灵活的非接触性膜厚测量

作者：Martin Rola, President, Sapience Automation, Charleston, SC

旨在快速准确地测量未固化粉末涂料厚度的一种新测量和控制技术被开发，这使得欧洲的质量和工艺工程师在过去几年里能够快速优化他们的粉末涂料应用。该系统使他们能够将通常应用于粉末数量设置的安全裕度需求降到最低，从而大大减少了材料消耗。此外，涂覆后立即连续测量涂层厚度可提供另一层保护，方便在组分固化前检测质量问题。被称为先进热光学(ATO) 的系统背后的传感方式，使膜厚能够通过非接触手段对固化或未固化的有机粉末涂料和粉末磁漆进行高度精确的测量，其方式非常适合生产环境。ATO系统采集的数据经过最先进的信号处理，可以快速生成精确的膜厚测量数据。

这种专利技术由Withthor仪器公司（Winterthur，瑞士）开发，它们的旗舰产品Coatmaster，现在被广泛用于各种工业涂料膜厚测量应用中，在220多个工厂进行了安装（图1）。该技术的性质使它几乎可以在任何基材上对任何类型的涂料进行测量，因此除了粉末材料之外，其应用对象还包括液体涂料、粘合剂、润滑剂和热喷涂涂料等。然而，由于粉末材料对加热和冷却效果高度敏感，而这正是该系统的核心，因此当用它来测量未固化的粉末涂料膜厚时，Coatmaster就非常强大。例如，该系统的最新版本可以在粉末被施涂15秒之后生成未固化粉末涂料的膜厚“热图”，其面积为32英寸*70英寸。

Coatmaster背后的ATO技术的工作原理如下。发出的光脉冲对表面的温度影响很小。然后，高速红外传感器检测材料冷却的速度。使用专有算法，Coatmaster能够将这种冷却速率转换为高精度的膜厚测量。得出的时间随应用不同而有所差异，但通常为100-300毫秒，个别点的读数可以每1.5秒迅速发生一次。根据应用情况，标准偏差通常在实际薄膜厚度的0.1%和2%之间。Coatmaster的LED定位系统提供直径在1到50毫米之间的单点标记。这样，即使在最小的物体、曲线或复杂形状的零件上，测量点也可以精确地定位。由此，Coatmaster计算测量范围的平均值，并将其显示为测量结果。由于测量是基于这种加热冷却效应，在几乎所有的涂料中都能检测到，因此它在很大程度上与材料和基材无关，这意味着该系统可以测量范围广泛的涂料-基材组合。应用于金属表面的粉末涂料或中密度纤维板和粉末磁漆是较为常见的应用，且可以测量1000微米或更高的膜厚度。

与用于非接触膜厚测量的其他系统相比，涂布机中使用ATO技术的一个独特方面在于其在制造环境中的灵活性。该系统在它相对于被测部件的位置和速度方面是非常宽容的。它可以从接近2英寸或48英寸的距离读取，并且具有从1毫米到50毫米的测量范围。它可以读取在传送机上以350英尺/分钟来移动的部件，并且可以读取多达70度的角度。这种灵活性使它能够测量在传送机上移动时旋转或移动的零件，且精度损失最小。Coatmaster还可以测量具有高度复杂形状的部件上的涂层，包括螺纹杆、窄边上的角以及内部和曲面等等。

系统的数据捕获能力是令人印象深刻的，但只有在这些数据可以被有效地使用时才有意义。到目前为止，该系统配有内置的质量控制软件，可以跟踪测量结果并识别趋势，在读数超出公差范围时提供警告或警报。该系统仅可用于工业PC接口，或也可与PLC组合。该产品的开放式结构特性使其能够很容易地应用于工厂监控系统或直接整合到应用设备中，从而实现喷涂工艺过程的闭环控制。汽车零部件、建筑零部件和其他产品的制造商都采用了这种闭环方法，以大幅度减少膜厚的变化。这不仅减少了成品缺陷，而且允许通过启用目标设定点来大幅度降低材料消耗。

这种减少厚度变化的能力对粉末涂料特别有益。由于粉末涂料的应用往往会随着时间的推移而偏移，这主要由于批次间材料的变化、环境的变化或粉末枪的磨损造成，因此能够检测到这一点并进行实时调整，可以使整个体系进行得更精确。由于粉末材料在膜厚度方面相对宽容，许多应用可以只运行最小膜厚要求或具有较宽的膜厚范围，例如3密耳+/- 1密耳，如果通过实时的膜厚反馈更好地控制该过程，则可以实现+/-0.4密尔的变化，该过程可以调整为目标膜厚度为2.4密耳，可以节省20%的材料（图2）。事实上，正如下面的案例研究所观察到的，欧洲的工厂已经实现了高达28%的材料节省。“Coatmaster为我们提供有关投资决策的定量和即时反馈，通过这种方式，我们可以有选择地和安全地将漆膜厚度减小到较低的容差阈值。去年，多亏了Coatmaster，我们总共减少了28%的粉末消耗，明显超出了我们的预期。”建筑产品制造商Ernst Schweizer Metallbau的技术主管Kai Altenburg说到。

Coatmaster现在正在北美推出，且有多种配置。有一个版本是为测量静态或最小移动的体系而设计的，一个版本是为组配到机器人或更复杂的自动化系统中而设计的，还有一个手持式的电池驱动的版本，叫做Flex，现也已推出市场（图3）。对于金属表面的未固化粉末，可提供称为Coatmaster 3D的版本。利用该系统，在被灯光稍微加热后，跟踪并测量零件1-2秒，数据处理10-12秒，并生成漆膜厚度的热图，可显示32“x 60” 区域的涂层厚度变化（图4）。这可以用来即时反馈给手动喷漆工具，或作为一种手段，以更迅速彻底地调整自动涂装工艺。

Coatmaster新技术的灵活性、响应性和准确性，实现了对粉末涂料应用工艺的控制，这是以前从未实现过的。

了解更多信息，请电邮至info@coatmaster us.com或访问网址www.coatmasterus.com。

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