灵活，非接触式薄膜厚度测量| 2019-08-09 | PCI杂志

一种新的测量和控制技术，旨在快速准确地测量未固化的粉末厚度，使欧洲的质量和工艺工程师在过去几年里迅速优化他们的粉末涂料应用。该系统使他们能够最大限度地减少对通常应用于粉末数量设置的安全边际的需求，从而大大减少材料消耗。此外，喷涂后立即连续测量涂层厚度提供了另一层保护，可以在零件固化之前发现质量问题。被称为先进热光学(ATO)，该系统背后的传感手段能够以一种非常适应生产环境的方式，在固化或未固化的有机粉末和粉末搪瓷上以非接触的方式测量高精度的薄膜厚度。ATO系统捕获的数据经过最先进的信号处理，可快速生成非常精确的薄膜厚度测量数据。

这项专利技术是由Winterthur Instruments AG (Winterthur, Switzerland)开发的，他们的旗舰产品Coatmaster现在被用于各种工业涂层厚度测量应用，安装了超过220个单元(图1)。该技术的性质允许它测量几乎任何基材上的任何类型的涂层，因此除了粉末材料外，其应用基础包括液体涂料、粘合剂、润滑油和热喷涂涂料。然而，由于粉末材料对加热和冷却效果高度敏感，这是系统的核心，当用于测量未固化的粉末膜厚度时，Coatmaster是非常强大的。例如，该系统的最新版本可以在涂抹粉末后15秒内生成32英寸× 70英寸区域未固化粉末涂层厚度的薄膜厚度“热图”。

涂层大师背后的ATO技术以以下方式工作。发射出的光脉冲使表面稍微变暖。然后，高速红外传感器检测材料的冷却速度。使用专有算法，Coatmaster能够将这种冷却速率转换为高度精确的薄膜厚度测量。读取的时间因应用程序而异，但通常为100-300毫秒，每个点的读数可以每1.5秒发生一次。根据应用的不同，标准偏差通常在实际薄膜厚度的0.1%至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，测点也可以精确定位。由此，Coatmaster计算出测量范围的平均值，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，这在几乎所有涂层中都可以检测到，因此在大多数情况下，它是独立于材料和基材的，这意味着该系统可以测量广泛的涂层-基材组合。 Organic powder over metal or MDF and powder enamel over metal are common applications, and it is possible to measure thicknesses of 1,000 microns or higher.

与用于非接触式薄膜厚度测量的其他系统相比，Coatmaster中使用的ATO技术的独特之处在于它在制造环境中的实现灵活性。该系统在相对于零件的位置和被测零件的速度方面是非常宽容的。它可以读取距离近至2英寸或远至48英寸，测量区域范围从1到50毫米。它可以读取在传送带上移动的部件，最高可达350英尺/分钟，可以读取高达70度的角度。这种灵活性使它能够测量在输送机上移动时旋转或移位的部件，精度损失最小。Coatmaster还可以测量高度复杂形状的组件上的涂层，包括螺纹杆、窄边的角和角，以及内部和曲面。

该系统的数据捕获能力令人印象深刻，但只有在这些数据能够有效使用的情况下才有价值。在这一点上，该系统配备了内置的质量控制软件，可以跟踪测量并识别趋势，当读数超出公差范围时提供警告或警报。该系统可以只与工业PC接口使用，也可以与PLC集成。该产品的开放式架构特性使其能够轻松集成到工厂监控系统或直接集成到应用设备中，从而实现涂层过程的闭环控制。汽车部件、建筑部件和其他产品的制造商都使用这种闭环方法来大幅减少薄膜厚度的变化。这不仅减少了缺陷，而且通过启用目标设置点，允许大量减少材料消耗。

这种减少厚度变化的能力在粉末中尤其有益。由于粉末的应用往往会随着时间的推移而漂移，因为批次之间的材料变化，环境变化或粉末枪磨损，具有检测和实时调整的能力，可以使系统更精确地拨入。自粉末材料往往是相当宽容的膜厚度,许多应用程序可能会只有最小膜厚要求或广泛的膜厚度范围内,如3毫升+ / - 1毫升。如果通过控制过程与膜厚度实时反馈,更好地+ / - 0.4密耳的一种变体是可实现的,这个过程可以调整目标膜厚度为2.4毫升,这是一个节省20%的材料(图2)。事实上,欧洲的工厂已经实现了高达28%的节约，如下面的案例研究所观察到的。“Coatmaster为我们的投资决策提供了定量和即时的反馈。通过这种方式，我们可以有选择地、安全地将层厚度降低到较低的公差阈值。去年，多亏了Coatmaster，我们总共减少了28%的粉末消耗，显然超出了我们的预期。”建筑部件制造商Ernst Schweizer Metallbau的表面技术负责人Kai Altenburg说。

涂层大师现在被引入北美，有多种配置可供选择。有一种版本是为测量系统是静态的或需要最小移动的系统而设计的，一种版本是设计为集成到机器人或更复杂的自动化系统中，还有一种名为Flex的手持电池操作版本(图3)。对于金属上未固化的粉末，可以使用一种名为Coatmaster 3D的版本。使用该系统，零件被灯光轻微加热后，将被跟踪和测量1-2秒。数据处理了10-12秒，并创建了薄膜厚度热图，显示了大至32“x 60”区域的涂层厚度变化(图4)。这可用于向手动施药人员提供即时反馈，或作为一种更快速、更彻底地调整和自动化涂层过程的手段。