文章來(lái)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(shì)和工作原理。

什么事激光粉末涂層固化？

激光固化技術(shù)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粒快速凝膠化，隨后完成最終固化。熔化的顆粒在交聯(lián)過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(shí)現(xiàn)各種常見(jiàn)的粉末涂料表面效果，包括光滑、精細(xì)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(duì)流加熱或紅外燈的工業(yè)烤箱中固化的。激光工藝在兩個(gè)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(duì)整個(gè)部件和烤箱環(huán)境進(jìn)行大面積加熱。這大大提高了能效。其次，加熱過(guò)程本身效率更高，大大縮短了所需的固化時(shí)間。對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單相對(duì)簡(jiǎn)單. 高功率二極管激光系統(tǒng)的輸出光束通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)重新塑形并使強(qiáng)度均勻化，然后投射到零件表面，僅對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行加熱。

大多數(shù)激光應(yīng)用，如激光切割，都是將激光能量聚焦到一個(gè)小點(diǎn)上。而在激光固化中、專(zhuān)門(mén)的光學(xué)元件可將激光能量投射到相對(duì)較寬的區(qū)域。

激光固化過(guò)程中使用的大面積激光束的形狀和尺寸可根據(jù)客戶(hù)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(shí)照射單個(gè)部件，也可以同時(shí)照射成批的多個(gè)部件。額外的激光源可用于照亮更大的區(qū)域。

對(duì)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(xué)器件安裝在機(jī)械臂上。這樣，光束就可以在零件表面移動(dòng)，甚至可以改變角度，在移動(dòng)過(guò)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?yàn)檫@些系統(tǒng)在此應(yīng)用中具有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，它們的輸出可以很容易地轉(zhuǎn)換成具有均勻強(qiáng)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(qiáng)度曲線(xiàn)光束則很難做到這一點(diǎn)。

其次，在所有激光類(lèi)型中，二極管激光系統(tǒng)的電子效率最高，通常超過(guò) 50%。此外，二極管激光器產(chǎn)生的紅外波長(zhǎng)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(guò)程，同時(shí)幾乎不會(huì)浪費(fèi)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(shí)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(shì)

激光固化是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，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(zhì)量的效果。激光固化粉末涂料的主要優(yōu)勢(shì)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(gè)部件，固化粉末涂層，然后再冷卻下來(lái)。

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(jìn)入目標(biāo)區(qū)域。激光可選擇性地對(duì)粉末進(jìn)行高效加熱，從而減少了加熱工件時(shí)的能源消耗，并且?guī)缀醪粫?huì)對(duì)烤箱環(huán)境造成能源消耗。

無(wú)廢熱：激光固化系統(tǒng)是一種 "冷 "烤箱，幾乎不會(huì)向周?chē)臻g散發(fā)廢熱，從而降低了對(duì)設(shè)備溫度控制系統(tǒng)的要求。

熱應(yīng)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(guò)程控制：室溫操作可使用熱像儀等機(jī)載計(jì)量裝置，將涂層溫度精確控制在正負(fù) 1 攝氏度范圍內(nèi)。

靈活性：激光烤箱具有近乎即時(shí)啟動(dòng)/停止的功能，這意味著無(wú)需空閑或預(yù)熱時(shí)間。此外，目標(biāo)工件的質(zhì)量對(duì)涂層性能的影響很小，因?yàn)榧す饪鞠鋾?huì)加熱并監(jiān)控涂層表面溫度。在傳統(tǒng)固化爐中，低質(zhì)量工件不能直接在高質(zhì)量工件旁邊固化，否則會(huì)有缺陷或質(zhì)量問(wèn)題。

占地面積小：激光固化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積不會(huì)超過(guò)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(guò)降低能耗、不產(chǎn)生廢熱（否則會(huì)使周?chē)a(chǎn)環(huán)境升溫）和大幅減少維護(hù)費(fèi)用，可降低運(yùn)營(yíng)成本。

低碳足跡：固有的電能效率、消除設(shè)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(duì)流爐

對(duì)流爐基本上是家用對(duì)流爐的工業(yè)化放大版。將零件放入爐內(nèi)，通常通過(guò)燃?xì)馊紵骰螂娂訜嵩訜峥諝狻？諝庠谡麄€(gè)爐腔內(nèi)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(shè)置得更高，以達(dá)到該范圍內(nèi)的基底溫度-部件通常要烘烤 10 到 20 分鐘才能完全固化。

對(duì)流爐的明顯缺點(diǎn)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(gè)部件的溫度，而不僅僅是粉末涂層的溫度。對(duì)流式粉末涂料爐經(jīng)常在班次之間空轉(zhuǎn)，有時(shí)甚至 24 小時(shí)不間斷運(yùn)行，以免冷卻溫度低于允許的臨界值。所有這些都會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和能源，并產(chǎn)生大量碳足跡。對(duì)流爐還占用了相對(duì)較大的生產(chǎn)空間。

激光固化與紅外線(xiàn)烤箱的比較

紅外線(xiàn)烤箱通過(guò)輻射加熱將能量傳遞到零件表面，不依賴(lài)對(duì)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(xiàn)。此外，有些設(shè)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(zhuān)用輻射器表面發(fā)生催化反應(yīng)，在沒(méi)有明火的情況下產(chǎn)生紅外輻射。

紅外線(xiàn)加熱比對(duì)流加熱更快、更節(jié)能。實(shí)際上，二極管激光和傳統(tǒng)紅外光源的電光轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)。不過(guò)，雖然傳統(tǒng)紅外線(xiàn)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(xiàn)加熱器會(huì)發(fā)出寬帶輻射。這種輻射大部分不會(huì)被粉末涂料很好地吸收，因此不會(huì)直接促進(jìn)固化過(guò)程。此外，紅外線(xiàn)加熱器向各個(gè)方向輻射。因此，紅外線(xiàn)加熱器的大部分輸出都不會(huì)到達(dá)工件，而只是加熱爐腔。這種加熱方式使現(xiàn)場(chǎng)過(guò)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(xiàn)波長(zhǎng)。因此，粉末涂料顆粒對(duì)激光的吸收率要高得多，直接促進(jìn)了固化過(guò)程。此外，激光光束的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他紅外線(xiàn)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(lèi)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(jiàn)的應(yīng)用包括：增強(qiáng)汽車(chē)部件（包括車(chē)輪、底盤(pán)部件和車(chē)身底部部件）的抗腐蝕能力提高飛機(jī)部件的耐用性，為極端條件提供保護(hù)為冰箱、洗衣機(jī)、烤箱和戶(hù)外家具等消費(fèi)品提供堅(jiān)固、美觀(guān)的表面處理 提高窗框和欄桿等建筑構(gòu)件的耐候性能保護(hù)工業(yè)機(jī)械、工具和外殼免受磨損和惡劣環(huán)境的影響為工業(yè)設(shè)備中的金屬外殼、機(jī)箱和連接器提供電氣絕緣和保護(hù)為醫(yī)院設(shè)備和醫(yī)療器械制作生物兼容和抗菌涂層從汽車(chē)生產(chǎn)到醫(yī)療設(shè)備制造，粉末涂料是一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)。

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