature e la tecnica.

Talbert suggerisce di iniziare con le attrezzature. Dopo tutto, per avere una buona tecnica, un operatore non può lottare contro le cattive impostazioni dell’attrezzatura.

“Si hanno due diversi sottosistemi che influenzano la copertura”, ha detto. “Il primo è la componente di erogazione, compresa la giusta pressione dell’aria. Questo ti dà la giusta quantità di polvere e impedisce che la polvere abbia una velocità eccessiva, dandoti un modello bello e uniforme. È la parte pneumatica del processo.”

Gli operatori hanno due diverse impostazioni dell’aria da considerare: (1) la percentuale del volume totale e (2) la velocità (atomizzazione o controllo del modello). Le impostazioni variano a seconda della polvere, del mix di parti e della persona che esegue il rivestimento. Come ha spiegato Talbert: “Un’impostazione tipica potrebbe essere il 40% e 4,0 Nm3/h (metri cubi/ora normali) per la mia alimentazione d’aria secondaria; questo è un buon punto di partenza.”

In secondo luogo c’è l’aspetto della carica, compresa la tensione e l’amperaggio – o, nel linguaggio della verniciatura a polvere, “microampere”. I novizi spesso usano troppa corrente. La giusta quantità di corrente attira la polvere sulla superficie metallica in modo uniforme. In effetti, è proprio questa attrazione elettrostatica che fa aderire la polvere. Ma troppa corrente può avere un effetto respingente.

“Il prelievo della corrente dall’elettrodo della polvere alla parte è così forte che interferisce con la deposizione naturale della polvere”, ha detto Talbert. “È solo troppa energia, e può creare una texture, pinholing, e ionizzazione posteriore”, dove l’alta tensione si scontra con le molecole d’aria e le divide per creare ioni, che creano forme e texture sulla superficie del rivestimento.

Quell’effetto repellente sugli angoli interni (e altre aree ad alta resistenza di un pezzo) è qualcosa che i verniciatori in polvere chiamano gabbia di Faraday. L’effetto prende il nome dallo scienziato inglese Michael Faraday, che ha scoperto il comportamento elettromagnetico.

Le pistole a polvere più vecchie non hanno limiti alle impostazioni di corrente, il che significa che gli ampere possono aumentare o diminuire drasticamente, a seconda della resistenza elettrica tra il pezzo e l’elettrodo nella pistola a polvere. Man mano che la pistola si avvicina al lavoro, la resistenza diminuisce e, di conseguenza, l’amperaggio aumenta. Allontanando la pistola si verifica il contrario.

Il trucco, soprattutto per gli operatori inesperti, è di limitare la corrente. Con un limite impostato, le pistole possono essere spostate dentro e fuori – cioè, la distanza pistola-pezzo può cambiare – e l’operatore otterrà ancora la copertura del pezzo desiderata.

Le pistole più recenti hanno limiti di corrente che possono essere impostati. Così, invece di spostare la pistola di diversi centimetri verso il pezzo e far saltare la corrente, per esempio, tra 60 e 70 microampere (una gamma che può causare problemi in molte applicazioni), la pistola può essere limitata tra 20 e 40 ampere. Così, quando l’operatore si avvicina alla parte, la tecnologia all’interno della pistola compensa elettricamente in modo che gli ampere non salgano mai oltre i 40 (o qualsiasi cosa sia ottimale per l’attrezzatura e l’applicazione), permettendo una copertura regolare e coerente.

Un’altra variabile dell’attrezzatura è la configurazione degli ugelli. Come gli ugelli per il taglio laser o al plasma, le scelte degli ugelli delle pistole per la verniciatura a polvere abbondano, ma due configurazioni pervadono il settore della verniciatura. La prima è l’ugello a ventaglio, che spruzza la polvere a forma di ventaglio e produce un’area di copertura simile a un ovale allungato. Il secondo è il defettore conico, che produce un’area di copertura concentrata a forma di ciambella. Può spruzzare modelli piccoli fino a circa 2 o 3 pollici di diametro, il che può essere buono per certe forme come i tubi o forse una piccola scatola con un angolo interno che ha bisogno di un rivestimento completo. Ma, naturalmente, questi piccoli modelli di spruzzo sono molto inefficienti per pezzi di grandi dimensioni.

La configurazione a ventaglio rimane la più popolare, semplicemente perché il suo spruzzo dà all’operatore la migliore efficienza su una gamma di forme e tipi di superfici di pezzi. Un operatore può spruzzare un po’ di più su certi pezzi, ma per una situazione di alto mix di prodotti, lo spreco di polvere in eccesso costa meno che dover cambiare gli ugelli della pistola.

“In un ambiente di laboratorio cambieresti gli ugelli frequentemente”, dice Talbert, “ma in un ambiente di produzione, è davvero difficile da fare.”

L’ugello della pistola detta la tecnica di un operatore, così come la forma del pezzo e altri fattori come le impostazioni attuali e la velocità della linea. La tecnica è in qualche modo intuitiva; una mano ferma si muove in un modello regolare con una corsa coerente e diritta e una sovrapposizione coerente dell’area di copertura tra le corse. “Spesso si vedono nuovi operatori che muovono le pistole secondo schemi irregolari. Non si vuole che un operatore muova la pistola con uno schema irregolare sul pezzo”, dice Talbert. “Si vuole un movimento coerente, che vada da sinistra a destra, lasci cadere la pistola, sovrapponga il modello di circa il 50 per cento e corra da destra a sinistra.”

Due variabili critiche quando si tratta della tecnica di verniciatura a polvere sono la distanza pistola-pezzo (chiamata anche distanza di destinazione) e la sequenza di spruzzatura. La distanza del bersaglio deve essere il più coerente possibile. “Se spruzzo a 15 centimetri di distanza per una parte e poi a 15 centimetri per un’altra parte, vedrò una differenza nella formazione del film e nel comportamento della polvere”, ha detto Talbert. “Oltre a questo, gli operatori dovrebbero iniziare prima nelle aree difficili da coprire, gli angoli e le fessure, le pieghe interne, tutte con un’alta resistenza elettrica suscettibili di gabbie di Faraday e altri problemi con la vernice in polvere. Solo allora gli operatori dovrebbero passare alle superfici piatte, a bassa resistenza e facili da verniciare. “Se si accumula la polvere sulle superfici facili da verniciare”, ha detto Talbert, “non si fa altro che aumentare la resistenza elettrica complessiva. Cioè, la resistenza elettrica crescerà, non diminuirà”. Rivestire prima gli spazi piatti e aperti renderà gli angoli e le fessure ancora più difficili da rivestire in modo coerente e uniforme.

Impilare e appendere

Un operatore della pistola non può avere successo se i pezzi non sono impilati e appesi in modo coerente e con il giusto orientamento. Se un pezzo viene lavato, deve essere appeso in modo da evitare che l’acqua rimanga intrappolata e si accumuli negli angoli. I pezzi devono essere raggruppati abbastanza vicini per una buona efficienza, ma non troppo vicini, o l’operatore della pistola a spruzzo avrà difficoltà a rivestire completamente tutti i pezzi.

“Un buon sistema di scaffalatura assicurerà all’operatore un buon accesso a tutte le aree di ogni pezzo”, dice Talbert.

I pezzi appesi devono anche essere stabili. Una volta in movimento sulla linea, non devono oscillare o torcersi. Anche questo renderà difficile per l’operatore ottenere un rivestimento completo e coerente. Questo può essere particolarmente problematico per i pezzi leggeri. I pezzi piccoli possono essere così leggeri che la stessa vernice in polvere può farli oscillare. Questo potrebbe sembrare innocuo, ma l’oscillazione cambia la distanza tra la pistola e il bersaglio, che a sua volta può causare una copertura incoerente. Una buona scaffalatura dovrebbe fornire il supporto per prevenire questo.

Talbert ha aggiunto che i pezzi identici dovrebbero essere appesi con lo stesso orientamento e la stessa altezza in modo che l’operatore possa rivestire ogni pezzo in modo coerente e ripetibile – da pezzo a pezzo, da turno a turno e da giorno a giorno.

“Gli scaffali devono essere puliti e l’area di contatto deve essere priva di polvere”, dice Talbert. “Questo assicura una buona attrazione elettrostatica in virtù della messa a terra.”

Si potrebbero scrivere libri sulla densità delle parti appese nelle linee di verniciatura a polvere. Per i verniciatori personalizzati, trovare la densità ottimale della linea può essere un vantaggio strategico per il business, la differenza tra essere veramente competitivi o meno.

La densità della linea potrebbe non essere così critica per i fabbricanti, ma come ha avvertito Talbert, i negozi che ignorano la densità della linea lo fanno a loro rischio e pericolo. Dopo tutto, i fabbricanti che portano la verniciatura a polvere in-house spesso lo fanno per alleviare il collo di bottiglia della verniciatura a polvere. L’ultima cosa che vogliono è fare un grande investimento nella verniciatura a polvere e finire per gestire quell’investimento in modo inefficiente.

“L’obiettivo della scaffalatura è di assicurare che io possa rivestire facilmente, che il pezzo sia asciutto quando lo rivesto e che io ottenga un buon volume dalla linea”, ha detto Talbert. “Si tratta di produttività, coerenza, facilità di rivestimento e basso spreco. Molte officine sprecano un’enorme quantità di denaro per il fatto di non appendere e scaffalare correttamente i pezzi”.

Considerando questo, la persona incaricata di appendere e scaffalare i pezzi deve sapere quanto sia critico il suo lavoro e cosa succede se non lo fa correttamente. Se non presta attenzione, ogni processo di finitura successivo può risentirne.

La leadership in un ambiente ad alto mix di prodotti

Gli operatori devono avere una conoscenza pratica di come la polvere aderisce alla superficie. I supervisori e gli altri capi reparto devono sapere di più. Devono sapere come funziona al meglio una linea di verniciatura in polvere. E nel mondo ad alto mix di prodotti della produzione personalizzata, trovare le migliori condizioni operative può essere un atto di equilibrio.

Una linea di verniciatura a polvere funziona meglio come un sistema di produzione a lotti. “È ideale produrre in lotti in base alle dimensioni e allo stile piuttosto che in base al kit. Rende semplicemente più facile impostare le pistole, il forno, la scaffalatura”, ha detto Talbert. “Nel complesso, è un modo preferito per rivestire”.

Questo non vuol dire che un fabbricante debba eseguire un singolo colore per ore e ore. Dopotutto, una grande ragione per cui i fabbricanti portano il rivestimento in-house è quella di trarre vantaggio dai rapidi cambi di colore. Poiché i costruttori non si concentrano esclusivamente sulla verniciatura a polvere e non consumano quantità massicce di polvere, il recupero spesso non è necessario.

Tuttavia, una linea di verniciatura è progettata per una velocità specifica, che dipende dai volumi, dal mix di pezzi, dai requisiti di pretrattamento, dalla densità della linea (quanti pezzi possono essere appesi in un certo spazio) e dal tempo di indurimento.

Il pretrattamento di solito è in qualche modo flessibile alla lavorazione basata sul kit. Il pretrattamento nella verniciatura in polvere ha due fasi essenziali: (1) la pulizia e (2) l’applicazione di un rivestimento di conversione, che può proteggere dalla corrosione, promuovere una buona adesione della polvere e migliorare la durata del rivestimento. Il processo di pretrattamento può includere una serie di fasi per preparare e trattare in altro modo la parte, ma l’obiettivo è quello di ottenere una superficie pulita e ricettiva per l’incollaggio.

Per quanto riguarda la fase di lavaggio, ho lavorato con molte linee in cui eseguono una grande varietà di tipi di materiale e li gestiscono abbastanza bene”, ha detto Talbert, aggiungendo che a volte sorgono problemi con i rivestimenti di conversione, soprattutto se una varietà di parti di diversi tipi di materiale hanno bisogno di protezione dalla corrosione per l’uso esterno – per esempio, un lavoro che ha sia componenti in alluminio che in acciaio. I rivestimenti di conversione che funzionano efficacemente per l’alluminio tendono a non funzionare bene con l’acciaio. (Anche se alcuni rivestimenti con i cosiddetti prodotti “metalli di transizione” come l’ossido di zirconio rendono i sistemi di pretrattamento più adattabili ai diversi materiali.)

“Ma in generale, per la lavorazione basata su kit, il pretrattamento è meno di una sfida”, continua Talbert. “Ciò che rappresenta una sfida, tuttavia, è la polimerizzazione. Quando si curano le parti più spesse, ci vuole più tempo perché il nucleo del substrato raggiunga la temperatura necessaria per la reticolazione.”

La maggior parte dei rivestimenti in polvere utilizza polvere termoindurente, che richiede una certa quantità di energia e tempo per creare una reazione chimica all’interno della polvere per fonderla e fonderla come una pellicola. La “reticolazione” avviene quando la struttura molecolare cambia mentre la polvere si trasforma da un gruppo di particelle discrete in una pellicola consistente. Questo richiede una certa quantità di tempo a seconda del pezzo che il forno sta polimerizzando, anche se la velocità della linea attraverso la polimerizzazione può essere regolata in modo da ottenere una media felice per tutti i pezzi appesi alla linea durante una particolare corsa. Usando numeri ipotetici, Talbert spiega: “Una linea può funzionare al meglio, diciamo, a 10 piedi al minuto, e può funzionare bene anche a 8 o 12 FPM. Ma se la si fa funzionare a soli 5 FPM o 14 FPM, si può iniziare a incorrere in un problema.

“Questo non significa che la gente non faccia funzionare i pezzi nei kit”, continua Talbert. Ci sono dei limiti, ma un progettista di linee esperto dovrebbe essere in grado di compensare molti approcci basati su kit, fintanto che i requisiti di rivestimento sono adeguatamente compresi durante la fase di progettazione e le scaffalature sono efficienti.

“È più impegnativo, e bisogna limitare la quantità di gamma di massa da pezzo a pezzo, come appendere un pezzo di acciaio leggero accanto a un pezzo di acciaio spesso, che potrebbe essere problematico da curare. Ma si può compensare in qualche misura all’interno del forno”, ha detto. “Si potrebbe usare un forno a infrarossi, che è controllato da un PLC e reagisce in modo diverso a quelle masse e forme che passano attraverso e irradia più in alto o più in basso, a seconda di ciò che sta passando. Poi si andrebbe in un forno a convezione per finire il processo di cura”. Di nuovo, ci sono dei limiti; a volte i requisiti di finitura tra le parti dello stesso kit sono semplicemente troppo diversi per fluire insieme nella stessa corsa.

Talbert ha aggiunto che questo atto di bilanciamento è una sfida comune per molti produttori che portano la verniciatura in polvere in-house, ed è per questo motivo che l’assunzione di un supervisore della verniciatura in polvere con esperienza può essere molto prezioso. Questo supervisore può quindi addestrare gli operatori che dovranno reagire ai diversi pezzi appesi alla linea, cambiare le loro distanze pistola-bersaglio, regolare le loro impostazioni di potenza e flusso, forse anche cambiare gli ugelli. Un operatore dovrebbe mantenere la stessa portata ma semplicemente spostare la pistola più lontano dal bersaglio? O forse mantenere la stessa portata e fare meno passaggi? Un operatore deve pensare a queste cose al volo. Non è un lavoro senza cervello.

Quanto automatizzato?

Le linee automatizzate di verniciatura a polvere sono diventate molto più flessibili negli ultimi anni non solo grazie alla tecnologia di polimerizzazione a infrarossi basata su PLC, ma anche grazie all’automazione intelligente delle pistole. Le pistole meccanizzate o robotizzate possono essere impostate per cambiare le velocità di flusso e le distanze pistola-bersaglio in base al prodotto che passa davanti a loro. A seconda del mix di pezzi di un’officina, l’automazione completa può essere davvero la strada da percorrere.

Ancora, questi sistemi meccanizzati possono avere problemi a raggiungere tutte le aree del pezzo, comprese le gabbie di Faraday difficili da verniciare. Le braccia robotiche articolate possono raggiungere più posti con una pistola a spruzzo, ma anche qui ci sono dei compromessi.

“La maggior parte appende le parti su semplici ganci”, ha detto Talbert. “Ma se si usa un robot con braccio articolato, è meglio che quel gancio sia davvero buono, appeso in una buona posizione per tutto il giorno. Altrimenti, il robot rivestirà solo ciò che è programmato per rivestire, e il pezzo potrebbe non essere posizionato correttamente”. Un operatore manuale ha gli occhi. Si può automatizzare completamente? Sì, ma spesso la complessità del processo fa propendere per l’uso dell’operatore manuale.”

Formazione: Al centro di tutto

Il reparto di verniciatura a polvere di un fabbricante ha bisogno di parti progettate pensando alla verniciatura a polvere. Come ha spiegato Talbert, gli angoli stretti possono essere rivestiti, così come alcune geometrie straordinariamente complesse, ma aggiungono anche molte variabili di rivestimento e aumentano la possibilità di errori, rilavorazioni e scarti.

Detto questo, la formazione rimane essenziale, e inizia con il supervisore del reparto. “Il supervisore del reparto deve avere una grande conoscenza generale della linea e del processo di verniciatura in polvere”, ha detto Talbert. “Conosce il pretrattamento. Capisce cosa succede nella lavatrice. Sanno perché e come si fa a rastrellare correttamente. Conoscono le impostazioni per le pistole a polvere, per i forni di polimerizzazione e devono capire l’elettrostatica. Sanno come risolvere i problemi. Hanno bisogno di camminare attraverso la linea, guardare qualcosa e sapere immediatamente che non va bene”

Considerare il pretrattamento. Un dipendente dell’officina di un altro reparto potrebbe semplicemente vedere i pezzi che vengono puliti. Il supervisore dovrebbe guardare il lavaggio, sapere che gli saranno applicati tanti milligrammi di rivestimento di conversione, sapere che sarà spruzzato con acqua deionizzata e asciugato in un certo modo.

Dove la gente ottiene questa conoscenza? Le acquisiscono attraverso l’esperienza, ma possono ricevere formazione da fonti esterne, dai loro fornitori di attrezzature, dalle associazioni industriali e da altre fonti di formazione esterna. Buone fonti includono il Powder Coating Institute (www.powdercoating.org) e la Chemical Coaters Association Intl. (www.ccaiweb.com).

Il supervisore a sua volta deve determinare il livello di formazione di cui gli operatori hanno bisogno per essere efficaci ed efficienti. Come ha detto Talbert: “Un supervisore ha davvero bisogno di istruirli per farli diventare verniciatori di successo.”

Ecco il problema. Come nei processi a monte di un impianto di fabbricazione, gli addetti alla verniciatura in polvere non possono essere dei semplici schiacciatori di bottoni (o di grilletti). Talbert ha aggiunto che è un problema che spesso passa inosservato, perché un povero operatore di verniciatura in polvere può ancora portare a termine un lavoro. “Solo che spesso non può rivestire un pezzo in modo efficiente o efficace”.

Potrebbero usare un’impostazione a pieno potenziale di ampere, per esempio. Ma se sapessero di più sull’attrezzatura e su come le diverse impostazioni di microampere influenzano la copertura, potrebbero rivestire le parti in modo molto più efficace.

È vero, alcuni controller hanno delle “ricette” che gli operatori possono usare. Si preme un pulsante e tutte le variabili della pressione dell’aria e dell’elettrostatica vengono regolate automaticamente per adattarsi al pezzo da verniciare. Ma, ha aggiunto Talbert, gli addetti alla verniciatura in polvere avrebbero molto più successo se capissero perché quelle impostazioni funzionano così bene.

Si può chiedere ad un operatore di impostare una pistola con cui di solito non spruzza e lui dice che non sa come fare. “Ti dice: ‘Beh, quella è la pistola di Joe, non la mia, e Joe non è qui oggi’. Questo è un problema”, ha detto Talbert. “Joe avrebbe dovuto insegnare a tutti come impostare quella pistola. E avrebbe dovuto essere documentato. Non deve essere un’enciclopedia della verniciatura a polvere, solo delle istruzioni di base”.

Si scopre che ciò che è vero nei processi di fabbricazione a monte è vero anche nella finitura. La mancanza di formazione formale porta alla mancanza di impegno, al turnover e al disordine operativo. La conoscenza del processo, nel rivestimento come in ogni altro luogo dell’officina di fabulazione, è al centro di tutto.

Talbert Consulting, 616-915-2769, [email protected]