Лазерное отверждение представляет собой точную и энергоэффективную альтернативу традиционным конвекционным печам, снижая воздействие на окружающую среду в процессе нанесения порошковых покрытий. Для получения более подробной информации прочитайте полную статью.
Новые области применения диодных лазеров далеко не всегда являются результатом радикальных инноваций. Часто они возникают благодаря переносу технических концепций, изначально предназначенных для совершенно других задач. Актуальный пример – лазерное отверждение порошковых покрытий. Здесь используется технология ультраширокого лазерного пятна, разработанная для сушки электродов аккумуляторов, и, как и в случае с сушкой аккумуляторов, она конкурирует с термической обработкой в конвекционных печах.
Порошковое покрытие уже десятилетиями является распространённым методом нанесения защитных и декоративных слоёв на компоненты. Обычно оно применяется для окрашивания или защиты от коррозии – зачастую эти функции совмещены – и широко используется для плоских металлических изделий, таких как листы, панели, ламели или гаражные двери. Такие покрытия отличаются высокой химической и механической стойкостью и в целом значительно превосходят по стабильности традиционные лакокрасочные покрытия. Однако, несмотря на техническую отработанность процесса, он всё чаще оказывается неэкономичным и вызывает экологические вопросы по ряду важных параметров. В связи с этим отрасль проявляет большой интерес к концепциям оптимизации процессов. Уже очевидно, что диодные лазеры могут сыграть в этом важную роль.
Сегодня порошковое покрытие металлических деталей рутинно выполняется с использованием электродинамики и термической обработки. Сначала создаётся первичное сцепление между деталью и порошковым материалом с помощью электродинамики. Перед нанесением порошка частицы заряжаются электростатически в распылителе – обычно посредством электрода на наконечнике (так называемое коронное нанесение). Деталь заранее заземляется, и распылённые частицы притягиваются к ней благодаря разности зарядов. В результате формируется слабо закреплённый порошковый слой, который сохраняет стабильность в течение нескольких часов. На этом этапе начинается термическая обработка: деталь с порошковым слоем нагреваются примерно до 180°C, что приводит к сшивке молекулярных структур порошка. Он плавится и переходит в гелеобразное состояние, пока вся поверхность не окажется равномерно покрытой. Затем температура поддерживается, и покрытие окончательно отвердевает за счёт продолжающейся сшивки молекул, образуя прочный порошковый слой.
В последнее время именно заключительный этап термической обработки всё чаще становится “ахиллесовой пятой” всего процесса. До сих пор он обычно осуществлялся в газовой конвекционной печи, что вызывает вопросы уже исходя из роста цен на газ и неблагоприятного баланса выбросов CO2 от ископаемого топлива. Ещё более значимым фактором является тот факт, что печь потребляет столько же энергии, сколько все остальные этапы покрытия вместе взятые. Кроме того, соотношение между производительностью и энергопотреблением настолько невыгодно, что такой процесс трудно назвать экономически целесообразным, не говоря уже о его экологичности. Причин этого экономико-экологического дефицита несколько: для гелеобразования в конвекционной печи необходимо полное прогревание детали, особенно если речь идёт о толстых металлических листах, что требует длительного времени нагрева. В результате детали остаются в печи до 40 минут, что негативно сказывается на энергетическом балансе. Кроме того, длительное пребывание в печи снижает производительность, что усугубляется воздушным потоком в печи: он может поднимать часть электростатически закрепившихся частиц, вызывая “пылевой полёт”, поэтому при загрузке деталей необходимо соблюдать большие расстояния между ними. В противном случае существует риск серьёзного загрязнения покрытия частицами другого цвета, особенно при нанесении цветных слоёв. Даже эти меры только частично защищают от дефектов: если процесс в печи нужно неожиданно остановить – например, из-за технической неисправности – тепловая инерция печи может привести к перегреву покрытий, что делает детали непригодными к использованию.
Учитывая эти недостатки печного процесса, многие эксперты уже сходятся во мнении, что путь к экологичному и экономически выгодному процессу порошкового покрытия лежит через поиск альтернативных методов термической обработки. Особенно это касается фазы нагрева, которая по сравнению с другими этапами потребляет больше всего энергии и сопряжена с наибольшим риском пылевого полёта. Именно здесь остро необходима альтернативная технология — оптимизирующая энергозатраты и обеспечивающая более точную термическую обработку за счёт предотвращения критического пылевого полёта.
С появлением упомянутого в начале лазерного отверждения с использованием диодных лазеров эта альтернатива становится реальностью. Достаточно новый процесс использует технологию Ultra Wide Spot, изначально разработанную компанией Laserline для сушки электродов литий-ионных аккумуляторов в рулонном производстве. Эта технология основывается на специально разработанной оптике OTX Ultra Wide Spot и позволяет получать ширину луча 1,5 метра и более. Это делает её привлекательной и для других процессов термической обработки крупных поверхностей, помимо сушки электродов. В случае отверждения порошковых покрытий данная технология может применяться как на всей протяжённости процесса (в фазе нагрева и выдержки), так и только на этапе нагрева. В последнем случае лазерное отверждение используется до печного процесса, отвечая за плавление и гелеобразование, а фаза выдержки продолжается в печи.
Главное преимущество лазерного отверждения с применением диодных лазеров – это точная и стабильная подача энергии: в отличие от печного процесса, где прогревается вся деталь — причём с помощью воздушного потока, негативно влияющего на производительность — при лазерном отверждении реализуется относительно “холодный” процесс: точно подобранное ультраширокое пятно нагревает только ту область, которая действительно должна быть покрыта, не поднимая при этом частицы порошка. Мощность лазера доступна в полном объёме мгновенно и регулируется в течение миллисекунд по ходу процесса: замкнутая система управления с использованием пирометра непрерывно измеряет температуру поверхности обрабатываемой зоны и корректирует мощность лазера, обеспечивая как безупречный контроль процесса, так и необходимый уровень подачи энергии. Такая организация процесса на этапе нагрева позволяет увеличить скорость нагрева на 90%, значительно сокращая время воздействия на деталь. Благодаря тому, что широкий лазерный луч не вызывает пылевого полёта, возможна более точная термическая обработка и, как следствие, существенное повышение производительности. Постоянный температурный контроль также предотвращает “пережог” покрытия. Если подача деталей полностью останавливается, лазер можно выключить за миллисекунды, сведя подачу энергии к нулю – за исключением незначительного остаточного тепла в окружающем воздухе, обусловленного рассеиванием процессного тепла.
Лазерное отверждение предоставляет промышленным пользователям технологию, устраняющую все критические моменты особенно на этапе нагрева и выступающую экономически и экологически обоснованной альтернативой традиционным печным процессам. Более того, использование исключительно электрических диодных лазеров имеет фундаментальное технологическое преимущество. При эффективности более 50% по коэффициенту полезного действия это самые энергоэффективные промышленные лазеры, способствующие снижению воздействия на климат. Что касается размеров покрываемых деталей, нет никаких промышленных ограничений, так как оптика Laserline OTX Ultra Wide Spot подходит для всех стандартных типоразмеров. Такая гибкость выгодна и для гибридных процессов, когда диодный лазер используется в сочетании с конвекционной печью, располагаясь перед ней. В этих случаях размер детали ограничивается только габаритами печной системы. Скорее всего, гибридные процессы станут первоначальным стандартом, поскольку позволяют действующим печным линиям продолжать работу и одновременно пользоваться преимуществами новой технологии. Особенно более точная термическая обработка, обеспечиваемая лазерным отверждением, прямо улучшает и сам печной процесс. После гелеобразования исчезает риск пылевого полёта, и высокая скорость подачи, достигнутая на этапе нагрева, может быть сохранена и в фазе выдержки в конвекционной печи. Новый процесс не только реализует собственные преимущества, но и повышает эффективность печного метода, способствуя улучшению как экономической целесообразности, так и экологических показателей.
