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解決方案

【技術(shù)分享】激光干燥技術(shù)在粉末涂層固化中的應(yīng)用

來源:IPG光纖激光器2024-03-18 我要評論(0 )   

在工業(yè)粉末涂料的固化過程中,“干等著油漆晾干”的情況已經(jīng)不復(fù)存在,因?yàn)槿藗兛梢圆捎靡环N高速固化的替代方法——激光。長期以來,激光被用作精密金屬切割和焊接的首...

在工業(yè)粉末涂料的固化過程中,“干等著油漆晾干”的情況已經(jīng)不復(fù)存在,因?yàn)槿藗兛梢圆捎靡环N高速固化的替代方法——激光。


長期以來,激光被用作精密金屬切割和焊接的首選工業(yè)工具。在粉末噴涂作業(yè)中,激光展現(xiàn)了相似的效率提升優(yōu)勢,即激光固化速度快、控制精確,固化效率非凡,從而降低能耗。大約970 nm的紅外激光器是完成粉末涂層固化的理想選擇,同時(shí)它也是半導(dǎo)體激光器,因?yàn)樗鼈兊膯挝还β食杀咀畹?,同時(shí)電能轉(zhuǎn)換效率最高。其紅外輻射能穿透涂層表面以下數(shù)微米,在很多方面優(yōu)于對流爐。


首先,體積加熱將能量迅速傳遞到粉末涂層中,原理等同于微波爐由內(nèi)向外烹飪以加速食物制備。其次,加熱底層基材時(shí),能量浪費(fèi)極少。若是將涂料噴涂到聚合物或木材等對溫度敏感材料上,這一點(diǎn)至關(guān)重要。第三,激光方向高度可控,可以保證只照射噴涂區(qū)域。最后,由于大部分輸入熱量仍留在涂層中,部件通常只需幾秒鐘而不是幾分鐘即可冷卻。通過紅外攝像機(jī)觀察到,涂層在激光器開啟后不到10 s就發(fā)生膠凝,45 s后完全固化,如圖1所示。


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圖1 紅外攝像機(jī)觀察到的激光固化涂層

按需加熱


激光固化能降低運(yùn)營成本,減少對環(huán)境的影響。激光加熱器僅在加工零件時(shí)消耗能量;批次之間沒有空轉(zhuǎn),因?yàn)榧す馄髂軌蛟诤撩雰?nèi)以全強(qiáng)度開啟,同時(shí)又能像燈開關(guān)一樣立即關(guān)閉。不存在因加熱烘箱壁、外殼內(nèi)空氣或者工廠地板而浪費(fèi)能量的情況。激光束向外擴(kuò)展而非聚焦,因此對眼睛的安全要求沒有激光切割和焊接那么嚴(yán)格。


通常,高速激光固化工藝所需的工廠占地面積更小,體現(xiàn)在烘箱長度更短,或者脫機(jī)固化和冷卻區(qū)域減少或取消。 通過激光固化的粉末涂層部件通過了交叉影線、耐溶劑和耐沖擊等ASTM標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)異。從業(yè)人員發(fā)現(xiàn),激光固化粉末涂層與經(jīng)常規(guī)對流烘箱或紅外燈工藝固化的粉末涂層沒有區(qū)別。這并不奇怪,因?yàn)榧す饧訜崞鳟a(chǎn)生相當(dāng)?shù)牟ㄩL,所以固化機(jī)制與紅外輻射燈工藝類似。 


雖然紅外輻射燈和激光器具有相同的積極屬性,如高速紅外光固化和快速開啟,但是激光器還具備操作成本優(yōu)勢。激光輻射方向高度可控,確保90%的光能夠助力粉末涂層固化。此外,紅外燈一經(jīng)啟用就開始退化,在全天候利用率下,1~2年后即需更換,而半導(dǎo)體激光器的使用壽命非常長。


注重過程控制


激光固化的優(yōu)點(diǎn)還包括優(yōu)越的過程控制和終點(diǎn)檢測。室溫激光器外殼支持計(jì)量功能,有助于精確控制固化溫度和周期時(shí)間。常規(guī)烘箱中或紅外燈發(fā)射期間并非不能啟用紅外溫度傳感器,但難度極大。


激光通過控制回路,在幾秒鐘內(nèi)使粉末涂層膠凝,且激光不會(huì)照射超過標(biāo)記的部位。過程數(shù)據(jù)可存檔,用于質(zhì)量控制??梢愿鶕?jù)需要存儲(chǔ)和修改作業(yè)文件。操作員可通過可見光攝像機(jī)觀察完全固化部件的光潔度。無需像傳統(tǒng)固化方法那樣為了良好的測量結(jié)果,還要進(jìn)行額外的加熱和處理。


對于表面平坦的部件,激光是其高產(chǎn)量加工的理想選擇。輕型投影頭可以安裝在機(jī)械臂上,也可以安在龍門架上,可擺動(dòng)。通常涂覆的部件在固定激光頭下方通過。激光高速固化可消除固化瓶頸,實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)部件生產(chǎn)。激光向外投射,而非聚焦,因此固化質(zhì)量不受部件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。


激光固化也可以在無法直接目視目標(biāo)的情況下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室里用于粉末涂層固化工藝的激光加熱器(來自IPG)見圖2,其頂部激光照射首先加熱上表面,通過光亮飾面可以明顯發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)。最終,整個(gè)部件達(dá)到固化溫度,使無法目視的區(qū)域完全固化。背面區(qū)域的固化通過純加熱進(jìn)行,類似于對流烘箱工藝,但由于激光的直接加熱性質(zhì),所需的時(shí)間更短。


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圖2 IPG實(shí)驗(yàn)室用于粉末涂層固化工藝的激光加熱器


激光頭位于外殼中,因?yàn)闆]有熱量需要控制,外殼一般敞開。投影頭的特寫鏡頭展示了正后方的紅外測量攝影機(jī)(見圖2中小圖)。樣品放置在不銹鋼底板上,其中水冷鋼底板上130 cm×30 cm的表面受到均勻照射,見圖3。


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圖3 激光固化樣品放置示意


激光固化與傳統(tǒng)固化的比較


固化中的管道配件如圖4所示。


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圖4 固化中的管道配件


激光固化與傳統(tǒng)固化的比較見表1所列。


項(xiàng)目 

激光器 

紅外燈 

燃?xì)鈱α鞴に?/strong>

工藝速度 

粉末膠凝<15 s,完全固化<1 min,快速冷卻 

紅外光加速固化,通常需要30 s才能膠凝,另外還需要60~90 s才能固化

緩慢上升至固化溫度。固化過程緩慢,部件冷卻時(shí)間長

處理工藝/工廠占地面積 

固化速度快,冷卻快,能實(shí)現(xiàn)占地面積最小的連續(xù)零件流動(dòng)

烘箱長度與固化周期時(shí)間成比例;需打開烘箱加熱工廠;紅外燈固化有時(shí)是脫機(jī)分批處理工藝,需要專用烘箱和冷卻空間

烘箱長度與固化時(shí)間成比例;需打開烘箱加熱工廠;由于直列式烘箱長度過長,對流固化有時(shí)采用脫機(jī)分批處理工藝

能耗 

利用率>40%,激光將>50%的電力轉(zhuǎn)化為光,約90%的光可以直接用于固化,產(chǎn)生的廢熱極少 

利用率<40%,紅外燈將約70%的電力轉(zhuǎn)換為光,但只有約50%的光用于固化,主要原因在于受方向和發(fā)熱的限制 

利用率<30%,對流烘箱加熱內(nèi)部空氣和烘箱壁。熱交換器、洗滌器和風(fēng)扇會(huì)拉低效率

維護(hù) 

預(yù)計(jì)可全天候(24 hx7 d)不間斷運(yùn)行7年以上 

通??扇旌颍?4 hx7 d)不間斷運(yùn)行1~2 年,此后即需更換紅外燈

定期維護(hù),清潔臟污部件并清除隔離的污染物 

過程控制和優(yōu)化 

操作人員可通過紅外光和可見光攝像機(jī),觀察快速上升到的固化溫度并進(jìn)行終點(diǎn)檢測;適用于自動(dòng)化 

未使用視覺智能,可能采用自動(dòng)加熱/冷卻程序

未使用視覺智能,烘箱在固定溫度下空轉(zhuǎn),部件的固化時(shí)間固定 

能源成本/碳足跡 

能源成本與燃?xì)夥绞较喈?dāng);碳排放量低 

由于紅外燈輻射的方向控制差、加熱過程和循環(huán)時(shí)間較長,能源成本高于激光器;碳排放量中等/適度;對更換下的紅外燈的處置會(huì)影響環(huán)境

燃?xì)鈨r(jià)格低廉/化石燃料碳排放量高

資本成本 

資本支出高,通過提升生產(chǎn)力、降低運(yùn)營支出,實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)率

資本支出中等 

資本支出最低 

表1  激光固化與傳統(tǒng)固化的比較


激光固化所需的前期資本投資并非適用于所有粉末噴涂廠家。在以前,激光加熱器的投資可能比類似的燃?xì)庀涫胶嫦涓?倍,或者說是安裝紅外燈的2倍。以產(chǎn)量為重的廠家采用激光固化,因產(chǎn)能提升、運(yùn)營費(fèi)用降低和工廠占地面積減少而獲益,因此能夠快速收回成本。上面總結(jié)了激光器、紅外燈和燃?xì)鈱α骱嫦涔袒g的比較。


對產(chǎn)量要求低一些的粉末噴涂廠家可能會(huì)放棄嘗試激光,就像較小的車間傾向于慢慢采用現(xiàn)在無處不在的激光切割和激光焊接工藝。激光已經(jīng)從詹姆斯·邦德的電影走出,慢慢走進(jìn)車間,用于切割、焊接和清潔,現(xiàn)在還用作一種令人嘆服的固化工藝。采用激光固化的大型粉末涂覆廠家可以期望更高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)量,受益于嚴(yán)格的過程控制,騰出寶貴的車間空間,同時(shí)還降低能耗。


轉(zhuǎn)自:IPG光纖激光器


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激光干燥技術(shù)激光應(yīng)用
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