用于涂覆保护膜的方法和设备与流程

本申请要求2014年6月23日递交的美国专利申请14/311533号的优先权，其通过引用而整体合并于此。

技术领域

本文描述了用于生产聚合物膜并将聚合物膜涂覆到制品的表面(例如但不限于汽车车身或其一部分的表面)的方法和设备，其中，该设备包括涂覆器，该涂覆器被配置为液压输送具有受控的宽度、厚度和边缘特性的基于聚合物的层流状带。

背景技术：

已知，用预制且喷涂的聚合物膜来保护汽车和汽车部件的已涂漆外表面以减小在装运、储存和使用期间损坏的可能性。已经存在与涂覆这种膜有关的许多问题。喷涂引起了对在空气中及在制品的不需要涂布的部分上的过度喷涂进行处理的需要。此外，通常需要使用溶剂来除去膜。预制涉及：首先挤出薄片形式的塑料薄膜；其次，将塑料膜层压到纸质背衬上，从而它能被卷起以便装运或存储。当将膜涂覆到例如汽车时，需要若干劳动者展开纸质背衬的膜，将膜放置在汽车上，除去纸质背衬，并使膜平滑。其结果是该可剥离膜不需要除去溶剂或洗涤剂，但是制造和涂覆过程是劳动密集型的，因此涉及大量的费用。

还已知，将弹性保护性聚合物材料(例如PVC)的膜或涂层涂覆到汽车车身的车门槛板上，从而起到防碎屑涂层的作用。通常在涂漆阶段期间将涂层喷涂到车辆车门槛板上，并使用例如红外辐射进行干燥或固化。这种喷涂的涂覆方法需要小心地掩蔽车辆的车身以防过度喷涂，而过度喷涂防护是劳动密集型的。掩蔽物也必须被除去并处理，从而进一步增加该方法的成本。

技术实现要素：

一般来说，该文件公开了通过可控地液压释放出或“挤出”未雾化且具有可控的宽度、厚度和边缘特性的基于聚合物的材料的层流状带能将面积大和面积小的基于聚合物的膜直接涂覆到部件(诸如汽车车身部件)的方式。这实际上消除了与现有技术喷涂方法相关的问题。

本文描述的主题的第一方面是用于通过层流状挤出的工艺产生与待上涂层的表面紧邻的已流化聚合物材料的带而不使该材料雾化的涂覆器模具。涂覆器模具能被设计并且经机械手引导而以低劳动力成本以精确的方式来动态且一致地铺设具有所需宽度、长度、厚度和边缘特性的聚合物膜。尽管本文所述的实例涉及相当平坦的表面，但涂覆器可以被配置成符合弯曲或复杂的表面。本文所述的涂覆器可以说是将层流状的乳化聚合物材料“液压挤出”成具有良好控制的边缘一致性和厚度的带。当用于生产汽车车身用的保护层时，消除了预先挤出膜并将膜涂覆到纸质背衬的现有技术步骤，因为引导涂覆器的机械臂能被移位以产生多条重叠的一起覆盖大的不间断区域的带。而且，下文详细描述的涂覆器可以是“双向的”，因为它能够产生相邻的平行的塑料膜的带，而没有用于反转的移位旋转，即，涂覆器能在其行进方向上反转。此外，涂覆器能被用于将不同目的用的不同材料涂覆到水平表面、竖直表面和倒置表面，无论表面是平的，凹的或凸的。所得膜易于剥离并易于处理或回收。

本文描述的主题的另一方面是上述涂覆器模具在将聚合物材料(诸如聚乙酸乙烯酯(PVA)的水性溶液)的保护膜涂覆到汽车车身或其部件的抛光表面(finished surface)中的应用，其中，在不使用洗涤剂、溶剂的情况下，保护涂层在固化后易于便利地剥离。由于上述原因，这种方法很高效，部分是由于能够简单地通过使涂覆器移位进行以前后方式涂覆重叠聚合物带的涂覆来执行，而不需要涂覆器在平行运行之间旋转180°。涂覆器本质上能够相对于待涂覆表面以涂覆材料从涂覆器模具释放出的速度移动。已实现了约1500mm/s的速度。然而，平移速度会在涂覆与涂覆之间变化。

如本文进一步描述的，涂覆器模具包括具有入口的主体、狭长的槽状出口和用于将来自入口的材料分配到出口的坑道。如说明性实施方式中所示，出口结构主要部分能够由垫片或间隔件而确定。模具产生连续的(即未雾化的)材料的液压层流状带，该材料在从槽中出现之后短暂地发散，然后汇合或变窄，从而提供在涂覆器出口和目标表面之间的可用距离的幅度范围。模具到目标的间隔优选被选择成在其最大的带宽度处涂覆膜。模具还能被配置成控制整个带的厚度，使其在外侧边缘附近比中间更薄或更厚。当边缘较薄时，带重叠区域可以不大于约等于带中心的厚度，从而平衡最终的已涂覆膜区域的所有部分的干燥时间或固化时间。该工艺要求可以随工作不同变化，从而需要使用本文教导的配置变化。

本文公开的主题的另一方面是上述涂覆器模具在将防碎屑涂层涂覆到例如汽车车身的车门槛板上的应用。在这种情况下，所涂覆的材料可以是乳化聚氯乙烯(PVC)的无定向的(即，未雾化的)层流的带。在优选的实施方式中，在涂覆基底和透明涂层之前，PVC带被涂覆到预先涂覆到车门槛板上的底漆上。已确定，在涂覆漆或透明涂层之前不必等待PVC带完全干燥(即，最终涂层可以“湿对湿”地涂覆)，大大减少了生产时间并且完全消除了对现有技术中所需的掩蔽和喷涂的需要。

考虑以下详细描述和所附权利要求书(下文将简要进行描述)，本文公开的主题的其它优点、特征和特性，以及结构的相关元件操作方法和功能以及部件的组合和制造的经济性变得更加明显。

附图说明

本文的描述提及了附图，其中，几个图示中的相同的附图标记表示相同的部件，并且，其中：

图1是如本文所述的涂覆器模具的透视图，该涂覆器模具被安装到机械臂上并且用于将保护膜涂覆到汽车的发动机盖上。

图2是机械手移动的涂覆器模具在完全覆盖汽车发动机盖中的运行的典型模式的示意图；

图3是由图2的运行模式铺设的带的平面图。

图4是本文教导的用于车门槛板上永久保护膜的另一应用的透视图；

图5是如下面说明书描述的涂覆器的分解图；

图6是图4的应用的截面图；

图7是从涂覆器模具中出来的材料带的图，该图示出了该材料带是如何尽管汇合也使得模具出口到目标表面的距离的幅度范围很大；

图8是本文描述的一个方法的框图；

图9是另一个方法的框图；并且

图10是完整系统的示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了涂覆器模具10被安装到能够在三维空间中移动涂覆器模具并且使涂覆器模具绕多轴旋转的数控多轴机械手14的臂12的端部上。机械手本身是常规的。涂覆器模具10经示出为参与了将80mm宽的聚合物膜的带16、17涂覆到机动车辆的发动机盖的过程，该机动车辆已被涂漆并且基本上完全组装、准备装运到经销商。在图1中，通过沿着如图1所示的稍微弯曲的路径从右向左移动机械手，已将第一带16涂覆到发动机盖18的最后部分，即，最接近汽车挡风玻璃的部分。然后机械手使臂12朝车辆的前部移位，并且如在图1中示出为从左向右移动横跨发动机盖18涂覆第二带17的过程。每条带约80mm宽，边缘与边缘之间厚度略有变化，并且与相邻的一条或多条带具有约1-7mm的重叠部分。这种特定应用的优选厚度分布为在带的边缘处比在带的中心处更薄，使得重叠区域在总厚度上约等于中心处的带厚度。在约70°F至120°F的温度和约12000厘泊的粘度下，所涂覆的材料是聚乙酸乙烯酯(PVA)的水性溶液。在闭合温度(close temperature)和流速控制下，通过供应管道20将材料供应到涂覆器模具10；通过导管21供应温度受控的液体。来自涂覆器的材料的流速能够例如高达约2000mm/s，并且机械手14使涂覆器模具10相对于发动机盖18的表面以大约相同的速率移动。涂覆器模具10的材料出口与发动机盖18的表面之间的间隔为约15mm，在下文描述的模具实施方式中，该间隔即为使带在带的最大宽度处接触目标表面的间隔。在说明性的情况下，在所涂覆的材料中聚合物与水的比率为约50/50，但会随着涂覆而变化。这些图以示例的方式给出。机械手速度、挤出速率、间隔和乳液的比率都可以根据需要而变化。带的速度可以例如小于机械手速度的一半或是机械手速度的两倍。

现参见图2和图3，通过交叉移动来完全覆盖发动机盖18，从而以往返的方式产生带16a、16b、16c和16d，机械手用于使涂覆器向前移位仅小于所涂覆的带的宽度，但是不需要使涂覆器模具10旋转180°，因为涂覆器模具10是完全双向的，即，它没有“前”侧并且在与正在涂覆的材料的表面完全正交的空间取向中操作，或者可能被认为对覆盖平行重叠带的起始边缘和终止边缘是不重要的。

如图2和图3所示，以往返重叠的带的方式将材料涂覆到发动机盖的表面，直到涂覆了最前面的带16d，此时，如图2所示，使涂覆器旋转90°并沿着带16e移动，以覆盖发动机盖的左边缘和横向带的端部。如图3所示，然后使涂覆器移动到发动机盖的右上部分，以涂覆最终的带16f。应注意，材料不沿着车辆车身接缝进行涂覆。图2和图3中的带的模式仅是说明性的。

现参见图5和图6所示，涂覆器模具10被称为“涂覆器模具”，因为从其发出(issue)的带基本上被液压层流化，与被雾化或被充气以生产颗粒或液滴的“喷雾”截然相反。术语“液压挤出”在本文中用于表示通过液压(而非通过空气或其它可压缩推进剂)推进的层流或未雾化的流体。该流中没有液滴或喷雾特性。涂覆器模具10显示出包括块体23和28。块体由具有底圆角和斜接顶角(以减轻重量)的约3¹/₂英寸长2英寸高的固体不锈钢加工而成。在组装情况下，块体23和块体28之间的是由具有定位孔42的较软材料(诸如黄铜)制成的垫片或金属间隔件26，使得它可被精确地定位到导向销40上，导向销40被插入块体23的内表面41中精确定位的孔中。涂覆器模具组合的第四主要元件是阀30，阀30有助于产生如下文所解释的更敏捷的切断(cutoff)。

块体23经显示为包括有螺纹的材料进入端口22。该有螺纹的材料进入端口22向下延伸大致到块体的中心，该块体的中心与向前指向的通道32连通，反过来，该向前指向的通道32将材料供应到加工出的浅沟槽的坑道，该浅沟槽包括具有相同深度的分叉支腿34、36和沟槽38的水平横腿。水平沟槽50形成在块体28的内表面31中，与块体23的沟槽38完全对齐。如图5所示，间隔件26齐平地配合块体23的内表面41，以覆盖坑道的支腿34和36的大部分；垫片具有带有略微张开的腿部46、484的下部缺口(cutout)44，以在块体23的内表面41和块体28的内表面31之间提供厚度均匀的间隙，使得材料从水平沟槽38和50向下流动并通过涂覆器的底部出口58向外流出。如图6所示，出口边缘49和圆角51的扩口产生带53，虽然带53在离开涂覆器模具10之后立即发散或变宽，但是由于表面张力而自行汇合。如图6所示，这种现象组合增大了涂覆器模具10的出口和目标表面之间的可用距离。带优选在其最大宽度的点处接触目标表面。

块体28具有定位孔52。定位孔52接收导向销40，并且相对于对面块体23的面42以及间隔件26的隐藏面定位块体28。块体28具有单个水平沟槽50。水平沟槽50与沟槽38对面，但它们在间隔件26的缺口44内共同延伸，使得能用PVA材料填充由两个沟槽38、50形成的水平流体室，同时防止侧向流出以及在间隔件和块体23的内表面41之间向上流动。当需要切断时，孔56与阀30合作从流动室中拉出销61。这迅速地提高了腔室体积并相应地降低了室压，产生了轻微负压，使得材料拉回，从而得到更干净的切断。

当出于保护原因而被涂覆到已涂漆表面时，所涂覆的材料是乳液(在一个实例中，含有约50％水和50％聚合物)形式的聚乙酸乙烯酯。在分配时，从涂覆器模具10中释放出的材料的宽度为约80mm，即，略宽于沟槽38、50的宽度。这是由于材料被略微扇出。此后，已经发现材料由于表面张力而开始汇合。因此，由图7可见，优选保持涂覆器模具10的出口58与涂覆带到其上的表面之间的间隔，以在最大厚度点处或其附近涂覆材料。

如上所述，能够以选定的速率在目标表面上方移动涂覆器模具10，同时使材料从其中分散或挤出。考虑到重叠区域的厚度不是带的总厚度的两倍，这产生了较短的干燥时间。当放置在红外烘箱中时，已经显示出在180℃的温度下约15分钟的干燥时间是可能的。也能使用对流干燥。

应注意，就像典型的喷涂型偏转涂覆器的情况一样，在与目标表面正交而不是在与流动方向成角度或倾斜的位置操作涂覆器模具10。还应注意，所挤出的正在涂覆的材料的带不是颗粒的或雾化的；相反，它是以层流形式并以所需速率向外和向下移动的材料的完全且连续的带。因为涂覆器是双向的，所以它不必通过在方向相反的平行路径之间的旋转而转向，并且这也提高了汽车车身部件(例如发动机盖)能被覆盖的速率。在上涂层之后，该部件进入烘箱进行更快速的固化。图7示出了膜在离开涂覆器模具10时的表现如何。带53由于模具出口槽的发散形状而发散，然后由于表面张力而汇合。模具到靶的间隔优选为在最大带宽度的点处将带涂覆到目标表面。

图8是涂覆汽车的保护膜的方法的示意图。如图例所示，第一步骤100是在重叠交替的冲程中涂覆乳液。第二步骤102是用红外辐射干燥乳液。在制造的汽车的情况下，第三步骤104是装运受保护的车辆，并且，最终步骤106，通常由经销商执行，从车辆上剥离涂层并且以环境适当的方式处理它。它完好地剥落，并且材料能被回收。

图4和图9示出了使用涂覆器模具10的替代方法或另外方法。该方法包括以常规方式将底漆涂覆到汽车车身300的车门槛板的第一步骤200。此后，在步骤202中使用运载基本上如图5和图6所示并且如上所述的涂覆器模具10的机械手302，以将PVC乳液涂覆到涂有底漆的车门槛板上作为防碎屑涂层。应理解，就像图1的膜涂覆器的情况一样，涂覆器模具10具有运行它的材料和冷却剂供应管线。在这种情况下，聚氯乙烯溶液或乳液包括以厚度适当的带涂覆的有机溶剂中的聚合物，而车门槛板基本上是竖直的。考虑到材料具有约50000厘泊的粘度的因素，凭经验确定温度、间隔和涂覆率。已发现，额外的车身色漆在PVC带干燥之前能在步骤204中被涂覆到PVC带上；即，色漆能以“湿对湿”的方式进行涂覆。由涂覆器生产的PVC表面是光滑且厚度均匀的。在此实施方式中，仅需要沿着车门槛板的一次行程。

相对于将涂层喷涂在汽车上的现有技术方法，使用防碎屑涂层的这种方法具有许多优点。喷涂需要对整个车辆进行掩蔽以保护其免受对漆饰面非常不利的过度喷涂。因此，这种方法消除了对车辆进行掩蔽以及除去并处理掩蔽材料的需要。此外，与由喷涂产生的粗糙外观相比，层流状带提供光滑且光泽的外观。

在这种情况下，图10是涂覆PVA膜作为保护涂层的代表性系统的示意图。然而，对于所有应用，对该系统的关键是相同的。如图所示，将材料从滚筒60、62供应通过与Y导管68连接的管线64和66，并从管线64和66供应到具有排出管的平行支腿70、72。导管74从支腿72流过过滤器76并从过滤器7流入由温度控制器82控制的热交换器78。最后，材料流入供应涂覆器模具10的导管80。液体填充的清洁备用站84在处于待用位置的涂覆器模具10附近，并且具有能根据需要而被激活的内部刷。在PVA水性乳液的情况下，流体是水。能吹干涂覆器的清洁站86紧邻清洁备用站84。净化站90可以根据需要而被使用。

总而言之，涂覆器模具10以高速率和改进的边缘控制的方式一致地分配厚度均匀的材料带。水性乳液中的PVA用于图8的保护膜涂覆过程中。有机乳液中的PVC用于防碎屑涂层。这两个实例证明了膜带能被涂覆到水平表面以及竖直表面。它们也能被涂覆到倒置表面和弯曲表面。

虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施方式描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所公开的实施方式，而相反，本发明旨在涵盖被包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置，该范围符合最宽泛的解释，从而涵盖法律允许的所有这样的修改和等同结构。