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,因為人們可以采用一種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,同時它也是半導(dǎo)體激光器,因為它們的單位功率成本最低,同時電能轉(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,能量浪費極少。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。
圖1 紅外攝像機觀察到的激光固化涂層
按需加熱 激光固化能降低運營成本,減少對環(huán)境的影響。激光加熱器僅在加工零件時消耗能量;批次之間沒有空轉(zhuǎn),因為激光器能夠在毫秒內(nèi)以全強度開啟,同時又能像燈開關(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能量的情況。激光束向外擴展而非聚焦,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標準試驗,試驗結(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,因為激光加熱器產(chǎn)生相當?shù)牟ㄩL,所以固化機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)點還包括優(yōu)越的過程控制和終點檢測。室溫激光器外殼支持計量功能,有助于精確控制固化溫度和周期時間。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,且激光不會照射超過標記的部位。過程數(shù)據(jù)可存檔,用于質(zhì)量控制??梢愿鶕?jù)需要存儲和修改作業(yè)文件。操作員可通過可見光攝像機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械臂上,也可以安在龍門架上,可擺動。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,實現(xiàn)連續(xù)流動部件生產(chǎn)。激光向外投射,而非聚焦,因此固化質(zhì)量不受部件拓撲結(jié)構(gòu)的影響。 激光固化也可以在無法直接目視目標的情況下進行。實驗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。最終,整個部件達到固化溫度,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),所需的時間更短。 圖2 IPG實驗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,因為沒有熱量需要控制,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(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。 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。 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。 項目 激光器 紅外燈 燃氣對流工藝 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,部件冷卻時間長 處理工藝/工廠占地面積 固化速度快,冷卻快,能實現(xiàn)占地面積最小的連續(xù)零件流動 烘箱長度與固化周期時間成比例;需打開烘箱加熱工廠;紅外燈固化有時是脫機分批處理工藝,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,對流固化有時采用脫機分批處理工藝 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)扇會拉低效率 維護 預(yù)計可全天候(24 hx7 d)不間斷運行7年以上 通??扇旌颍?4 hx7 d)不間斷運行1~2 年,此后即需更換紅外燈 定期維護,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,觀察快速上升到的固化溫度并進行終點檢測;適用于自動化 未使用視覺智能,可能采用自動加熱/冷卻程序 未使用視覺智能,烘箱在固定溫度下空轉(zhuǎn),部件的固化時間固定 能源成本/碳足跡 能源成本與燃氣方式相當;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影響環(huán)境 燃氣價格低廉/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、降低運營支出,實現(xiàn)投資回報率 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氣箱式烘箱高4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、運營費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、紅外燈和燃氣對流烘箱固化之間的比較。 對產(chǎn)量要求低一些的粉末噴涂廠家可能會放棄嘗試激光,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,受益于嚴格的過程控制,騰出寶貴的車間空間,同時還降低能耗。
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