3D打印技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)涂膜刮涂的自動(dòng)化,優(yōu)化涂布流程
生態(tài)環(huán)保型涂膜器,提高制備涂膜的通量
3D打印技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)涂膜刮涂的自動(dòng)化,優(yōu)化涂布流程。
Aschwin van der Horst,Eldert J.Valk,Peter G.C.A.van den Berg,Jaap M.Akkerman,Allnex
刮涂棒或刮刀的最高標(biāo)準(zhǔn)是要具有始終如一的可重復(fù)性。金屬涂膜器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)清潔問(wèn)題,尤其是水性涂料,很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化涂膜。通過(guò)采用3D打印技術(shù),研發(fā)出一種自動(dòng)高通量的涂膜涂布的方法,該方法低碳排放、快速、結(jié)果可靠。
樹(shù)脂和涂料通常使用不同的涂膜器進(jìn)行涂膜,如:Bird(單面銳型)、Baker(四面圓型)、Doctor Blade(間隙)涂膜器、刮涂機(jī)和線棒刮涂器[1-2]。本文主要介紹銳型(單面銳型)、平面型(框型)和圓型(四面型)涂膜器(見(jiàn)圖1)。
涂膜均勻是關(guān)鍵,使用手動(dòng)涂膜器進(jìn)行涂膜時(shí),涂布速度和施加的壓力變化是不可避免的。這會(huì)造成涂膜厚度不均勻,可能造成表面皺紋。此外,由于涂料在涂膜器前端或中間發(fā)生溢料,導(dǎo)致一些制膜失敗。如果溢料進(jìn)入涂膜器側(cè)面,就會(huì)沿涂層形成皺紋,使涂層變厚。為控制涂布的壓力和速度,已提出若干設(shè)想,避免膜厚出現(xiàn)偏差,例如:采用Byko drive或Sheen自動(dòng)涂布機(jī)。這兩種設(shè)備均采用每次涂裝后均需使用溶劑或混合溶劑進(jìn)行清潔的金屬線棒和/或涂膜器,這不僅耗時(shí),由于溶劑用量多,還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。
要研發(fā)一種簡(jiǎn)單的、一次性的、無(wú)污染的、快速的、可自動(dòng)化和可復(fù)制的涂膜器,需要一次性3D打印涂膜器,同時(shí)還要開(kāi)發(fā)3D打印支架(“托架”)、支撐彈簧墊和易于操作的機(jī)器人手臂的移動(dòng)(壓力恒定和移動(dòng)方向不變)。
結(jié)果一覽
→研發(fā)了新型3D打印的涂膜器,適用于水性涂料和溶劑型涂料的涂膜。
→結(jié)果呈現(xiàn)優(yōu)異的可重復(fù)性和可靠性,可集成到機(jī)器人系統(tǒng)中,提高工作通量。
→已證明這是一種經(jīng)濟(jì)高效的工具,具有降低碳排放的潛能,甚至可以進(jìn)一步使用可再生原材料,如聚乳酸(PLA)。
機(jī)器人系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)涂膜工藝的自動(dòng)化
有幾種涂膜器用于樹(shù)脂和涂料。ASTM標(biāo)準(zhǔn)的方法中很少提及涂膜器的選擇。如Patton所示,涂膜器的接觸面可以是圓形、鈍形/平面形或尖銳的形狀[3]。表面涂膜厚度的變化是由這些差異造成。對(duì)于邊緣尖銳的涂膜器(Bird或刮刀,圖1),理論膜厚約等于實(shí)際膜厚。圓形涂膜器(Baker),實(shí)際膜厚約為理論膜厚的2/3,對(duì)于平滑的涂膜器(間隙),實(shí)際膜厚是理論膜厚的約1/2[3]。除了涂膜器的形狀外,涂料的體積固體分決定最終干膜的厚度。
圖1 根據(jù)Patton [3]的設(shè)計(jì), 由3D打印技術(shù)打印的三種不同涂膜器,從左至右依次為: 銳型( Bird涂膜器)、 平面型( 刮刀或間隙涂膜器) 和圓型( Baker涂膜器) 的設(shè)計(jì)圖
本研究中,采用聚乳酸(PLA),一種市售的再生聚合物,通過(guò)3D打印技術(shù)研發(fā)出一種可再生涂膜器。也可以采用其他聚合物材料,之所以選擇PLA是根據(jù)對(duì)材料的耐化學(xué)性、韌性和可持續(xù)發(fā)展性的要求決定的。研發(fā)3D模型的關(guān)鍵因素是要確保與樹(shù)脂和涂料接觸的涂膜器表面十分光滑,所研發(fā)出的涂膜器的間隙尺寸應(yīng)十分均勻,而且準(zhǔn)確。
該研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)多次調(diào)整,最終通過(guò)采用機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)到涂膜工藝的自動(dòng)化。該設(shè)備有兩個(gè)XYZ活動(dòng)手臂:多吸嘴自動(dòng)XYZ液體處理系統(tǒng)和XYZ夾持器,用來(lái)移動(dòng)功能表面周圍的物體。吸嘴處理器可以從涂料儲(chǔ)存平臺(tái)中將所需涂料量在涂膜器前或內(nèi)部進(jìn)行定量注入。夾持器將試板(最好是存放在易操作的托架中)移至涂膜的位置,在涂膜期間,按給定速度和壓力移動(dòng)涂膜器。調(diào)整機(jī)器人接口,使其能將涂料涂布制膜,該涂膜器是通過(guò)3D打印機(jī)研發(fā)打印出來(lái)的。本文中,介紹了可再生涂膜器,機(jī)器人系統(tǒng)中自制的3D打印托架以及支撐彈簧墊的開(kāi)發(fā)。
試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)際條件
首先,研發(fā)一種基本設(shè)計(jì),根據(jù)圖1中所示的3種類型來(lái)打印涂膜器。Baker涂膜器經(jīng)證明是打印最好的選擇,然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。選用聚乳酸(PLA)是由于其強(qiáng)度、韌性和可持續(xù)發(fā)展性。用于優(yōu)化涂膜器的變量有:增強(qiáng)涂膜器內(nèi)部的填充密度、涂膜器實(shí)際表面的外殼數(shù)量、頂部和底部的厚度、控制恰當(dāng)?shù)膴A層熔融風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié),以及涂膜器的水平或垂直打印方向。3D打印機(jī)的其他一些規(guī)格有結(jié)構(gòu)體積(cm):28.5(l)x15.3(w)x15.5(h);打印層的分辨率:100pm;位置精度:X、Y10µm,Z2.5pm,細(xì)絲直徑:1.75mm,噴嘴直徑:0.4mm,一個(gè)擠出機(jī),無(wú)需加熱墊。下一階段是確定合適的打印程序和條件。
打印了3種不同的涂膜器的表面,并以不同的間隙(25~300µm)寬度測(cè)試了在涂料和樹(shù)脂涂膜過(guò)程中的可重復(fù)性、可用性和再現(xiàn)性(見(jiàn)圖1)。采用玻璃和鋼板作基材(分別采用光滑和粗糙表面作為不同粘結(jié)的類型),分別將水性和溶劑型純樹(shù)脂和清漆以及不透明涂料進(jìn)行涂布,檢測(cè)得到的涂膜:與人工刮涂的涂膜對(duì)比在X和Y方向上涂膜厚度的映像、目視檢查皺紋、溝槽(側(cè)向移動(dòng)造成)和光澤。
縱向打印涂膜器具有較大優(yōu)勢(shì)
由于在打印過(guò)程中容易出現(xiàn)不規(guī)則的打印(尖銳邊緣)和表面的精準(zhǔn)度(平坦邊緣)問(wèn)題,所以沒(méi)有對(duì)尖銳和平坦邊緣的涂膜器進(jìn)行測(cè)試。3D打印后,發(fā)現(xiàn)圓邊(Baker)涂膜器顯示良好的結(jié)構(gòu),可輕松打印出平滑面,填充密度較低,打印后頂部和底部膜厚相等。在不采用較昂貴的加熱墊打印方法的情況下,3D打印同樣能提供良好的可重復(fù)性。工藝的關(guān)鍵性突破是將涂膜器的打印從水平方向(在X-Y平面中的臨界面)打印轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较颍ㄔ赬-Z平面的臨界面)打印。這具有兩大優(yōu)勢(shì):
1.具有打印80件的能力
2.在一臺(tái)單獨(dú)的涂膜器中以及80臺(tái)打印的涂膜器中,均勻性更好,間隙尺寸更精確。圖2顯示了80臺(tái)3D打印的涂膜器。
圖 2 27h內(nèi)打印出的80臺(tái)可再生聚乳酸( PLA)圓形邊緣Baker涂膜器成品,正準(zhǔn)備集成到機(jī)器人涂膜系統(tǒng)的接口中
對(duì)3D打印機(jī)參數(shù)優(yōu)化后,不僅可以進(jìn)行垂直打印,避免出現(xiàn)不規(guī)則表面,還可以在兩個(gè)涂膜器之間用細(xì)絲互相連接,在Z方向上的臨界面具有更好的準(zhǔn)確性和光滑度。這些涂膜器不需要頂蓋或底座,幾乎不需要任何填充密度。只需在涂膜器的頂蓋或底座處裝一個(gè)大小合適的嵌體或入口,以使夾具能反復(fù)、輕柔、自動(dòng)地夾取涂膜器。涂膜器不能彎曲,在室溫下穩(wěn)定,涂膜的性能具有再現(xiàn)性。這些條件可以實(shí)現(xiàn)使用盡可能多的涂膜器,3D打印完成后,可輕易從平臺(tái)卸下,而且彼此可以相互分離。涂布的膜厚采用卡尺微米儀測(cè)量,取4個(gè)位置的平均值。在特定系列檢測(cè)中,繪制X和Y方向上膜厚差異來(lái)確認(rèn)均勻性。
為進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從同一批次中隨機(jī)選定25個(gè)涂膜器,對(duì)其間隙進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如合并標(biāo)準(zhǔn)偏差(在涂膜器底部、中部和頂部測(cè)量)的常規(guī)控制圖所示。涂膜器的預(yù)定滑動(dòng)尺寸為120µm,見(jiàn)圖3。根據(jù)對(duì)滑動(dòng)尺寸的分析,涂膜器的滑動(dòng)尺寸平均值為119µm,合并標(biāo)準(zhǔn)偏差為24µm。可以用于涂膜和測(cè)試。
圖3 在25臺(tái)120 µm厚度的涂膜器底部( o)、 中部(□)和頂部(∆) 測(cè)得的間隙尺寸的合并標(biāo)準(zhǔn)差常規(guī)控制圖。 在3D打印出來(lái)的涂膜器中可見(jiàn)到只有兩個(gè)離群值(紅色), 隨機(jī)分布在打印層上。
托架的設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化機(jī)器人的性能
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化涂膜,在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)了一種所謂的托架,可用來(lái)碼堆玻璃板或金屬板(150mm x90mm(l x w)),用于涂布水性和溶劑型樹(shù)脂。一個(gè)托架可存堆兩塊上述尺寸的試板或一塊300mm的試板。基材支架的設(shè)計(jì)要使機(jī)器人手臂(如圖4a所示)能夠抓住支架,從而可將其繞著自動(dòng)接口的功能面移動(dòng)。圖4b顯示了機(jī)器人手臂的夾持器同時(shí)適用于托架和涂膜器。在最終的設(shè)計(jì)中,采用碼堆9個(gè)托架的方式,一次可完成36種涂料的自動(dòng)涂膜。
圖4a 涂料灌注和涂膜制備同步機(jī)器人, 用于溶劑型涂料和水性涂料的自動(dòng)涂膜
還設(shè)計(jì)了一種單獨(dú)的托架,用3D打印制備,它可以容納36個(gè)涂膜器。在研發(fā)托架(基材固定架)過(guò)程中,還為尺寸較小的Q試板(用于耐候性和耐UV的測(cè)試中)研發(fā)了一種通用型支架,作為嵌體使用。為托架設(shè)計(jì)小型插口,為所涂布的涂層提供足夠的空間,可實(shí)現(xiàn)最佳干燥,且有利于碼堆復(fù)制的試板。此外,還設(shè)計(jì)了一個(gè)很小的圓形插口,中間放一根塑料管(見(jiàn)圖4b中的藍(lán)色箭頭),以便緊固托架中的涂布試板,從而防止在涂布和機(jī)器人手臂移動(dòng)期間試板從碼堆試板中滑出。在圖5a和b中,可看到裝有玻璃板和Q板試板的托架。在圖5b中,3D打印的插口用于Q板的涂膜。這種情況下,3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)非常靈活的打印方法,顯示出對(duì)涂膜所需表面的良好適應(yīng)性。所有的托架均由PLA制成。
圖4b 托架( 試板固定架) 和涂膜器的設(shè)計(jì)、 采用特殊的同步夾持器適配器設(shè)計(jì)的3D打印(見(jiàn)文中關(guān)于箭頭的解釋)
圖5 ( a) 使用玻璃試板堆放的3D打印托架(試板固定夾), 顯示已涂好的涂膜(左) 和( b) 將已涂好的Q板插入到3D打印的Q模板中(右)
支撐彈簧墊、涂料涂布和刮涂的優(yōu)化
在自動(dòng)涂膜時(shí),恒定的壓力是確保自動(dòng)涂布具有可重復(fù)性的關(guān)鍵因素。研發(fā)了一種彈簧墊裝載裝置,確保在涂膜期間保持恒定和可重復(fù)的壓力。圖6顯示部分3D打印的彈簧墊。它表示了自動(dòng)夾具(F1)所施加的壓力等于彈簧墊(F2)中所用所有彈簧的作用力的總和,在整個(gè)涂膜過(guò)程中,產(chǎn)生相等的壓力。唯一的關(guān)鍵差異在于涂料的黏度,它會(huì)造成刮涂膜或長(zhǎng),或短的情況。
圖 6 用于可重復(fù)涂膜研發(fā)的彈簧墊( 具體見(jiàn)內(nèi)文)
涂膜器是按以下順序進(jìn)行刮涂涂膜:夾持器從一堆托架中取出一個(gè)帶有兩塊試板的托架,將其移至彈簧墊;通過(guò)XYZ吸量臂對(duì)涂料進(jìn)行定量;夾持臂從涂膜器托架中取出一個(gè)涂膜器,并以規(guī)定的最佳速度進(jìn)行刮涂;最后,夾持器將涂膜器扔進(jìn)垃圾桶,在Y方向的反方向進(jìn)行第二次刮涂后,托架移動(dòng)至最終完成的試板位置。
在粗糙面(如磷化邦德板)上進(jìn)行涂膜時(shí),刮涂的速度需優(yōu)化,并保持較高的速度,才能涂布出合適的的涂膜。必須對(duì)通過(guò)吸量臂提供的合適的涂料量進(jìn)行優(yōu)化,該配量取決于抽吸和放料的常用配量參數(shù)。根據(jù)Webster等人的觀點(diǎn),對(duì)依位置的順序規(guī)定配量的順序進(jìn)行了優(yōu)化,證明是最佳的[4]。
使用機(jī)器人精密度更高,重復(fù)性更好
圖7 從玻璃試板的起始點(diǎn)開(kāi)始, 在相等距離的位置測(cè)量手動(dòng)涂膜的干膜厚度( A.5個(gè)涂膜, 每一個(gè)涂膜取4次測(cè)量的平均值)
和自動(dòng)涂膜的干膜厚度( B.4個(gè)涂膜, 每一個(gè)涂膜取4次測(cè)量的平均值)。 膜厚/µm
使用同種涂料進(jìn)行多次涂布涂膜具有有意的可重復(fù)性和再現(xiàn)性,如7所示。手動(dòng)涂膜與自動(dòng)涂膜相比,通常手動(dòng)涂布的膜厚變動(dòng)較大。對(duì)于自動(dòng)涂膜而言,膜厚偏差低于12µm。因此,自動(dòng)涂膜的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)較低:涂膜厚度的精度提高了一倍,如表1所示。總體上,使用機(jī)械人臂涂膜的可重復(fù)性優(yōu)于手動(dòng)涂膜。主要是由于涂布期間的涂膜速度均勻,以及作用在涂膜器的壓力恒定。由于時(shí)間原因,沒(méi)有對(duì)金屬型Baker的自動(dòng)涂膜與機(jī)械式涂膜設(shè)備進(jìn)行比較,因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室中不使用金屬型自動(dòng)Baker涂膜設(shè)備,除非客戶有特別要求。在其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的調(diào)查證實(shí)了使用最廣泛的涂膜是手動(dòng)Baker涂膜方法。
表1 手動(dòng)和機(jī)器人涂膜的標(biāo)準(zhǔn)偏差可從圖 7中顯示的數(shù)據(jù)確定。 涂膜器的間隙200 µm, 水性涂料的體積固體分36%
3D打印的涂膜器非常經(jīng)濟(jì)
前期計(jì)算的結(jié)果表明,使用3D打印涂膜器同時(shí)可以提高效率和效能。具有全范圍(25~400µm)測(cè)量的涂膜器的成本為0.12~0.20歐元。估計(jì)計(jì)算的節(jié)省成本如下:效率高達(dá)80%,有效性(有效項(xiàng)目、FTE節(jié)省費(fèi)用)高達(dá)70%。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)主要是節(jié)省了操作員的時(shí)間(h)可用于進(jìn)行其他操作。其他一些涉及到經(jīng)濟(jì)成本的因素為:廢料(節(jié)約70%~80%);折舊(相當(dāng));總實(shí)際操作時(shí)間(節(jié)約10%~20%)。
新研發(fā)可提高效率和降低碳排放
使用3D打印的新型涂膜器涂刷水性樹(shù)脂和溶劑型樹(shù)脂,具有優(yōu)異、可靠的可重復(fù)性,為采用再生材料(如聚乳酸(PLA))制備經(jīng)濟(jì)的涂膜器提供了可能性。涂膜器可制成各種可能的,甚至可變的間隙尺寸。與手工涂布相比,采用3D打印的涂膜器和自動(dòng)接口進(jìn)行涂膜,具有更良好的重復(fù)性。使用自動(dòng)涂布時(shí),涂膜未觀察到皺紋、細(xì)線或波紋。由于涂膜器為一次性使用,可實(shí)現(xiàn)無(wú)污染(污染是由涂膜器的清潔不當(dāng)造成,特別是涂布水性涂料時(shí))的高通量涂膜,。不需要使用溶劑清洗涂膜器,碳排放更低。可使用不同基材試板,如玻璃和金屬(Q板)。即使在不使用自動(dòng)涂膜器時(shí),也可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用這些涂膜器,溶劑消耗/排放均可降低。綜上所述,與金屬涂膜器相比,最新研發(fā)的3D打的印涂膜器證明是一種既經(jīng)濟(jì)又高效的工具,且具有很大的優(yōu)勢(shì)。
致謝
我們對(duì)Ria de Cooman和William Weaver向位于Bergen op Zoom的Nuplex公司該項(xiàng)研究提供資金支持致以深深的謝意。實(shí)際操作由Avans Hogeschool Breda的實(shí)習(xí)生Eldert Valk MSc操作完成。Peter van den Berg負(fù)責(zé)日常操作的管理。該研究工作首次由Jaap Akkerman于2016年5月26日在伯明翰ETCC(歐洲涂料技術(shù)大會(huì))上發(fā)表。此報(bào)告在ETCC大會(huì)獲得最佳演講獎(jiǎng)。
參考文獻(xiàn)
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“3D打印機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于可使用不同材料開(kāi)發(fā)出更好的涂膜器。”
Aschwin van der
Horst博士,
首席化學(xué)師,
分析組負(fù)責(zé)人,
Allnex公司分析材
料&儀器(AMI)部
向Aschwin van der Horst提出3個(gè)問(wèn)題
研發(fā)這種3D打印的自動(dòng)涂膜器的動(dòng)機(jī)是什么?
研發(fā)3D打印的涂膜器的主要?jiǎng)訖C(jī)是效率和有效性。幾家涂料機(jī)器人涂裝設(shè)備的供應(yīng)商還使用了某種涂布的方式,例如:通過(guò)噴涂制膜,或用金屬涂膜器進(jìn)行涂布。在我們實(shí)驗(yàn)室中,研發(fā)這種涂膜器主要因?yàn)榇祟愒O(shè)備是一種消耗品。引入家用3D打印機(jī)(在任一商店均買到)有助于我們制備十分廉價(jià)的涂膜器,專門用于我們實(shí)驗(yàn)室中目前使用的自動(dòng)接口。
這種涂膜器現(xiàn)在可在市場(chǎng)上買到嗎?
目前在市場(chǎng)上還買不到,但擁有3D打印機(jī)的任何人都可以生產(chǎn)。只需投入時(shí)間和設(shè)置制作這種3D涂膜器模型的程序。
需要多久才能使用這種涂膜器?
手動(dòng)和自動(dòng)的涂膜器需要經(jīng)過(guò)2~3個(gè)月的驗(yàn)證才可使用,其重點(diǎn)在自動(dòng)接口上。從這種意義上,制造涂膜器相當(dāng)容易,但在機(jī)器人上使用需要花更多的時(shí)間和其他投入。除非,該涂膜器用于手動(dòng)涂裝(人工),實(shí)施起來(lái)速度非常快。在Nuplex公司內(nèi),只有一名本科生在從事該項(xiàng)目,持續(xù)了20周。在此期間,他進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索,并對(duì)3D打印制造的涂膜器進(jìn)行了研發(fā)和驗(yàn)證。然而,這種涂膜器仍在研發(fā)之中,只要改變自動(dòng)接口的模式,就可用于其他用途。由于每次變更都需要進(jìn)行新的驗(yàn)證,因此這將需要更多時(shí)間(一到兩周左右)。3D打印機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于可使用不同材料研發(fā)更好的涂膜器。
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