文章來源：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勢和工作原理。

什么事激光粉末涂層固化？

激光固化技術采用紅外激光器，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。熔化的顆粒在交聯過程中發生化學反應，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現各種常見的粉末涂料表面效果，包括光滑、精細和粗糙的紋理、河紋、皺紋以及混合和粘合金屬效果。

傳統上，粉末涂料是在利用對流加熱或紅外燈的工業烤箱中固化的。激光工藝在兩個主要方面與這些傳統方法有很大不同。首先，激光固化只選擇性地加熱照明區域，而不是對整個部件和烤箱環境進行大面積加熱。這大大提高了能效。其次，加熱過程本身效率更高，大大縮短了所需的固化時間。對于工業粉末涂料操作而言，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？

激光固化系統的基本配置相對簡單相對簡單. 高功率二極管激光系統的輸出光束通過光學系統重新塑形并使強度均勻化，然后投射到零件表面，僅對選定區域進行加熱。

大多數激光應用，如激光切割，都是將激光能量聚焦到一個小點上。而在激光固化中、專門的光學元件可將激光能量投射到相對較寬的區域。

激光固化過程中使用的大面積激光束的形狀和尺寸可根據客戶要求定制，覆蓋范圍小到每邊幾英寸，大到幾英尺寬和直徑。根據光束配置的不同，既可以同時照射單個部件，也可以同時照射成批的多個部件。額外的激光源可用于照亮更大的區域。

對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器件安裝在機械臂上。這樣，光束就可以在零件表面移動，甚至可以改變角度，在移動過程中固化粉末涂層。

激光固化使用高功率二極管激光系統，因為這些系統在此應用中具有幾個關鍵優勢。首先，它們的輸出可以很容易地轉換成具有均勻強度分布的矩形光束（以及其他光束形狀）。而大多數其他激光器產生的高度集中的圓形高斯強度曲線光束則很難做到這一點。

其次，在所有激光類型中，二極管激光系統的電子效率最高，通常超過 50%。此外，二極管激光器產生的紅外波長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，從而加快固化過程，同時幾乎不會浪費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勢

激光固化是一項創新技術，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量的效果。激光固化粉末涂料的主要優勢包括：

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，傳統烤箱需要數十分鐘才能均勻加熱整個部件，固化粉末涂層，然后再冷卻下來。

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入目標區域。激光可選擇性地對粉末進行高效加熱，從而減少了加熱工件時的能源消耗，并且幾乎不會對烤箱環境造成能源消耗。

無廢熱：激光固化系統是一種 "冷 "烤箱，幾乎不會向周圍空間散發廢熱，從而降低了對設備溫度控制系統的要求。

熱應力最小：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。

過程控制：室溫操作可使用熱像儀等機載計量裝置，將涂層溫度精確控制在正負 1 攝氏度范圍內。

靈活性：激光烤箱具有近乎即時啟動/停止的功能，這意味著無需空閑或預熱時間。此外，目標工件的質量對涂層性能的影響很小，因為激光烤箱會加熱并監控涂層表面溫度。在傳統固化爐中，低質量工件不能直接在高質量工件旁邊固化，否則會有缺陷或質量問題。

占地面積小：激光固化系統結構緊湊，占地面積不會超過其加工零件的面積。此外，該工藝本身與連續零件流兼容，可最大限度地減少整體占地面積，并最大限度地提高生產量。

低擁有成本：通過降低能耗、不產生廢熱（否則會使周圍生產環境升溫）和大幅減少維護費用，可降低運營成本。

低碳足跡：固有的電能效率、消除設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保、更可持續的工藝。

激光固化與對流爐

對流爐基本上是家用對流爐的工業化放大版。將零件放入爐內，通常通過燃氣燃燒器或電加熱元件加熱空氣。空氣在整個爐腔內循環，以均勻加熱零件。固化溫度通常在 325°F 至 400°F 之間。-盡管烤箱可以設置得更高，以達到該范圍內的基底溫度-部件通常要烘烤 10 到 20 分鐘才能完全固化。

對流爐的明顯缺點是能效低。它們需要加熱大量空氣以及爐子本身，而且必須提高整個部件的溫度，而不僅僅是粉末涂層的溫度。對流式粉末涂料爐經常在班次之間空轉，有時甚至 24 小時不間斷運行，以免冷卻溫度低于允許的臨界值。所有這些都會浪費時間和能源，并產生大量碳足跡。對流爐還占用了相對較大的生產空間。

激光固化與紅外線烤箱的比較

紅外線烤箱通過輻射加熱將能量傳遞到零件表面，不依賴對流而直接傳遞能量。它們使用石英燈、陶瓷輻射器或鎢絲等各種光源產生紅外線。此外，有些設備還采用氣體催化發射器。在這種情況下，煤氣或丙烷氣體在專用輻射器表面發生催化反應，在沒有明火的情況下產生紅外輻射。

紅外線加熱比對流加熱更快、更節能。實際上，二極管激光和傳統紅外光源的電光轉換效率相當。不過，雖然傳統紅外線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加熱器會發出寬帶輻射。這種輻射大部分不會被粉末涂料很好地吸收，因此不會直接促進固化過程。此外，紅外線加熱器向各個方向輻射。因此，紅外線加熱器的大部分輸出都不會到達工件，而只是加熱爐腔。這種加熱方式使現場過程監控。

相比之下，二極管激光固化系統可在高度定向的光束中提供窄范圍的紅外線波長。因此，粉末涂料顆粒對激光的吸收率要高得多，直接促進了固化過程。此外，激光光束的強度遠遠超過其他紅外線光源，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。

常見的應用包括：增強汽車部件（包括車輪、底盤部件和車身底部部件）的抗腐蝕能力提高飛機部件的耐用性，為極端條件提供保護為冰箱、洗衣機、烤箱和戶外家具等消費品提供堅固、美觀的表面處理 提高窗框和欄桿等建筑構件的耐候性能保護工業機械、工具和外殼免受磨損和惡劣環境的影響為工業設備中的金屬外殼、機箱和連接器提供電氣絕緣和保護為醫院設備和醫療器械制作生物兼容和抗菌涂層從汽車生產到醫療設備制造，粉末涂料是一種廣泛應用的技術。

主要行業包括：汽車、農業設備、航空航天、設備、建筑與施工、家具、工業設備、電子產品、醫療設備