一種激光輻照掃描方式制備圖案化涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種連續(xù)型光纖激光輻照掃描方式制備涂層的方法，屬于材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]涂層是一種把涂料采取刷、淋、浸、噴等施工方法，經(jīng)過固化，在物體表面形成的一層牢固均勻覆蓋的薄膜。其主要對物體起保護作用、裝飾作用、標(biāo)識作用和其他各方面的特殊作用。在社會生活中，我們接觸到的各類生產(chǎn)和生活用具、設(shè)備大多是由各類金屬制造而成的，而金屬材料會受到環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)、水分和空氣中氧的侵蝕和腐蝕，尤其許多工作在特殊環(huán)境中的工程機械比如海洋，更容易受到腐蝕?！吨袊g調(diào)查報告》的數(shù)據(jù)表明，我國年度金屬腐蝕損失為5000億元，這還僅僅是重大工程項目的不完全統(tǒng)計，腐蝕過程和結(jié)果造成了資源的極大浪費并使自然環(huán)境污染加重。而涂層保護非常簡便有效，不管是一般領(lǐng)域還是重大工程建設(shè)場所，涂層保護都是重要而最有效的防腐蝕方法。像我國現(xiàn)行的“西氣東輸”天然氣項目的埋地管道建設(shè)，就是采用了三層聚乙烯涂層和陰極保護聯(lián)合的保護技術(shù)。除此之外，涂層還具有一些力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、生物、化學(xué)和熱功能等特殊功能，如耐磨涂層、潤滑涂層、耐火涂層、防污涂層等。
[0003]傳統(tǒng)的涂層固化成膜的方法分自然干燥固化，烘烤爐烘烤固化以及輻射固化。自然干燥在工業(yè)應(yīng)用中較少，主要是一些美觀、標(biāo)志作用涂層的固化方式，如油漆。而輻射固化因設(shè)備投資大、安全管理嚴(yán)格，使用極少。所以當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)流水線上應(yīng)用的主要固化工藝是烘烘烤爐烘烤固化工藝。但烘烤固化工藝有諸多缺點，限制了涂層的更廣泛應(yīng)用，如不能進(jìn)行超大件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜件的涂層制備、在原有涂層損壞脫落情況下無法便捷修復(fù)甚至無法修復(fù)、無法制備特殊形狀涂層、器件在爐內(nèi)易碰撞致傷。且烘烤爐熱源有電、輕柴油、天然氣、液化石油氣，造成嚴(yán)重的資源浪費。所以，研宄開發(fā)新的方法對涂層進(jìn)行制備固化具有重大的社會和經(jīng)濟意義。
[0004]激光具有表面加熱的一些獨特性質(zhì)，激光束的電磁輻射在不透明材料中，如金屬表面的幾個原子層內(nèi)被吸收，在表面并不伴有熱氣噴射、渦流，而在光學(xué)定義的束區(qū)之外有輻射溢出。實際上，作用的能量能準(zhǔn)確地輻射到僅僅需要的表面。因此，激光是一種實用的、可靠地表面熱源和表面工程的獨特工具，所以激光可以對金屬以及金屬氧化物涂層進(jìn)行熔覆制備。同時一些材料在激光高能光子流的輻照下，許多大分子鏈被打斷產(chǎn)生自由基，這些自由基是沿著入射光子流的軌跡成群團產(chǎn)生的，該群團內(nèi)的自由基還會再結(jié)合，使生成的自由基在分子內(nèi)和分子間迀移從而有相互結(jié)合的機會，發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。所以激光也可以對高分子材料涂層進(jìn)行制備。而且交聯(lián)后的大分子鏈克服了原來材料鏈與鏈之間缺乏緊密結(jié)合力使得整個材料在經(jīng)受外力及環(huán)境溫度影響時產(chǎn)生變形或發(fā)生破壞等缺點。使交聯(lián)固化后材料具有超耐候性、耐腐蝕性和優(yōu)越的自清潔性等一系列優(yōu)異的性能，從而制備出涂層的同時使得涂層具備一些特殊功能。同時，通過控制激光掃描路徑，可以制備出圖案化的圖層，增加了這種方法的應(yīng)用范圍。
[0005]柱面鏡是非球面透鏡中常見的一種，其與子午、弧矢截面的交線分別為兩圓弧的交線與兩平行的直線，兩截面成像性質(zhì)若分別用球面系統(tǒng)來描述，則一個截面有光焦度，而另一截面是無光焦度的，當(dāng)一平行激光束通過柱面鏡時，可以使焦點沿一個方向拉開成一條線，即把一個點光斑轉(zhuǎn)換成一條線斑。柱面鏡的這一特性在激光加工中可以應(yīng)用，因為對于圓形光斑的激光抽運，能夠獲得沿長度方向比較均勻的線聚焦，并且使激光具有很高的能量利用率。其原理見圖1，圓形光束經(jīng)過柱面鏡后在Y方向聚焦，使原來的圓形光斑轉(zhuǎn)變?yōu)閄方向的線光斑。實際應(yīng)用中，我們根據(jù)激光光斑大小以及加工頭尺寸選擇柱面鏡的尺寸大小，根據(jù)加工頭與被加工器件的距離確定柱面鏡的焦距。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是采用連續(xù)型光纖激光通過輻照掃描方式來制備圖案化涂層，提供一種新型高效綠色環(huán)保的制備方法。
[0007]為了達(dá)到上述目的，我們將通過以下技術(shù)方案，裝置包括:具有可見指示光的連續(xù)新光纖激光器1、傳輸光纖2、輻照加工頭3、可編程控制在X、Y方向以選定速度移動的機器人4、柱面鏡5、工作臺6、具有濾波單元的實時監(jiān)控系統(tǒng)7、控制系統(tǒng)單元8，并按照圖1順序放置。
[0008]該方法包括以下步驟:
[0009](I)機器人程序初始化，使得加工起始位置回到機器人物理坐標(biāo)原點。同時，根據(jù)所制備涂層的大小、形狀設(shè)置編輯對應(yīng)的機床掃描運行控制程序，包括掃描速度、掃描路徑間距。
[0010](2)將需要制備的已經(jīng)噴涂涂料的器件放置在于工臺上，并利用可見指示光，變動被加工器件的位置，使得激光光束位于需要輻照加工的部位。
[0011](3)通過控制系統(tǒng)單元，設(shè)定連續(xù)型光纖激光器的輸出功率及出光時間，而后對預(yù)加工器件進(jìn)行輻照掃描加工來完成涂層的制備。激光光束經(jīng)過傳輸光纖通過柱面鏡后，將原來的點光斑轉(zhuǎn)換成一條線光斑，增加單次掃描面積，方便大面積涂層制備。通過具有濾波單元的實時監(jiān)控系統(tǒng)，濾去加工過程中所產(chǎn)生的各種影響觀測效果的光波，而后觀察所制備涂層的狀態(tài)，直至制備出所需求形狀的涂層后停止掃描輻照。
[0012]掃描過程中，根據(jù)不同的涂料設(shè)置不同的掃描參數(shù)，包括輸出功率、掃描速度、掃描間距。
[0013]與當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)流水線上用的烘烤爐烘烤固化工藝相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0014]1.可以通過控制掃描路徑，可以輻照制備出圖案化的圖層。
[0015]2.可以對一些器件涂層脫落部位進(jìn)行快速便捷修復(fù)，尤其是對大型工程機械涂層修復(fù)具有重要意義。
[0016]3.突破了烘烤爐對器件大小結(jié)構(gòu)的限制，對超大件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜件同樣可以進(jìn)行涂層涂覆制備。
[0017]4.此制備方法綠色環(huán)保、維護成本低，不需要烘烤爐那樣需要煤、輕柴油、天然氣等不可再生資源作為熱源能量。
【附圖說明】
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[0018]圖1是柱面鏡示意圖。
[0019]圖2為裝置示意圖。
[0020]圖3是實施例圖案一。
[0021]圖4是實施例圖案二。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0023]將需要制備涂層的器件放置于工作臺上，并根據(jù)可見指示光進(jìn)行位置調(diào)整，使得可見光處在需要制備涂層的部位。而后利用控制系統(tǒng)單元根據(jù)制備涂層的圖案編程設(shè)置激光掃描路徑、掃描速度和掃描間距，對器件涂料噴涂部位進(jìn)行掃描輻照制備。掃描制備過程中，激光經(jīng)傳輸光纖進(jìn)入固定于掃描加工頭的柱面鏡，原來的點光斑轉(zhuǎn)換成一條線斑，這樣增加了激光單次掃描輻照所制備涂層的面積，方便于大面積涂層制備。通過具有濾波單元的實時監(jiān)控系統(tǒng)，濾去加工過程中所產(chǎn)生的各種影響觀測效果的光波，而后觀察整個制備過程的狀態(tài)，直至涂層制備完畢停止掃描輻照。
[0024]實施例1
[0025]對聚PTFE (聚四氟乙烯)涂層的激光掃描輻照制備
[0026](I)初始化機器人，使機器人臂復(fù)位到機械原點。將噴涂了 PTFE涂料的長方形鋼基板放置在工作臺上，同時，根據(jù)可見指示光調(diào)整基板位置，使得指示光位于長方形基板邊角處。
[0027](2)通過控制系統(tǒng)根據(jù)所要制備涂層的圖案設(shè)置激光掃描路徑、掃描速度及掃描間距。本例設(shè)置了兩種圖案，一種將整個基板的涂料中間部位制備成涂層，另一種以長方形基板對角線為分界制備涂層。其中，柱面鏡尺寸為300*200mm，焦距50mm，掃描速度0.5mm/s，掃描間距0.5mm。
[0028](3)設(shè)定連續(xù)型光纖激光器的輸出功率為48W，然后開始對鋼基板進(jìn)行輻照掃描通過實時濾波監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行觀察，當(dāng)涂層制備完畢后，關(guān)閉激光器激光輸出。制備出兩種圖案化涂層如圖3所示，此時設(shè)定的激光輸出功率密度約為5.3ff/mm2
[0029]實施例2
[0030]對PFA(聚全氟代烷氧基聚合物)涂層的激光掃描輻照制備
[0031](I)初始化機器人，是機器人臂復(fù)位到機械原點。將噴涂了 PFA涂料的長方形鋼基板放置在工作臺上，同時，根據(jù)可見指示光調(diào)整基板位置，使得指示光位于長方形基板邊角處。
[0032](2)通過控制系統(tǒng)根據(jù)所要制備涂層的圖案設(shè)置激光掃描路徑、掃描速度及掃描間距。本例設(shè)置了兩種圖案，一種將整個基板的涂料中間部位制備成涂層，另一種以長方形基板對角線為分界制備涂層。其中柱面鏡尺寸為300*200mm，焦距50mm，掃描速度0.5mm/s,掃描間距0.5mm。
[0033](3)設(shè)定連續(xù)型光纖激光器的輸出功率為45W，然后開始對鋼基板進(jìn)行輻照掃描通過實時濾波監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行觀察，當(dāng)涂層制備完畢后，關(guān)閉激光器輸出。制備出兩種圖案化涂層如圖4所示，此時設(shè)定的激光輸出功率密度約為4.6W/mm2。
【主權(quán)項】
1.一種激光輻照掃描方式制備圖案化涂層的方法，其特征在于，應(yīng)用如下裝置，該裝置包括:具有可見指示光的連續(xù)型光纖激光器、傳輸光纖、輻照加工頭可編程控制在X、Y方向以選定速度移動的機器人、柱面鏡、工作臺、具有濾波單元的實時監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)單元; 包括以下步驟: 1)通過控制系統(tǒng)單元(8)對機器人(4)程序初始化，使得輻照掃描加工起始位置回到機器人物理坐標(biāo)原點。同時根據(jù)預(yù)制備涂層形狀、大小編輯設(shè)置機器人掃描程序，包括掃描速度、掃描間距 2)將需要制備的已經(jīng)噴涂涂料的器件放置在于工作臺(6)上，并利用可見指示光，變動被加工器件的位置，使得激光光束位于需要輻照加工的部位； 3)通過控制系統(tǒng)單元(8)，設(shè)定連續(xù)型光纖激光器(I)的輸出功率及出光時間，而后對預(yù)加工器件進(jìn)行輻照掃描加工來完成涂層的制備。激光光束經(jīng)過傳輸光纖(2)通過柱面鏡(5)后，將原來的點光斑轉(zhuǎn)換成一條線光斑，增加單次掃描面積，方便大面積涂層制備。通過具有濾波單元的實時監(jiān)控系統(tǒng)(7)，濾去加工過程中所產(chǎn)生的各種影響觀測效果的光波，而后觀察所制備涂層的狀態(tài)，直至制備出所需求形狀的涂層后停止掃描輻照。
【專利摘要】一種激光輻照掃描方式制備圖案化涂層的方法屬于材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明具有綠色環(huán)保、操作方便，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離非接觸加工、易操作、可以通過掩膜或激光掃描路徑設(shè)計獲得面積可控的圖案化涂層等特點。本發(fā)明包括具有可見指示光的連續(xù)型光纖激光器、傳輸光纖、輻照加工頭、可編程控制在X、Y方向以選定速度移動的機器人、柱面鏡、工作臺、具有濾波單元的實時監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)單元。通過編程控制機器人的掃描路徑，使用連續(xù)型光纖激光器在不同工藝參數(shù)下對涂料進(jìn)行掃描輻照來制備涂層。該方法操作簡單方便，無需任何額外工藝輔助，系統(tǒng)維護成本極低。有望取代原有烘烤固化工藝，在工業(yè)生產(chǎn)流水線上推廣引用。
【IPC分類】B29C41/52, B29C41/20
【公開號】CN104924510
【申請?zhí)枴緾N201510290918
【發(fā)明人】季凌飛, 崔炳, 王文豪, 閆胤洲, 蔣毅堅
【申請人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年5月31日