激光粉末涂層固化的優(yōu)勢和工作原理

文章來源：IPG光纖激光器

原文作者：小奇

本文主要介紹什么是激光粉末涂層固化以及其優(yōu)勢和工作原理。

什么事激光粉末涂層固化？

激光固化技術采用紅外激光器，首先使靜電噴涂在零件表面的粉末涂料顆?？焖倌z化，隨后完成最終固化。熔化的顆粒在交聯(lián)過程中發(fā)生化學反應，形成通常比油漆更厚、更硬、更耐用的涂層。激光固化粉末涂料可實現(xiàn)各種常見的粉末涂料表面效果，包括光滑、精細和粗糙的紋理、河紋、皺紋以及混合和粘合金屬效果。

傳統(tǒng)上，粉末涂料是在利用對流加熱或紅外燈的工業(yè)烤箱中固化的。激光工藝在兩個主要方面與這些傳統(tǒng)方法有很大不同。首先，激光固化只選擇性地加熱照明區(qū)域，而不是對整個部件和烤箱環(huán)境進行大面積加熱。這大大提高了能效。其次，加熱過程本身效率更高，大大縮短了所需的固化時間。對于工業(yè)粉末涂料操作而言，這極大地提高了工藝吞吐量。

激光粉末涂層固化是如何工作的？

激光固化系統(tǒng)的基本配置相對簡單相對簡單. 高功率二極管激光系統(tǒng)的輸出光束通過光學系統(tǒng)重新塑形并使強度均勻化，然后投射到零件表面，僅對選定區(qū)域進行加熱。

大多數(shù)激光應用，如激光切割，都是將激光能量聚焦到一個小點上。而在激光固化中、專門的光學元件可將激光能量投射到相對較寬的區(qū)域。

激光固化過程中使用的大面積激光束的形狀和尺寸可根據(jù)客戶要求定制，覆蓋范圍小到每邊幾英寸，大到幾英尺寬和直徑。根據(jù)光束配置的不同，既可以同時照射單個部件，也可以同時照射成批的多個部件。額外的激光源可用于照亮更大的區(qū)域。

對于較大的部件或具有高度彎曲形狀的部件，另一種方法是將激光投影光學器件安裝在機械臂上。這樣，光束就可以在零件表面移動，甚至可以改變角度，在移動過程中固化粉末涂層。

激光固化使用高功率二極管激光系統(tǒng)，因為這些系統(tǒng)在此應用中具有幾個關鍵優(yōu)勢。首先，它們的輸出可以很容易地轉換成具有均勻強度分布的矩形光束（以及其他光束形狀）。而大多數(shù)其他激光器產(chǎn)生的高度集中的圓形高斯強度曲線光束則很難做到這一點。

其次，在所有激光類型中，二極管激光系統(tǒng)的電子效率最高，通常超過 50%。此外，二極管激光器產(chǎn)生的紅外波長光能穿透涂層表面下的幾微米。這種容積式加熱可將能量迅速傳入粉末涂層，從而加快固化過程，同時幾乎不會浪費加熱底層基材的能量。由于二極管激光工藝避免了部件整體加熱，因此冷卻時間大大縮短，從而使激光能夠固化溫度敏感材料上的涂層。

激光粉末涂層固化的優(yōu)勢

激光固化是一項創(chuàng)新技術，它克服了舊方法的局限性，能以更快的速度和更低的成本提供高質量的效果。激光固化粉末涂料的主要優(yōu)勢包括：

速度：紅外二極管激光器可提供快速的局部加熱，只需幾分鐘即可固化粉末涂料。涂層凝固后，底層材料迅速冷卻。相比之下，傳統(tǒng)烤箱需要數(shù)十分鐘才能均勻加熱整個部件，固化粉末涂層，然后再冷卻下來。

能量效率：激光二極管光源具有很高的電氣效率，幾乎所有能量都能直接進入目標區(qū)域。激光可選擇性地對粉末進行高效加熱，從而減少了加熱工件時的能源消耗，并且?guī)缀醪粫鞠洵h(huán)境造成能源消耗。

無廢熱：激光固化系統(tǒng)是一種 "冷 "烤箱，幾乎不會向周圍空間散發(fā)廢熱，從而降低了對設備溫度控制系統(tǒng)的要求。

熱應力最小：激光粉末涂層固化適用于塑料和木材等熱敏材料，以及具有薄金屬特征的精密部件。

過程控制：室溫操作可使用熱像儀等機載計量裝置，將涂層溫度精確控制在正負 1 攝氏度范圍內。

靈活性：激光烤箱具有近乎即時啟動/停止的功能，這意味著無需空閑或預熱時間。此外，目標工件的質量對涂層性能的影響很小，因為激光烤箱會加熱并監(jiān)控涂層表面溫度。在傳統(tǒng)固化爐中，低質量工件不能直接在高質量工件旁邊固化，否則會有缺陷或質量問題。

占地面積小：激光固化系統(tǒng)結構緊湊，占地面積不會超過其加工零件的面積。此外，該工藝本身與連續(xù)零件流兼容，可最大限度地減少整體占地面積，并最大限度地提高生產(chǎn)量。

低擁有成本：通過降低能耗、不產(chǎn)生廢熱（否則會使周圍生產(chǎn)環(huán)境升溫）和大幅減少維護費用，可降低運營成本。

低碳足跡：固有的電能效率、消除設備輻射的廢熱以及耗材的缺乏都使激光固化成為一種更環(huán)保、更可持續(xù)的工藝。

激光固化與對流爐

對流爐基本上是家用對流爐的工業(yè)化放大版。將零件放入爐內，通常通過燃氣燃燒器或電加熱元件加熱空氣。空氣在整個爐腔內循環(huán)，以均勻加熱零件。固化溫度通常在 325°F 至 400°F 之間。-盡管烤箱可以設置得更高，以達到該范圍內的基底溫度-部件通常要烘烤 10 到 20 分鐘才能完全固化。

對流爐的明顯缺點是能效低。它們需要加熱大量空氣以及爐子本身，而且必須提高整個部件的溫度，而不僅僅是粉末涂層的溫度。對流式粉末涂料爐經(jīng)常在班次之間空轉，有時甚至 24 小時不間斷運行，以免冷卻溫度低于允許的臨界值。所有這些都會浪費時間和能源，并產(chǎn)生大量碳足跡。對流爐還占用了相對較大的生產(chǎn)空間。

激光固化與紅外線烤箱的比較

紅外線烤箱通過輻射加熱將能量傳遞到零件表面，不依賴對流而直接傳遞能量。它們使用石英燈、陶瓷輻射器或鎢絲等各種光源產(chǎn)生紅外線。此外，有些設備還采用氣體催化發(fā)射器。在這種情況下，煤氣或丙烷氣體在專用輻射器表面發(fā)生催化反應，在沒有明火的情況下產(chǎn)生紅外輻射。

紅外線加熱比對流加熱更快、更節(jié)能。實際上，二極管激光和傳統(tǒng)紅外光源的電光轉換效率相當。不過，雖然傳統(tǒng)紅外線固化與激光固化有一些相似之處，但非激光源的整體效率要低得多。

原因之一是非激光紅外線加熱器會發(fā)出寬帶輻射。這種輻射大部分不會被粉末涂料很好地吸收，因此不會直接促進固化過程。此外，紅外線加熱器向各個方向輻射。因此，紅外線加熱器的大部分輸出都不會到達工件，而只是加熱爐腔。這種加熱方式使現(xiàn)場過程監(jiān)控。

相比之下，二極管激光固化系統(tǒng)可在高度定向的光束中提供窄范圍的紅外線波長。因此，粉末涂料顆粒對激光的吸收率要高得多，直接促進了固化過程。此外，激光光束的強度遠遠超過其他紅外線光源，因此固化速度更快。

如何使用激光粉末涂料固化？

激光固化與幾乎所有類型的粉末涂料和基底材料兼容，因此具有廣泛的適用性。

常見的應用包括：增強汽車部件（包括車輪、底盤部件和車身底部部件）的抗腐蝕能力提高飛機部件的耐用性，為極端條件提供保護為冰箱、洗衣機、烤箱和戶外家具等消費品提供堅固、美觀的表面處理 提高窗框和欄桿等建筑構件的耐候性能保護工業(yè)機械、工具和外殼免受磨損和惡劣環(huán)境的影響為工業(yè)設備中的金屬外殼、機箱和連接器提供電氣絕緣和保護為醫(yī)院設備和醫(yī)療器械制作生物兼容和抗菌涂層從汽車生產(chǎn)到醫(yī)療設備制造，粉末涂料是一種廣泛應用的技術。

主要行業(yè)包括：汽車、農(nóng)業(yè)設備、航空航天、設備、建筑與施工、家具、工業(yè)設備、電子產(chǎn)品、醫(yī)療設備