艾丹·弗里堡
工业粉末涂层固化不再是“像看着油漆干燥一样”,因为激光已经作为一种高速替代方案出现在现场。激光长期以来一直是精密金属切割和焊接的首选工业工具,它具有与高利用率粉末喷涂操作类似的优势。也就是说,激光器速度快,控制精确,同时由于其非凡的固化效率而节省能源费用。
粉末涂层固化可通过 970 纳米左右的红外激光完成。二极管激光器是理想的激光器选择,因为它们结合了最低的每瓦成本和最高的电功率转换效率。它们的红外辐射可穿透涂层表面下方几微米,与对流炉相比具有多种优势。最重要的是,体积加热将能量快速传递到粉末涂层中,就像微波炉通过从内到外的烹饪来加速食物准备一样。其次,加热底层基材时浪费的能量很少,这在将涂料应用于聚合物或木材等温度敏感材料时至关重要。第三,激光具有高度可定向性,因此只有涂层区域被照亮。最后,由于大部分热量输入保留在涂层中,零件冷却时间通常是几秒而不是几分钟。
按需热源
激光固化可降低运营成本并减少对环境的影响。激光加热器仅在加工零件时消耗能量;批次之间不会出现空转,因为激光器能够在几毫秒内全力开启,同时像电灯开关一样立即关闭。加热炉壁或外壳内的气氛或工厂车间时不会浪费任何能量。由于激光束是扩展的,而不是聚焦的,因此眼睛安全要求不如激光切割和焊接严格。一般来说,高速激光固化工艺所需的工厂占地面积较少,这表现为较短的烘箱长度,或者减少或消除离线固化和冷却区域。
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激光固化的粉末涂层部件出色地通过了标准 ASTM 质量测试,包括交叉线、溶剂和冲击测试。从业者发现激光固化粉末涂层与传统对流烘箱或红外灯工艺没有差异。这并不奇怪,因为激光加热器产生类似的波长,因此通过与灯类似的机制进行固化。
虽然灯和激光器具有高速红外光固化和快速开启等优点,但激光器具有运营成本优势。激光辐射的高定向性确保 90% 的光可以促进粉末涂层固化。虽然红外灯会立即开始退化,并且在 24x7 使用一到两年后需要更换,但二极管激光器的寿命非常长。例如,IPG Photonics 为 DLS-ECO 二极管加热器提供 3 年全面保修,同时预计可不间断、免维护运行七年多。采用激光固化的注重产量的制造商将大幅降低能源费用和维护成本。
专注于过程控制
卓越的过程控制和终点检测也是激光固化的优势。室温激光外壳支持计量以精确控制固化温度和循环时间。在传统烤箱或红外灯背景发射中实施基于红外的温度传感器即使不是不可能,也是具有挑战性的。控制回路使激光能够在短短几秒钟内使粉末涂层凝胶化,而不会超出标记。过程数据可以存档用于质量控制。作业文件可以根据需要存储和修改。可见光相机使操作员能够观察完全固化部件的光洁度。无需像传统固化方法那样施加额外的热量和处理时间来达到良好的效果。
激光器是平面零件高产量加工的理想选择。轻型投影头可以安装在机器人手臂上或在龙门架上摆动。与通常一样,涂层零件在固定激光头下方传送。激光固化速度快,消除了固化瓶颈,可实现连续流动零件生产。由于激光是投射而非聚焦,因此固化质量对零件拓扑不敏感。无需直接视线即可进行激光固化。在上图中,顶部激光照明首先加热上表面,从闪亮的表面可以明显看出。最终,整个部件达到固化温度,使视线之外的区域完全固化。背面区域的固化是纯热固化,类似于对流烘箱过程,但由于激光的直接加热性质,固化速度仍然更快。
激光固化所需的前期资本投资并不适合所有粉末喷涂操作。对于早期采用者来说,激光加热器的投资可能是同类燃气箱式烤箱的四倍,或者是红外灯安装的两倍。注重吞吐量的运营商受益于更高的产能、更低的运营费用和工厂占地面积的减少,因此能够快速收回资本支出。表 1 总结了激光、红外灯和燃气对流烘箱固化之间的权衡。注重产量较少的粉末喷涂操作可能会放弃改用激光,就像较小的车间更缓慢地倾向于现在无处不在的激光切割一样和激光焊接工艺。
激光已经从詹姆斯·邦德电影中转移到车间中用于切割、焊接和清洁,现在又成为一种引人注目的固化工艺。采用激光固化的大型粉末喷涂机
可以期望更高的生产率和吞吐量,受益于严格的过程控制,并释放宝贵的车间空间,同时享受更低的能源费用。那些希望了解更多有关这种新固化工艺的人将有机会参加 2024 年粉末涂料周。