La medición de espesor consiste en determinar la distancia entre dos superficies paralelas de un objeto. Esto aplica tanto al cuerpo principal de un material como a las capas delgadas depositadas sobre su superficie.
Esta inspección dimensional afecta directamente la integridad estructural, la protección contra la corrosión, la calidad del producto y el cumplimiento normativo.
La industria se apoya en procedimientos estandarizados para obtener resultados coherentes.
El estándar ASTM D7091-22, por ejemplo, guía la medición no destructiva del espesor de recubrimientos sobre metales.
¿Le ha pasado alguna vez no saber qué herramienta de control elegir?
Un simple calibre funciona bien para una placa metálica, pero ¿cuál es el enfoque correcto para una película polimérica flexible o una pared de tubería en servicio?
En este artículo, le presento la diversidad de métodos disponibles, desde técnicas con contacto hasta técnicas sin contacto.
Revisaremos las herramientas básicas, los medidores electromagnéticos, el control no destructivo por ultrasonido, y los sistemas ópticos avanzados, mostrando cómo el tipo de material y las necesidades de precisión orientan su elección.
Pero comencemos primero con algunos conceptos básicos. 👇
Tabla de contenidos
¿Qué es la medición de espesor?
La medición de espesor es la forma en que determinamos la distancia que separa dos superficies paralelas de un objeto.
Este concepto aplica tanto al material base como a todos los recubrimientos o capas delgadas que se añaden sobre su superficie.
A menudo encontrará dos categorías distintas.
- La primera es el espesor del material base, que se refiere a la dimensión total de un componente como una pared de tubería o una placa metálica.
- La segunda es el espesor del recubrimiento o película, frecuentemente llamado espesor de película seca (DFT), que mide la capa delgada de pintura, galvanizado o plástico depositada sobre una superficie.
Los ingenieros utilizan varias unidades comunes para estas mediciones.
Verá:
- los milímetros (mm) para componentes estructurales,
- los micrómetros (µm) para recubrimientos y películas,
- y a veces los mils, que corresponden a una milésima de pulgada, particularmente en las industrias norteamericanas.
La escala de estas mediciones varía considerablemente.
Las películas de alta tecnología pueden tener un espesor inferior a un solo micrómetro, mientras que los recubrimientos de protección varían generalmente de 25 a 500 µm.
Las piezas estructurales son mucho más gruesas, alcanzando a menudo varios milímetros.
La elección del método de medición correcto depende en gran medida de lo que está midiendo. Las propiedades del material base y del recubrimiento determinan la mejor herramienta para el trabajo.
Por ejemplo, medir un recubrimiento sobre un sustrato magnético requiere una técnica diferente a la que se usa para medir un recubrimiento sobre un material no magnético o una película transparente.
Métodos de Medición CON Contacto
Los métodos de medición por contacto son los métodos clásicos.
Estos instrumentos funcionan tocando físicamente la superficie del componente a inspeccionar para determinar su espesor.
Son populares debido a su simplicidad y a los resultados directos y fáciles de interpretar que proporcionan.
Su enfoque directo es también su principal limitación. Primero, existe el riesgo de rayar o deformar el material que está midiendo.
Además, el resultado también puede verse influenciado por la técnica del operador.
Por estas razones, no son adecuados para materiales flexibles o delicados. A menudo los encontrará en control de calidad para plásticos rígidos, metales y laminados.
Micrómetros y Calibres
Los micrómetros mecánicos funcionan según el principio de un tornillo de precisión, mientras que los calibres digitales ofrecen una medición rápida mediante mordazas deslizantes.
Ambas herramientas le dan una lectura directa del espesor de una pieza.
Debe ser consciente de la fuerza de contacto que aplica, especialmente con materiales más blandos.
Las normas sugieren tomar varias mediciones en diferentes puntos y promediarlas para obtener un espesor representativo.
Un micrómetro de calidad tiene generalmente una resolución entre uno y diez micrómetros. Puede verificar su precisión utilizando bloques patrón certificados.
Indicadores de Cuadrante / Digitales
Los medidores de espesor de cuadrante utilizan un palpador de resorte para verificaciones rápidas in situ.
Cuando el palpador entra en contacto con la pieza, el espesor se muestra en un simple cuadrante. Las versiones digitales hacen lo mismo pero proporcionan una pantalla electrónica que facilita enormemente el registro de datos.
Se trata de la versión modernizada de este instrumento, aunque el principio básico sigue siendo el mismo.
La principal ventaja de estos indicadores es la rapidez. Son perfectos para controles de calidad rápidos en una línea de producción.
Un uso correcto requiere un yunque plano y un soporte firme para la pieza a medir.
También debe calibrarlo sobre una superficie de referencia antes de tomar mediciones, pero eso es lo que se debe hacer con cualquier dispositivo de medición.
Se usan comúnmente para tareas como la verificación del espesor de chapas metálicas, juntas y diversas piezas de plástico moldeado.
Métodos Electromagnéticos para el Espesor de Recubrimientos
Los medidores electromagnéticos ofrecen una forma rápida y portátil de verificar el espesor del recubrimiento sin dañar la pieza.
Estos instrumentos no destructivos son una solución común para medir recubrimientos de protección sobre sustratos metálicos.
Las prácticas para su uso están bien definidas en normas como ASTM D7091-22.
Estas herramientas proporcionan resultados rápidos requiriendo acceso a un solo lado de la superficie. Después de la calibración, requieren poca habilidad del operador.
El material del sustrato es importante, ya que los medidores magnéticos funcionan sobre metales ferrosos mientras que los tipos de corrientes de Foucault funcionan sobre metales conductores no ferrosos.
Las lecturas también pueden verse afectadas por la rugosidad superficial y la curvatura de la pieza.
Medidores Magnéticos de Tracción
El medidor mecánico de tracción es una variante simple conocida como medidor tipo 1 en la norma ASTM D7091.
Utiliza un imán permanente y mide la fuerza necesaria para separarlo de la superficie recubierta. Un recubrimiento no magnético más grueso reduce esta fuerza, que el medidor traduce en un valor de espesor.
Una vez más, para buenos resultados, una calibración apropiada es obligatoria.
Debe calibrar el medidor sobre una muestra sin recubrimiento del mismo material que su componente. Este paso toma en cuenta cualquier variación en las características magnéticas del metal base.
Medidores Electrónicos de Corrientes de Foucault y Efecto Hall
Los instrumentos electrónicos, llamados medidores tipo 2, ofrecen una precisión superior.
- Las sondas de corrientes de Foucault están diseñadas para medir recubrimientos no magnéticos sobre metales no ferrosos como el aluminio.
- Las sondas de efecto Hall se utilizan para medir recubrimientos no magnéticos sobre metales ferrosos como el acero.
Las directrices de la norma ASTM E376-19 recomiendan calibrar sobre un sustrato que coincida con el material, espesor y curvatura de su pieza.
También debe tener en cuenta los efectos de borde, ya que tomar mediciones demasiado cerca del borde de una pieza puede producir lecturas inexactas.
Medición de Espesor por Ultrasonido
Esta técnica funciona un poco como un eco.
Un dispositivo llamado transductor envía un pulso sonoro de alta frecuencia hacia el material.
Esta onda sonora atraviesa el material hasta alcanzar la superficie trasera o un defecto interno, luego rebota hacia el transductor. El instrumento mide el tiempo exacto de este recorrido de ida y vuelta.
Conociendo la velocidad a la que el sonido se propaga en el material específico, conocida como velocidad del sonido, el instrumento puede calcular el espesor.
Este proceso está guiado por prácticas estandarizadas como ASTM E797/E797M-21, que describe el método manual de contacto por ultrasonido.
Esta norma exige una calibración de dos puntos utilizando bloques de referencia de espesores conocidos para enmarcar el rango de medición esperado.
Ajustar correctamente la velocidad del sonido es esencial porque esta propiedad depende de la composición del material y su temperatura.
Las lecturas precisas requieren que use el ajuste de velocidad apropiado para el material que está inspeccionando o que aplique una compensación para las variaciones de temperatura.
Una de las principales ventajas es que solo necesita acceder a un lado del componente.
Esto la hace muy eficaz para inspeccionar secciones muy gruesas, desde unos pocos milímetros hasta cientos de milímetros. El método es no destructivo y funciona eficazmente sobre la mayoría de los materiales de ingeniería, incluyendo metales, plásticos y compuestos.
Hay algunas limitaciones a considerar.
El método requiere un medio de acoplamiento como gel o agua para transmitir el sonido del transductor hacia la pieza. La superficie también debe estar limpia y lisa para un buen contacto.
Generalmente no es adecuada para medir películas muy delgadas, como aquellas de menos de 0,5 mm.
Encontrará este método ampliamente utilizado para inspecciones en servicio.
Las aplicaciones comunes incluyen la verificación de tuberías y recipientes a presión para detectar pérdida de pared debido a la corrosión. También es una herramienta clave para verificar la integridad de oleoductos y examinar el estado de los fondos de tanques de almacenamiento.
Plastiform para Zonas Inaccesibles
¿Qué hace cuando la zona que necesita medir es físicamente imposible de alcanzar?
Quizás está profundamente enterrada en un ensamblaje, detrás de otros componentes, o en un espacio confinado donde ninguna sonda o medidor puede insertarse.
Ahí es donde los materiales de replicación, comúnmente llamados Plastiform o compuesto de impresión, se convierten en su mejor opción.
El material de replicación es un compuesto maleable que presiona en la zona de difícil acceso.
Se adapta perfectamente a las superficies, capturando la geometría exacta, incluyendo las dimensiones de espesor y las holguras.
Una vez que endurece o fragua, extrae la réplica y la mide utilizando herramientas estándar.
La técnica sigue un flujo de trabajo simple:
Prepara el producto de replicación y lo inserta en la ubicación objetivo. El material fluye en los intersticios, alrededor de los bordes y contra las superficies, capturando cada detalle.
Debe trabajar dentro del tiempo de trabajo del material, que varía según el tipo de producto.
Después de que el material ha fraguado, lo retira cuidadosamente del ensamblaje.
La réplica conserva las relaciones dimensionales exactas del espacio original. Ahora dispone de una impresión física en negativo de lo que antes era inaccesible.
Con la réplica sobre su banco de trabajo, puede usar cualquier herramienta de medición apropiada.
Los micrómetros y calibres funcionan bien para controles de espesor simples, pero debe usar un producto Plastiform rígido.
Este método es particularmente valioso en varios escenarios.
Lo utilizará para verificar holguras cuando el desmontaje no sea práctico.
Es la técnica preferida para verificar ajustes de rodamientos, medir holguras en ensamblajes de álabes de turbina o el espesor de los álabes para verificar su estado de desgaste.
Técnicas Ópticas y SIN Contacto
A veces, debe medir un objeto sin tocarlo físicamente.
Ahí es donde los métodos ópticos y sin contacto entran en juego. Son perfectos para materiales delicados, aún calientes de fabricación, o moviéndose rápidamente en una línea de producción.
Estas técnicas son particularmente útiles para materiales transparentes o semi-transparentes.
Pueden medir el espesor de una sola capa o incluso diferenciar múltiples capas apiladas unas sobre otras.
Piense en las capas complejas de una pantalla de smartphone o una lente con recubrimiento.
Muchos métodos ópticos ofrecen una resolución extremadamente alta, permitiéndole medir películas muy delgadas, desde micrómetros hasta el nivel sub-nanométrico.
Por ejemplo, empresas como Bristol Instruments ofrecen una gama de medidores de espesor ópticos.
Estos sistemas utilizan principios interferométricos para medir materiales transparentes de 12 µm a 80 mm de espesor.
Incluso pueden medir hasta 31 capas distintas simultáneamente.
Para recubrimientos sobre sustratos opacos, se utilizan técnicas como la microscopía confocal y la espectroscopía.
Interferometría de Luz Blanca y Microscopía Confocal
La interferometría de luz blanca funciona dividiendo un haz de luz.
Una parte se refleja en la superficie superior de una película, y la otra parte se refleja en la superficie inferior.
Cuando estos haces reflejados se recombinan, crean un patrón de interferencia, un poco como los colores de arcoíris en una pompa de jabón.
Al analizar este patrón y conocer el índice de refracción del material, se puede calcular el espesor de la película con una precisión increíble.
Los sensores de desplazamiento confocales ofrecen otra forma de medir capas transparentes desde un solo lado.
Es un poco como un microscopio que solo ve lo que está perfectamente enfocado a una sola profundidad. El sensor encuentra el punto focal exacto para la superficie superior y luego para la superficie inferior.
La distancia recorrida por la lente entre estos dos puntos le da el espesor. Este método puede resolver capas individuales en productos complejos como ensamblajes de lentes o lentes de contacto médicas.
La resolución de estos métodos es impresionante, yendo de decenas de nanómetros hasta el nivel sub-nanométrico.
Esto los hace ideales para óptica de precisión, metrología de obleas de semiconductores y fabricación de tubos médicos y catéteres.
Triangulación Láser y Perfilado 2D/3D
La triangulación láser es un método geométrico simple. Si recuerda las clases de matemáticas del instituto, ya conoce la ciencia subyacente.
Un láser proyecta un punto o una línea sobre una superficie según un ángulo definido.
Un sensor, posicionado a otro ángulo, observa esta proyección. Si la altura de la superficie cambia, la posición de la luz láser en el sensor se desplaza.
El sistema utiliza trigonometría simple para calcular la distancia hasta la superficie en tiempo real.
Barriendo un láser sobre una superficie, los perfiladores 2D y 3D pueden crear un perfil de sección transversal completo o un mapa 3D completo del objeto.
Es ideal para verificar no solo la altura de un recubrimiento sino también su anchura y volumen.
Esta capacidad es útil en aplicaciones como la inspección de la cantidad de adhesivo aplicado por un robot o la medición del espesor de la pasta de soldadura sobre una placa de circuito impreso.
Los perfiladores son ventajosos para superficies rugosas o escalonadas donde un sensor de punto único podría dar una lectura engañosa.
Estos sistemas funcionan generalmente a una distancia de varias decenas de milímetros y pueden alcanzar una resolución del orden del micrómetro.
Normas y Mejores Prácticas de Calibración
Una lectura de espesor tiene poco valor sin un medio objetivo de probar su exactitud.
Es por eso que las normas formales y la calibración trazable son fundamentales para la aceptación regulatoria y el control de calidad.
Proporcionan un conjunto de reglas compartidas para cada ingeniero y técnico.
Verifica la precisión del instrumento utilizando materiales de referencia certificados como láminas de espesor o sustratos sin recubrimiento.
Esta verificación debe realizarse antes del uso, después de cualquier evento que pueda comprometer la precisión, y a intervalos regulares como el inicio de un turno de producción.
Selección del método correcto para su aplicación
Elegir la herramienta de medición de espesor correcta consiste en hacer coincidir la tecnología adecuada con el trabajo.
Debe responder a algunas preguntas sobre su material, sus objetivos y su entorno de trabajo. El sistema óptico más preciso es excesivo si un simple micrómetro puede hacer el trabajo.
Comience por el material mismo.
Su primera pregunta debe referirse al sustrato:
- ¿Se trata de un metal magnético como el acero?
- ¿Se trata de un metal no magnético como el aluminio?
- ¿Se trata de un material no conductor como el plástico?
Esto le orienta inmediatamente hacia o lejos de los métodos electromagnéticos.
A continuación,
Considere el recubrimiento o la capa que está midiendo (en su caso).
¿Es opaco como pintura o transparente como una película polimérica?
El espesor esperado y el acceso físico son sus siguientes restricciones.
Medir paredes estructurales de milímetros es un trabajo para herramientas ultrasónicas o mecánicas, mientras que medir películas submicrométricas requiere métodos ópticos o electromagnéticos especializados.
Debe considerar si puede acceder a ambos lados de la pieza para herramientas como los micrómetros, o si está limitado a acceso unilateral, lo que requiere perfiladores ultrasónicos, electromagnéticos u ópticos.
Las necesidades de precisión y rendimiento reducirán aún más sus opciones.
Las aplicaciones de alta precisión en óptica o semiconductores exigen técnicas como la interferometría óptica, mientras que muchas inspecciones en campo toleran una resolución inferior.
Para producción, los sistemas de mapeo óptico o electromagnético automatizados ofrecen una velocidad superior, mientras que los medidores manuales de contacto o ultrasónicos son mejores para verificaciones puntuales.
El entorno de trabajo también es un factor importante.
Un medidor ultrasónico robusto está diseñado para inspección de tuberías en exteriores, mientras que equipos especializados como sensores confocales a prueba de explosión están diseñados para líneas de recubrimiento activas.
También debe equilibrar el costo inicial del instrumento, su carga de calibración y el costo potencial de una mala medición que resulte en retrabajos o responsabilidad.
Todos estos elementos le conducen a sus opciones. También podría considerar una réplica intermedia para adaptar su dispositivo de medición a su zona.
Aplicaciones e Industria
La teoría es una cosa, pero ver las técnicas de medición en acción es donde su valor se vuelve claro.
Cada industria enfrenta desafíos únicos, desde la prevención del óxido en estructuras de acero masivas hasta la superposición de películas microscópicas sobre un chip informático.
La elección de la herramienta y el método está determinada enteramente por estos requisitos del mundo real.
Recorramos diferentes ejemplos concretos para obtener algunas directrices.
Recubrimientos de Protección sobre Estructuras de Acero
Para grandes activos como puentes o barcos, el espesor de la pintura de protección es una defensa primaria contra la corrosión.
La industria sigue directrices como ISO 19840, una norma que define las reglas de medición en este ámbito.
Especifica cómo usar medidores electromagnéticos calibrados, definiendo una “medición puntual” como el promedio de varias lecturas y describiendo los esquemas de muestreo necesarios por área para confirmar la conformidad.
Fabricación de Semiconductores y Pantallas
En el mundo de la electrónica y la óptica, se trabaja con múltiples capas increíblemente delgadas.
Los recubrimientos antirreflejos sobre lentes AR/VR o las películas en el interior de la pantalla de su teléfono, por ejemplo.
Aquí, la interferometría de luz blanca se usa comúnmente para medir cada capa sin contacto. Los sistemas modernos ahora pueden mapear el espesor de conjuntos completos de lentes, detectando cualquier desviación que pueda afectar el rendimiento óptico.
Dispositivos Médicos
Al fabricar productos como tubos médicos, catéteres o lentes intraoculares, no puede arriesgarse a daños o contaminación por contacto físico.
Los métodos ópticos sin contacto, como los sensores confocales o interferométricos, son la solución. Miden el espesor con extrema precisión usando luz, lo cual es perfecto para materiales delicados, estériles y transparentes.
Automotriz y Aeroespacial
Las industrias automotriz y aeroespacial se apoyan en la medición de espesor para calidad y seguridad.
El espesor de pintura y galvanizado sobre una carrocería de automóvil se verifica según las normas ASTM para garantizar durabilidad y un acabado de calidad.
En aeroespacial, los técnicos utilizan métodos ultrasónicos para inspeccionar componentes de célula y motor para detectar pérdida de pared debido al desgaste, un control importante para mantener la integridad estructural.
Integridad de Oleoductos de Petróleo y Gas
El mantenimiento de oleoductos requiere conocer el estado de la pared de la tubería desde el exterior.
Los técnicos utilizan el mapeo de espesor por ultrasonido para identificar zonas de corrosión o erosión.
Estos datos crean un “mapa” del espesor de pared restante, que se utiliza para predecir la vida útil de la tubería y planificar reparaciones antes de que pueda ocurrir un fallo.
Conclusión
Hemos recorrido toda la caja de herramientas para medir espesor, desde herramientas de contacto simples como los micrómetros hasta sistemas avanzados sin contacto.
Ha visto cómo cada método tiene un propósito, ya sea confirmar la profundidad de un recubrimiento de protección para detener el óxido, verificar la integridad de la pared de una tubería para prevenir accidentes, o controlar capas microscópicas en electrónica moderna.
Los resultados fiables provienen del cumplimiento de normas establecidas.
Estas normas apuntan a una idea central: una calibración apropiada utilizando materiales representativos es innegociable.
Para realmente respaldar sus resultados, también debe considerar la incertidumbre de medición.
A medida que la tecnología avanza, los sensores automatizados y el análisis de datos hacen que estas mediciones sean más rápidas y más precisas.
Esta evolución sustenta la fabricación moderna y el control de procesos en línea, donde los datos precisos son esenciales.
La medición de espesor le permite reducir el desperdicio, prevenir fallos operacionales y entregar productos que cumplen con todas las especificaciones.
Es un elemento fundamental del aseguramiento de calidad que impacta directamente la fiabilidad de su trabajo.
Preguntas Frecuentes
¿Por qué es tan importante la medición de espesor en ingeniería?
Un espesor preciso determina la resistencia, la calidad y la capacidad de un producto para resistir la corrosión. Frecuentemente es requisito para cumplir con normas de seguridad y regulaciones de la industria.
¿Cuál es la principal diferencia entre la medición de espesor por contacto y sin contacto?
Los métodos por contacto utilizan una herramienta que toca físicamente la superficie, como un micrómetro. Los métodos sin contacto miden a distancia usando principios como luz o sonido, lo cual es ideal para piezas delicadas, calientes o en movimiento.
¿Cómo medir el espesor de pintura sobre una superficie metálica?
Generalmente se utiliza un medidor electrónico portátil. Estos dispositivos funcionan según principios magnéticos o de corrientes de Foucault para medir la capa de pintura no magnética sobre el cuerpo metálico sin dañar el acabado.
¿Se puede medir el espesor de una pared de tubería solo desde el exterior?
Sí. Los medidores de espesor por ultrasonido están diseñados para esto. Envían una onda sonora a través del material y cronometran su reflexión desde la pared trasera para calcular el espesor, necesitando acceso a un solo lado.
¿Qué significa DFT en fabricación?
DFT es la abreviatura de Dry Film Thickness (espesor de película seca). Especifica el espesor de un recubrimiento, como pintura o recubrimiento en polvo, después de que ha secado y curado completamente sobre una superficie.
¿Cómo afectan las propiedades del sustrato a las lecturas de espesor de recubrimiento electromagnético?
Las propiedades magnéticas del sustrato, la conductividad eléctrica, la rugosidad superficial y la curvatura pueden modificar las lecturas del medidor. Para resultados precisos, debe calibrar el instrumento sobre una muestra sin recubrimiento del mismo material que está probando.
¿Qué es la calibración de dos puntos en ensayos por ultrasonido y por qué se utiliza?
La calibración de dos puntos consiste en ajustar el medidor usando dos estándares de referencia de espesor conocido, uno más delgado y otro más grueso que su objetivo. Esta práctica corrige inexactitudes de medición en todo el rango de trabajo.
¿Cuándo debería elegir un método óptico como interferometría en lugar de un método ultrasónico?
La interferometría óptica es la mejor opción para medir películas muy delgadas, transparentes o multicapa, como las de lentes o pantallas, donde necesita una precisión extremadamente alta. Los métodos ultrasónicos están diseñados para medir el espesor total de pared de materiales más gruesos y opacos, como placas y tuberías metálicas.
