激光粉末涂层固化的优势和工作原理

文章来源：IPG光纤激光器

原文作者：小奇

本文主要介绍什么是激光粉末涂层固化以及其优势和工作原理。

什么事激光粉末涂层固化？

激光固化技术采用红外激光器，首先使静电喷涂在零件表面的粉末涂料颗粒快速凝胶化，随后完成最终固化。熔化的颗粒在交联过程中发生化学反应，形成通常比油漆更厚、更硬、更耐用的涂层。激光固化粉末涂料可实现各种常见的粉末涂料表面效果，包括光滑、精细和粗糙的纹理、河纹、皱纹以及混合和粘合金属效果。

传统上，粉末涂料是在利用对流加热或红外灯的工业烤箱中固化的。激光工艺在两个主要方面与这些传统方法有很大不同。首先，激光固化只选择性地加热照明区域，而不是对整个部件和烤箱环境进行大面积加热。这大大提高了能效。其次，加热过程本身效率更高，大大缩短了所需的固化时间。对于工业粉末涂料操作而言，这极大地提高了工艺吞吐量。

激光粉末涂层固化是如何工作的？

激光固化系统的基本配置相对简单相对简单. 高功率二极管激光系统的输出光束通过光学系统重新塑形并使强度均匀化，然后投射到零件表面，仅对选定区域进行加热。

大多数激光应用，如激光切割，都是将激光能量聚焦到一个小点上。而在激光固化中、专门的光学元件可将激光能量投射到相对较宽的区域。

激光固化过程中使用的大面积激光束的形状和尺寸可根据客户要求定制，覆盖范围小到每边几英寸，大到几英尺宽和直径。根据光束配置的不同，既可以同时照射单个部件，也可以同时照射成批的多个部件。额外的激光源可用于照亮更大的区域。

对于较大的部件或具有高度弯曲形状的部件，另一种方法是将激光投影光学器件安装在机械臂上。这样，光束就可以在零件表面移动，甚至可以改变角度，在移动过程中固化粉末涂层。

激光固化使用高功率二极管激光系统，因为这些系统在此应用中具有几个关键优势。首先，它们的输出可以很容易地转换成具有均匀强度分布的矩形光束（以及其他光束形状）。而大多数其他激光器产生的高度集中的圆形高斯强度曲线光束则很难做到这一点。

其次，在所有激光类型中，二极管激光系统的电子效率最高，通常超过 50%。此外，二极管激光器产生的红外波长光能穿透涂层表面下的几微米。这种容积式加热可将能量迅速传入粉末涂层，从而加快固化过程，同时几乎不会浪费加热底层基材的能量。由于二极管激光工艺避免了部件整体加热，因此冷却时间大大缩短，从而使激光能够固化温度敏感材料上的涂层。

激光粉末涂层固化的优势

激光固化是一项创新技术，它克服了旧方法的局限性，能以更快的速度和更低的成本提供高质量的效果。激光固化粉末涂料的主要优势包括：

速度：红外二极管激光器可提供快速的局部加热，只需几分钟即可固化粉末涂料。涂层凝固后，底层材料迅速冷却。相比之下，传统烤箱需要数十分钟才能均匀加热整个部件，固化粉末涂层，然后再冷却下来。

能量效率：激光二极管光源具有很高的电气效率，几乎所有能量都能直接进入目标区域。激光可选择性地对粉末进行高效加热，从而减少了加热工件时的能源消耗，并且几乎不会对烤箱环境造成能源消耗。

无废热：激光固化系统是一种 "冷 "烤箱，几乎不会向周围空间散发废热，从而降低了对设备温度控制系统的要求。

热应力最小：激光粉末涂层固化适用于塑料和木材等热敏材料，以及具有薄金属特征的精密部件。

过程控制：室温操作可使用热像仪等机载计量装置，将涂层温度精确控制在正负 1 摄氏度范围内。

灵活性：激光烤箱具有近乎即时启动/停止的功能，这意味着无需空闲或预热时间。此外，目标工件的质量对涂层性能的影响很小，因为激光烤箱会加热并监控涂层表面温度。在传统固化炉中，低质量工件不能直接在高质量工件旁边固化，否则会有缺陷或质量问题。

占地面积小：激光固化系统结构紧凑，占地面积不会超过其加工零件的面积。此外，该工艺本身与连续零件流兼容，可最大限度地减少整体占地面积，并最大限度地提高生产量。

低拥有成本：通过降低能耗、不产生废热（否则会使周围生产环境升温）和大幅减少维护费用，可降低运营成本。

低碳足迹：固有的电能效率、消除设备辐射的废热以及耗材的缺乏都使激光固化成为一种更环保、更可持续的工艺。

激光固化与对流炉

对流炉基本上是家用对流炉的工业化放大版。将零件放入炉内，通常通过燃气燃烧器或电加热元件加热空气。空气在整个炉腔内循环，以均匀加热零件。固化温度通常在 325°F 至 400°F 之间。-尽管烤箱可以设置得更高，以达到该范围内的基底温度-部件通常要烘烤 10 到 20 分钟才能完全固化。

对流炉的明显缺点是能效低。它们需要加热大量空气以及炉子本身，而且必须提高整个部件的温度，而不仅仅是粉末涂层的温度。对流式粉末涂料炉经常在班次之间空转，有时甚至 24 小时不间断运行，以免冷却温度低于允许的临界值。所有这些都会浪费时间和能源，并产生大量碳足迹。对流炉还占用了相对较大的生产空间。

激光固化与红外线烤箱的比较

红外线烤箱通过辐射加热将能量传递到零件表面，不依赖对流而直接传递能量。它们使用石英灯、陶瓷辐射器或钨丝等各种光源产生红外线。此外，有些设备还采用气体催化发射器。在这种情况下，煤气或丙烷气体在专用辐射器表面发生催化反应，在没有明火的情况下产生红外辐射。

红外线加热比对流加热更快、更节能。实际上，二极管激光和传统红外光源的电光转换效率相当。不过，虽然传统红外线固化与激光固化有一些相似之处，但非激光源的整体效率要低得多。

原因之一是非激光红外线加热器会发出宽带辐射。这种辐射大部分不会被粉末涂料很好地吸收，因此不会直接促进固化过程。此外，红外线加热器向各个方向辐射。因此，红外线加热器的大部分输出都不会到达工件，而只是加热炉腔。这种加热方式使现场过程监控。

相比之下，二极管激光固化系统可在高度定向的光束中提供窄范围的红外线波长。因此，粉末涂料颗粒对激光的吸收率要高得多，直接促进了固化过程。此外，激光光束的强度远远超过其他红外线光源，因此固化速度更快。

如何使用激光粉末涂料固化？

激光固化与几乎所有类型的粉末涂料和基底材料兼容，因此具有广泛的适用性。

常见的应用包括：增强汽车部件（包括车轮、底盘部件和车身底部部件）的抗腐蚀能力提高飞机部件的耐用性，为极端条件提供保护为冰箱、洗衣机、烤箱和户外家具等消费品提供坚固、美观的表面处理 提高窗框和栏杆等建筑构件的耐候性能保护工业机械、工具和外壳免受磨损和恶劣环境的影响为工业设备中的金属外壳、机箱和连接器提供电气绝缘和保护为医院设备和医疗器械制作生物兼容和抗菌涂层从汽车生产到医疗设备制造，粉末涂料是一种广泛应用的技术。

主要行业包括：汽车、农业设备、航空航天、设备、建筑与施工、家具、工业设备、电子产品、医疗设备