Преимущества лазера при порошковой окраске

Лазерная полимеризация порошковых красок использует ближний инфракрасный лазер для быстрого гелеобразования, а затем отверждения их частиц, предварительно электростатически нанесенных на поверхность детали. Расплавленные частицы химически реагируют в процессе, известном как сшивание, образуя покрытие, которое обычно толще, твёрже и долговечнее обычных покрытий из жидких красок. Лазерная обработка порошкового полимерного покрытия позволяет получать различные распространённые виды декоров, включая гладкие, мелкотекстурные, структурные, шагреневые, а также металлики сухого смешения и бондированные.

Традиционно порошковые краски отверждают в промышленных печах с использованием конвекционного нагрева или инфракрасных ламп. Лазерный процесс значительно отличается от этих традиционных методов по двум основным аспектам. Во-первых, лазерная обработка избирательно нагревает только освещённые участки, а не нагревает всю деталь и всё внутреннее пространство печи целиком. Это значительно повышает энергоэффективность процесса окраски. Во-вторых, сам процесс нагрева по своей природе более эффективен, что значительно сокращает необходимое время отверждения. Для промышленных предприятий, связанных с порошковой окраской, это означает кардинальное увеличение производительности.

Как работает лазерная порошковая полимеризация?

Базовая конфигурация системы лазерной обработки относительно проста. Выходной луч мощной диодной лазерной системы преобразуется и выравнивается по интенсивности с помощью оптики, а затем проецируется на поверхность детали/деталей для нагрева только выбранных участков.

Широкоугольные лазерные лучи, используемые при лазерной полимеризации, могут быть настроены по форме и размеру для покрытия областей размером от нескольких кв.см до нескольких метров в ширину. В зависимости от конфигурации луча можно одновременно освещать как отдельные детали, так и партии из нескольких деталей. Для освещения более крупных площадей можно использовать дополнительные лазерные источники.

Альтернативный подход для крупных деталей или деталей с сильно изогнутой формой заключается в установке лазерной проекционной оптики на роботизированную руку. Это позволяет лучу перемещаться по поверхности детали и даже менять угол, полимеризуя порошковое покрытие по мере движения.

Лазерная полимеризация использует мощные диодные лазерные системы, поскольку они обладают рядом ключевых преимуществ для этого применения. Во-первых, их выходной сигнал может быть легко преобразован в прямоугольный луч (среди прочих форм луча) с равномерным распределением интенсивности. Этого сложнее добиться с помощью резко сфокусированных круглых гауссовых лучей с профилем интенсивности, создаваемых большинством других лазеров.

Во-вторых, диодные лазерные системы обладают самой высокой электрической эффективностью среди всех типов лазеров – часто более 50%. Кроме того, свет ближнего инфракрасного диапазона, излучаемый диодными лазерами, проникает на несколько микрон под поверхность покрытия. Этот объёмный нагрев быстро передаёт энергию в слой порошкового покрытия, что ускоряет процесс отверждения, при этом практически не расходуется энергия на нагрев нижележащей подложки. Поскольку процесс с использованием диодных лазеров исключает нагрев основной части детали, время охлаждения значительно сокращается, что позволяет лазерам отверждать покрытия на термочувствительных материалах.

В 10 раз быстрее, чем конвекция

В момент включения лазерной печи лазерная энергия мгновенно проникает в поверхность порошка, нагревая покрытие в объёмном режиме.

Лазерная полимеризация обеспечивает фазовый переход из порошка в жидкость за считанные секунды, после чего быстро завершается процесс отверждения. Высокая скорость отверждения снижает ненужный нагрев детали, минимизируя время охлаждения.

Преимущества лазерной полимеризации порошковой краски

Лазерная обработка — это инновационная технология, которая преодолевает ограничения старых методов, обеспечивая высококачественные результаты быстрее и с меньшими затратами. Ключевые преимущества лазерной обработки порошковых покрытий включают:

Скорость:

Диодные лазеры ближнего ИК-диапазона обеспечивают быстрый локальный нагрев, отверждая порошковые покрытия всего за пару минут. После формирования покрытия подложка быстро остывает. Для сравнения, обычным печам могут потребоваться десятки минут для равномерного нагрева деталей, отверждения порошкового покрытия и последующего охлаждения.

Энергоэффективность:

Диодные лазерные источники обладают высокой электрической эффективностью, и практически вся их энергия направляется в целевую область. Лазерный свет избирательно и эффективно нагревает порошок, тратя меньше энергии на нагрев детали и практически не тратя энергию на нагрев окружающей среды печи.

Отсутствие тепловых потерь:

Системы лазерной обработки представляют собой «холодные» печи, которые практически не излучают тепло в окружающее пространство, снижая нагрузку на системы контроля температуры в помещении.

Минимальное термическое напряжение:

Лазерная порошковая полимеризация подходит для термочувствительных материалов, таких как пластик и дерево, а также для деликатных деталей с тонкими металлическими элементами.

Контроль процесса:

Работа при комнатной температуре позволяет использовать встроенные метрологические средства, такие как тепловизоры, для точного контроля температуры покрытия с точностью до ±1 градуса Цельсия.

Гибкость:

Лазерные печи обладают практически мгновенным запуском/остановкой, что означает отсутствие периодов простоя или прогрева. Кроме того, масса обрабатываемой детали мало влияет на свойства покрытия, поскольку лазерная печь нагревает и контролирует температуру поверхности покрытия. В обычной печи полимеризации деталь с малой массой не может быть отверждена непосредственно рядом с деталью с большой массой без риска дефектов покрытия или проблем с качеством.

Компактные габариты:

Система лазерной обработки покрытия компактна и занимает ненамного больше площади, чем площадь самих обрабатываемых деталей. Кроме того, сам процесс совместим с непрерывным потоком деталей, что минимизирует общую площадь и максимизирует производительность.

Низкая стоимость обслуживания:

Эксплуатационные расходы снижаются за счет уменьшения энергопотребления, отсутствия отработанного тепла (которое в противном случае нагревает окружающую производственную среду) и существенного сокращения затрат на техническое обслуживание.

Низкий углеродный след:

Сочетание присущей оборудованию энергоэффективности, отсутствия отработанного тепла, излучаемого оборудованием, и отсутствия расходных материалов делает лазерную полимеризацию более экологичным и устойчивым процессом.

Сравнительная таблица эффективности технологий

Характеристика/технология	Лазер	ИК лампы	Конвекция
Скорость проццесса	Высокая	Средняя	Низкая
Площадь, занимаемая печью	Малая	Малая	Большая
Расходы на энергию	Низкие	Высокие	Высокие
Влияние на окружающую среду	Низкое	Среднее	Высокое
Расходы на уход и обслуживание	Низкие	Высокие	Средние

Конвекционные печи

Конвекционные печи — это, по сути, увеличенные, промышленные версии бытовых конвекционных печей. Детали помещают в печь и нагревают воздух, обычно с помощью газовых горелок или иногда электрических нагревательных элементов. Воздух циркулирует по всей камере печи для равномерного нагрева деталей. Температура полировки обычно находится в диапазоне от 160°С до 200°С — хотя печи могут быть настроены на гораздо более высокую температуру для ускорения достижения температуры подложки в этом диапазоне.  Покрытие на деталях обычно запекают в течение 10–20 минут для полного отверждения.

Очевидным недостатком конвекционных печей является их слабая энергоэффективность. Они нагревают большой объём воздуха, а также саму печь, и должны повышать температуру всей детали, а не только порошкового покрытия. Конвекционные печи для порошковой окраски часто простаивают между сменами, а иногда работают круглосуточно, чтобы не опускать температуру внутри ниже допустимого порога. Всё это приводит к потере времени, энергии и значительному углеродному следу. Конвекционные печи также занимают относительно большую площадь производственных помещений.

Инфракрасные печи

Инфракрасные печи передают энергию на поверхность деталей посредством лучистого нагрева, напрямую передавая энергию без использования конвекции горячего воздуха. Они генерируют инфракрасное излучение с помощью различных источников, таких как кварцевые лампы, керамические излучатели или вольфрамовые нити. В качестве альтернативы некоторые используют газокаталитические излучатели. В этом случае газ или пропан подвергаются каталитической реакции на поверхности специализированных излучателей, производя инфракрасное излучение без открытого пламени.

Инфракрасный нагрев намного быстрее и энергоэффективнее, чем конвекционный. Как диодные лазеры, так и традиционные инфракрасные источники фактически имеют сопоставимую эффективность преобразования электрического излучения в оптическое. Но хотя традиционное инфракрасное отверждение имеет некоторые сходства с лазерным отверждением, нелазерные источники в целом гораздо менее эффективны.

Одна из причин этого заключается в том, что нелазерные инфракрасные нагреватели излучают широкополосное излучение. Большая часть этого излучения плохо поглощается порошковым покрытием и, следовательно, не вносит прямого вклада в процесс отверждения. Кроме того, инфракрасные нагреватели излучают во всех направлениях. В результате большая часть их излучения никогда не достигает деталей – она просто нагревает камеру печи. Этот нагрев делает невозможным мониторинг процесса на месте.

Лазерный нагрев

В отличие от них, системы лазерной диодной полимеризации обеспечивают узкий диапазон длин волн инфракрасного излучения в сильно направленном пучке. В результате гораздо больший процент их света поглощается частицами порошкового покрытия, непосредственно способствуя процессу полимеризации. Кроме того, интенсивность лазерного излучения значительно превышает ту, которую могут обеспечить альтернативные источники инфракрасного излучения, что позволяет ускорить процесс полимеризации.

Точный контроль процесса сушки

«Холодная» лазерная печь — это благоприятная среда для контроля оборудования, позволяющая проводить расширенные метрологические измерения, недоступные в традиционных печах. Контроль температуры с помощью пирометра обеспечивает непревзойденно точный контроль процесса, скорость и стабильность.

Как применяется лазерная порошковая обработка?

Лазерная полимеризация совместима практически с любым типом порошковых красок и любым материалом подложки, что обеспечивает ей широкую область применения. Типичные производственные задачи включают:

• Повышение коррозионной стойкости автомобильных деталей, включая колёсные диски, компоненты шасси и элементы днища;
• Повышение долговечности компонентов самолётов и обеспечение защиты от экстремальных условий;
• Создание прочного, эстетически привлекательного покрытия для потребительских товаров, таких как холодильники, стиральные машины, духовки и садовая мебель;
• Повышение атмосферостойкости архитектурных элементов, таких как оконные рамы и перила;
• Защита промышленного оборудования, инструментов и корпусов от износа и воздействия агрессивных сред;
• Обеспечение электрической изоляции и защиты металлических корпусов, кожухов и разъемов в промышленном оборудовании;
• Создание биосовместимых и антимикробных покрытий на больничном оборудовании и медицинских инструментах.

В каких отраслях используется лазерная обработка?

Порошковая обработка — это широко используемая технология, применяемая во всех отраслях, от автомобилестроения до производства медицинского оборудования. Ключевые отрасли промышленности включают:

• Автомобильная промышленность
• Сельскохозяйственная техника
• Аэрокосмическая промышленность
• Бытовая техника
• Архитектура и строительство
• Мебель
• Промышленное оборудование
• Электроника
• Медицинские приборы

Подытоживая, можно заметить, что складывается новая мировая тенденция развития порошковой окраски на ближайшие десятилетия, пока не отмечаемая большинством западных экспертов: лазерная обработка деталей, лазерная полимеризация порошковых красок вкупе с роботизацией обещают полностью изменить внешний вид и темпы работы цехов порошковой окраски. Будем надеяться, что наши отечественные разработчики не пропустят этот этап.

По материалам зарубежной печати

Выпуск подготовил
Болдырев Андрей Анатольевич