虹科案例 | 光熱測(cè)厚技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

涂層，在我們的生產(chǎn)生活中處處可見，其中涂層的厚度很大程度上影響了涂層的功能，因此，許多行業(yè)對(duì)于涂層厚度都有嚴(yán)格的制造公差指標(biāo)。這需要我們采用精準(zhǔn)的測(cè)厚技術(shù)去檢驗(yàn)，從而達(dá)到不斷增長的質(zhì)量要求，以及節(jié)省人工和材料成本的目的。
目前檢測(cè)方法還主要是分為兩種，無損檢測(cè)和破壞性檢測(cè)。無損檢測(cè)例如磁性測(cè)量、渦流測(cè)量、超聲波測(cè)量以及千分尺測(cè)量等；此外還有破壞性的測(cè)量法，例如橫斷面測(cè)量法和重量分析法等。然而目前這些方法其實(shí)都存在弊端，例如：過于依賴人工造成的測(cè)量成本增高，接觸性測(cè)量導(dǎo)致的樣品件大量損耗，破壞性測(cè)量導(dǎo)致的產(chǎn)量降低。因此，非接觸式的自動(dòng)化無損測(cè)厚方法對(duì)于行業(yè)而言是更加重要的，今天小編為大家介紹一種基于光熱效應(yīng)的測(cè)厚方法，以及虹科光熱測(cè)厚方案的工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。

光熱測(cè)厚的工作原理

光熱涂層測(cè)量法是一種基于熱波的非接觸和非破壞性的油漆涂層厚度測(cè)定，其測(cè)量原理被稱為光熱效應(yīng)。光熱效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有100多年的歷史了，它指的是材料可以吸收光輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱量的效果。

圖1 光熱測(cè)厚技術(shù)的工作原理光熱法的測(cè)厚原理如下：首先利用調(diào)制后的激光/LED脈沖對(duì)涂層表層進(jìn)行加熱只是加熱1°~2°(對(duì)涂層不會(huì)有任何傷害和影響)，然后產(chǎn)生的熱量向涂層內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散。當(dāng)?shù)竭_(dá)涂層和基材的分界面時(shí)，熱輻射會(huì)反射，從而被測(cè)量頭中的傳感器探測(cè)到。而這個(gè)特征時(shí)間取決于涂層的散熱效率，因此，利用紅外探測(cè)器探測(cè)紅外熱輻射（相移）的信號(hào)就可以獲得涂層的厚度信息。在設(shè)備中需要一個(gè)紅外光源，比如激光或者LED，其次需要一個(gè)紅外傳感器進(jìn)行探測(cè)，這些結(jié)構(gòu)都可以集成到一個(gè)單體的測(cè)量探頭中。

圖2 光熱法測(cè)厚的探頭結(jié)構(gòu)這種方法由于表征涂層厚度（或其他參數(shù)）的不是信號(hào)幅度而是信號(hào)相位，即輻射熱波相對(duì)于激發(fā)光波的時(shí)間偏移，因此這種測(cè)量方式對(duì)測(cè)量距離或探測(cè)角度的變化不敏感。對(duì)于曲面、粗糙表面以及干膜、濕膜，光熱紅外測(cè)厚技術(shù)都可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的厚度測(cè)量，而不受涂層表面狀態(tài)的影響。這也是光熱紅外測(cè)厚方法相較于其他非接觸測(cè)厚方法的最大優(yōu)勢(shì)，并且從原理而言適合多種基底的檢測(cè)，因此可以應(yīng)用于多種應(yīng)用場(chǎng)景。

光熱測(cè)厚的工業(yè)應(yīng)用

光熱紅外技術(shù)被認(rèn)為是測(cè)量有機(jī)涂層厚度的最佳測(cè)量方法，其測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，且不受涂層表面狀態(tài)的影響。虹科提供適配不同應(yīng)用場(chǎng)景的基于光熱紅外技術(shù)的PS系列涂層測(cè)厚儀，廣泛應(yīng)用于多種行業(yè)。

01

汽車涂裝行業(yè)

汽車行業(yè)對(duì)于涂層厚度的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)苛，因?yàn)橥繉雍穸葧?huì)明顯影響涂層的耐腐蝕性、耐磨性以及顏色的光澤度和紋理，因此在汽車生產(chǎn)和質(zhì)量控制流程中都需要專業(yè)的測(cè)厚技術(shù)對(duì)涂層厚度做出檢驗(yàn)。除此以外，整個(gè)車身的制造噴漆過程中都處于高度自動(dòng)化的車間中，需要能夠與機(jī)械臂集成的測(cè)厚設(shè)備，同時(shí)設(shè)備需要滿足工業(yè)防爆安全區(qū)的要求，這對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性提出了較高的要求。

虹科PS工業(yè)測(cè)厚儀（機(jī)械臂版）設(shè)計(jì)用于使用機(jī)械臂測(cè)量涂層厚度，它主要用于在線測(cè)量涂層厚度，特別是在汽車車身上?？梢约傻綑C(jī)械臂上，每一臺(tái)防爆版本的設(shè)備都會(huì)單獨(dú)做符合國際標(biāo)準(zhǔn)的防爆測(cè)試，非常適合在惡劣條下測(cè)量涂裝產(chǎn)線的涂層厚度。在汽車涂裝產(chǎn)線應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于光熱測(cè)厚儀對(duì)涂層表面狀態(tài)不敏感，因此其測(cè)量角度公差可達(dá)20°，測(cè)量距離公差可達(dá)50mm，并且測(cè)厚精度可優(yōu)于1um。

圖4 虹科PS工業(yè)測(cè)厚儀（機(jī)械臂版）應(yīng)用于汽車涂裝產(chǎn)線實(shí)景

特別的是，汽車行業(yè)的涂層并不僅僅是一層，很多時(shí)候需要測(cè)量每一層涂層的厚度。虹科PS工業(yè)測(cè)厚儀（機(jī)械臂版）可按照實(shí)際需求配置部分或者全部檢測(cè)站，不同位置的檢測(cè)站測(cè)量探頭均可通過網(wǎng)絡(luò)鏈接，可通終端軟件監(jiān)控不同涂層監(jiān)測(cè)站的探頭所測(cè)的涂層厚度值。因此，無論是涂層的總厚度，還是每一層涂層的厚度，都可以通過虹科PS工業(yè)測(cè)厚儀（機(jī)械臂版）得到精確的測(cè)量結(jié)果。

圖5 虹科PS工業(yè)涂層測(cè)厚儀（機(jī)械臂版）的多層測(cè)厚實(shí)現(xiàn)方案

目前，虹科PS工業(yè)涂層測(cè)厚儀（機(jī)械臂版）在國內(nèi)外的大眾、奔馳、寶馬以及法國標(biāo)致雪鐵龍集團(tuán)、法國雷諾汽車(Renault)、意大利菲亞特汽車公司(Fiat Chrysler Automobiles)都有廣泛應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控涂裝過程，有效檢驗(yàn)涂裝質(zhì)量，確保最佳涂層厚度，有效節(jié)約涂裝成本。

02

汽車零部件行業(yè)

在眾多大型機(jī)械中，除了直觀可見的外殼涂層，實(shí)際上機(jī)械內(nèi)部也遍布了眾多小型的零部件。比如汽車大概由1萬多個(gè)部件組成，其中80%以上的部件帶有裝飾性或功能性涂層，這些部件的涂層同樣需要準(zhǔn)確的測(cè)量技術(shù)去檢驗(yàn)其厚度是否滿足生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。然而，不同于較為平整的車身外殼，很多汽車的零部件是圓環(huán)狀，具有多個(gè)曲面半徑很小的面和折角，對(duì)于其內(nèi)壁涂層的檢測(cè)是常規(guī)技術(shù)檢測(cè)的盲區(qū)。

02

為了針對(duì)性解決零部件的檢測(cè)難題，虹科提供基于光熱紅外測(cè)厚技術(shù)的工件內(nèi)壁涂層檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在于其探頭出光處具有一個(gè)手指形狀的偏轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒊錾涔夥瓷?90°，從而適用于各類直徑大于 18mm 的彎曲、環(huán)狀、圓柱形工件的內(nèi)部涂層檢測(cè)，探測(cè)深度可達(dá) 44mm。

虹科標(biāo)準(zhǔn)版涂層測(cè)厚儀目前已成功應(yīng)用于Vibracoustic（汽車減震系統(tǒng)），BOGE（壓縮機(jī)）等零部件生產(chǎn)廠商，適用于生產(chǎn)中的零部件測(cè)量、噴砂和非噴砂的金屬基材、適用于粘合劑或油漆涂層、金屬工件內(nèi)壁涂層檢測(cè)等多場(chǎng)景厚度檢測(cè)。

03

橡膠行業(yè)

隨著各類材料研究的發(fā)展，塑料、橡膠以及復(fù)合材料在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用率顯著提升，比如風(fēng)電葉片由玻璃纖維制成，橡膠材料在密封行業(yè)也是應(yīng)用廣泛，汽車的塑料部件也是必不可少。這些材料在生產(chǎn)應(yīng)用前，通常也需要涂敷各類功能涂層，比如防腐蝕、耐磨等，而傳統(tǒng)的測(cè)厚方法大多針對(duì)于金屬基底的涂層測(cè)厚，對(duì)于非金屬基底的涂層測(cè)厚設(shè)備可選擇的范圍并不大。

現(xiàn)階段的橡膠行業(yè)測(cè)厚技術(shù)大多仍采取傳統(tǒng)的破壞性手段，通過切割產(chǎn)品的橫截面與顯微鏡觀察來判斷涂層的厚度，存在大量人力成本和產(chǎn)品損耗的缺點(diǎn)。因此，多基底適配的涂層無損測(cè)厚設(shè)備對(duì)于現(xiàn)代的橡膠、塑料等行業(yè)來說是非常必需的。

光熱紅外測(cè)厚技術(shù)從原理而言，對(duì)基底材料的種類并無要求。然而需要注意的是，當(dāng)我們使用調(diào)制后的紅外光去照射涂層材料時(shí)，如果光源是高熱量的激光，有可能對(duì)非金屬基底造成燃燒損傷。為了避免這一潛在的危險(xiǎn)來源，虹科提供基于LED的光熱紅外測(cè)厚儀——PS燈工業(yè)測(cè)厚儀，采用 650nm 的 LED 光源，對(duì)眼睛安全，可以在沒有大量保護(hù)措施的情況下操作，這允許零件的最大吞吐量。并且可以在測(cè)厚過程中避免對(duì)塑料、復(fù)合材料等基底的燃燒損傷，因此特別適用于塑料、橡膠、復(fù)合材料基底的有機(jī)涂層測(cè)量。

圖9 虹科PS燈涂層測(cè)厚儀

虹科PS燈涂層測(cè)厚儀具有實(shí)驗(yàn)室桌面版本和工業(yè)的單體版本，其中工業(yè)版本已應(yīng)用于海達(dá)、薩固密的密封膠條生產(chǎn)廠中，可以完美替代傳統(tǒng)的破壞性測(cè)厚方法。測(cè)厚儀能夠輕松安裝在工業(yè)產(chǎn)線中，為橡膠行業(yè)的涂層檢測(cè)帶來在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的高精度測(cè)量，顯著節(jié)省了人力資源和材料成本。圖10 虹科PS燈涂層測(cè)厚儀應(yīng)用于橡膠廠

04

卷材行業(yè)

金屬卷材用于廣泛的多元化終端市場(chǎng)，從汽車和運(yùn)輸、建筑和施工、家用電器和一般工業(yè)到電力和電氣以及食品和飲料。比如彩色涂層鋼(鋁)板,是國際上發(fā)展速度較快的產(chǎn)品之一,它以冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、鋁板或其它金屬板材為基板，表面進(jìn)行清洗、預(yù)處理、涂漆后烘干成膜。有機(jī)涂層在這里起著美觀、防腐蝕以及提升機(jī)械性能的作用。涂層的涂布采用的卷涂方法，基材在傳送帶上進(jìn)行高速的移動(dòng)，保證快速的涂布效率。而針對(duì)于此應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)厚設(shè)備盡量要滿足高速移動(dòng)樣品的在線測(cè)量需求，從而不影響生產(chǎn)的效率。另外，基材在移動(dòng)過程中肯定會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和偏移，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性也有明顯的負(fù)面影響。

光熱紅外測(cè)厚技術(shù)針對(duì)于卷材涂層測(cè)厚具有明顯優(yōu)勢(shì)：首先從原理而言，因?yàn)椴捎孟辔惶崛『穸龋?strong>抗干擾能力強(qiáng)，不受震動(dòng)角度距離的影響，測(cè)試結(jié)果不受鋁箔材厚度和粗糙度的影響。此外，使用操作步驟簡單，對(duì)同樣的基材和材料只要一次校準(zhǔn)，校準(zhǔn)信息可轉(zhuǎn)移到別的設(shè)備上或別的測(cè)量位置，可自動(dòng)儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)據(jù)。因此，移動(dòng)的被測(cè)樣品所帶來的振動(dòng)并不會(huì)影響光熱測(cè)厚技術(shù)的準(zhǔn)確性，且可測(cè)量產(chǎn)線上多種涂層材料。圖12 虹科PS工業(yè)涂層測(cè)厚儀（速度版）應(yīng)用于卷材行業(yè)實(shí)景

除此以外，為了適配卷材涂裝產(chǎn)線的高速要求，虹科提供PS工業(yè)涂層測(cè)厚儀（速度版）。該版本采用了10.6um的CO2激光器和帶集成冷卻器的紅外檢測(cè)器，專利的“雙光束技術(shù)”能夠是測(cè)量頭適配最高180m/min的傳送帶速度，對(duì)于高速傳送的材料也可以快速測(cè)量得到優(yōu)于1um的測(cè)厚精度，同時(shí)沒有卷材變化對(duì)測(cè)量的影響，是金屬卷材行業(yè)涂層測(cè)厚的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，目前在Tata steel等鋼鐵公司成功應(yīng)用。

虹科光熱測(cè)厚方案

光熱測(cè)厚技術(shù)具有無損無接觸式、測(cè)量精度高、不受涂層表面狀態(tài)影響的高穩(wěn)定性等的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。虹科提供基于此技術(shù)原理的PS涂層測(cè)厚方案，包括適用于非金屬基底的PS燈涂層測(cè)厚儀、適用于工件內(nèi)壁涂層測(cè)厚的PS標(biāo)準(zhǔn)版涂層測(cè)厚儀、適用于汽車與航空航天噴涂產(chǎn)線的PS工業(yè)涂層測(cè)厚儀（機(jī)械臂版），以及適配高速卷材涂層測(cè)厚的PS工業(yè)涂層測(cè)厚儀（速度版）。

經(jīng)過客戶數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到，通過使用虹科PS系列涂層測(cè)厚儀，能夠節(jié)省人工檢測(cè)成本約95%，每年可為客戶節(jié)約噴涂成本約30%，每年可提升噴涂標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)量約30%，每年降低噴涂廢品率約28%，為相關(guān)行業(yè)帶來顯著的高質(zhì)量檢測(cè)與低成本損耗的效果。