专利名称：用于在衬底上涂敷涂层的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在衬底上涂敷涂层、尤其是涂敷例如用于纸滚轧 机滚筒上含氟聚合物涂层生产的聚合物涂层的方法和设备。
背景技术：
有许多工业生产工艺依靠使用涂敷聚合物、尤其是涂敷含氟聚合 物的工艺巻筒来提供既无粘附又抗腐蚀的表面的工业生产工艺。根据 这种技术状态，因为含氟聚合物涂层独特的解脱性和无粘附性及其优 良的化学稳定性所以用含氟聚合物涂层覆盖在纸滚轧机中或纺织工业 使用的钢巻筒和干燥圆筒。至今，通过使用或是与预处理金属表面粘合的含氟聚合物套管或是基于含水含氟聚合物悬浮液的喷涂层或是含氟聚合物粉末涂层来满 足一些工业上的需要。套管技术只能够应用在较小的巻筒上而且在高的工作温度时发生剥离。喷涂层技术需要卸下巻筒以便在高温加热炉 内使涂层固化几分钟。这是一种既复杂又昂贵的操作。也为一些以激光为基础允许在现场应用的方法提供了资料。在这 些方法的大部分方法中，把粉末输送到表面，而然后用激光器加热。 这就需要非常高的用于加热表面的能量输入。在文件W091/16146中，公开一种方法，其中把含氟聚合物粉末放入C02-激光器，C02-激光器向着要涂敷的表面并且在要涂敷的表面上扫描。当一种有效控制使激光接触区域的温度保持在预先确定的界 限之间的时候，粉末由此而熔化并且附着在表面上。当粉末束完全是 在激光束的范围内时，粉末吸收大量能量而因此过热，然而衬底温度 仍然是非常低而达不到良好的粘合，在W091/16146中通常就是这样。 为了预热表面，W091/16146建议拓宽激光束或者使用双激光束。然而，即使在这样的情况中把粉末放进激光束内过热的问题也继续存在。文件DE10020679A1涉及用于把涂料涂敷到车体的疤痕上的方 法和设备。该设备可以包括一种在输送粉末之前的激光器(1.3)。上 述激光器是为清洗、尤其是为使疤痕清除油渍而使用的。通过在把粉 末层涂敷到衬底以后对粉末层施加第二激光来进行粉末的熔化。发明内容本发明的目的在于提供一种用于使用激光束涂敷含氟聚合物涂 层的方法和设备，这种方法和设备不因现有技术的缺点而受到损害。本发明涉及如附加的权利要求书所描述的方法和设备。根据本发 明，提供一种衬底，而且相对于表面垂直安装激光束，优选的是安装 COr激光器并且C02-激光器在上述表面上沿着一条线、优选的是沿着 直线扫描。衬底能够是任何物体，例如滚轧机中的钢巻筒。在平坦衬 底或圆柱形衬底的情况中，优选的是激光器在表面上以一系列毗连的 直线扫描。根据本发明，为与激光一起移动而且为输送粉末流而尽可 能靠近激光接触衬底表面后面设置一种用于优选包括聚合物粉末、更 优选的是含氟聚合物粉末或者由聚合物粉末、更优选的是含氟聚合物 粉末组成的组成涂层材料的供料系统。所以根据本发明，激光使表面 加热到粉末熔点以上的温度，并且在激光加热上述地点地区，把粉末 输送到表面上的一个地点。与现有的方法相反，在激光加热发生以前 例如不把粉末放入激光束内，也不涂敷粉末。虽然还是要避免在粉末 和激光束之间任何显著的直接接触，但是粉末束接触表面的区域需要 尽可能靠近激光加热区域。因此粉末通过与受热表面接触被熔化而形 成涂层。尤其是与DE10020679相反，在粉末输送之前的激光器不用 作清洗用途。这种激光器是一种为了使粉末在与村底接触时能熔化而 向衬底输送足够热量的有效热源，而根据DE10020679，在把热量输 送到衬底以后为熔化粉末而设置第二个激光器。优选的是，本发明的方法包括第二步骤，其中通过用该激光器第 二次扫描来重新加热像这样涂敷的涂层，这一次没有添加粉末。在第二次扫描期间激光功率优选的是低于第 一次扫描期间的激光功率。第 二次扫描优选以与第一次扫描的直线垂直的直线的方式进行。第二次 扫描是为降低表面粗糙度和孔隙度而进行的。本发明同样涉及一种用于实施本发明方法的设备，这种设备包括 激光器和涂层材料供给系统，例如用于输送聚合物粉末的喷管。在这 种优选的情况中，这种设备使衬底，例如纸滚轧机滚筒能够被就地涂 敷。 一种工艺控制系统优选的是现存的，其中使激光加热区域上的衬 底温度控制在保持在预先确定的界限的范围内。这种工艺控制系统为 了使温度能够继续保持在预先确定的界限的范围内而包含温度传感 器、优选的是高温计、和适合系统参数的控制装置。那种参数可以是 激光输出功率，或者激光器和衬底之间的相对速度。这种设备装备有 配置成相对于静止的衬底可移动的激光器和组成涂层材料供给系统， 或者装备有静止的激光器和组成涂层材料供给系统，并且其中这种设 备进一步包括使衬底相对于激光器和供给系统移动的装置。假定实际情况像在现有技术方法那样激光束不直接接触粉末，本 发明的方法就能达到一种良好的效果。对最佳的一些效果来说，激光 加热光点和粉末束到达表面的区域之间的距离必须是最小的。当这个 距离超过最小值时，表面温度到粉末到达表面的时候如果不增加激光 器的功率就已经降低。而不增加激光器的功率会导致较大的形成氧化 物的风险，形成氧化物对涂层良好的粘合是不利的。
图la和lb举例说明本发明方法的第一步骤和第二步骤。图2表示能够在本发明方法中应用的工艺控制系统的示意图。
具体实施方式
图la举例说明根据本发明方法的第一步骤。我们能够看到衬底 1、激光束2、粉末供给系统3。为完成一条涂层涂道，不但激光束而 且粉末供给系统在箭头方向上以优选给定的恒定速度V移动。结果，在衬底表面上形成聚合物涂层4。在步骤2(图lb)期间，同一激光束在涂敷过的表面上优选与第 一涂道方向垂直地或者无论如何与第一涂道方向成一角度地扫描。在下面的短文中，公开本发明方法的可能工艺参数和/或最佳工 艺参数的详细描述。用装有6x6mm光束积累器的6kw连续<:02激 光器来进行这些实验以便在衬底上获得均匀的光束和温度分布。在第一步骤期间，通过用激光束对表面扫描来加热衬底(用不锈 钢或铸铁制造)而且把含氟聚合物粉末喷在受热表面上。携带气体是 具有101/min流速和最大粉末流量的Ar气。把粉末装料斗(未表示出) 加热到50X:以防止由于潮气所造成的堵塞系统。因为在这个步骤期间 粉末被光束的高能量强度毁坏的高风险，所以避免含氟聚合物粉末流 和激光束之间直接互相作用。在扫描期间能够获得具有300mm/min 速度的激光器和粉末供给以及9mm的工艺步进宽度、100nm厚的粗 加工层。尤其是在互相紧挨着的两条涂道的边缘处由于有部分熔化的 粉末所造成的表面粗糙度是非常大的。较靠近观察涂层，查明孔隙度 也是相当高的。所以为了重新熔化这层顶层并且为了减小表面粗糙度 和孔隙度而在不添加粉末的情况下应用第二激光器步骤。在与涂敷方向垂直的方向上而且以低得多的功率、典型的是 400W、和1000mm/min的高速度进行重新熔化步骤。在这样的熔化步 骤以后薄层厚度降低到22pm。用非接触光学高温计连续测量在激光加热区域上的表面温度的 控制工艺过程。对闭环控制来说，实际表面温度的信号起调节变量作 用而标称温度用作命令变量。根据PID控制器的机理，把两个信号作 比较并且从两个数值之间差计算新的输出值。对控制器输出来说激光 功率是最佳选择，因为这是最可伸缩的数值(与激光器衬底相对速度 作比较)。图2表示控制环路的示意图。测量衬底1表面温度的高温计10 的输出信号用作DAQ插件板ll的输入信号(在从mA信号变换到V 信号以后)。把所测量的温度和想要的温度作比较而且如果需要的话就产生补偿信号。计算机把信号经由激光控制系统13发送到激光功率 发生器12。使用的材料和工艺参数的实施例-试验结果对聚酰胺粉末来说，用激光把衬底加热到1201C和400X:之间的 温度，这些界限是分别由粉末的熔点和出现粉末质量降低的温度确定 的。优选以大约500mm/min的速度进行聚酰胺粉末的第一扫描步骤， 而优选以大约3000mm/min进行第二扫描步骤。对PEEK粉末来说，应该使激光加热衬底的温度处于340和570x:之间。含氟聚合物粉末的具体实施方式
是一种PTFE粉末，在PTFE粉 末情况中，使衬底加热到优选处于大约400X:的温度，而第一扫描步 骤的扫描速度优选在300和600mm/min之间并且第二步骤的扫描速 度优选为大约1000mm/min。对生产的滚筒进行最后的确认。根据本发明的方法给用于装备具 有2m长度纺织的重负载的干燥圆筒激光涂敷上25nm含氟聚合物涂 层。这种巻筒在纺织品被印刷完以后立即使纺织品传送通过干燥区域。 工作温度为130TC，对传统的涂层(套管)来说，130C是临界值。在 连续运转6周的现场试验以后为维修而停机并且检验巻筒。涂层吸收 了一些红色染料，尤其是在这些在巻筒和织物之间接触的地方是最严 重的。这就说明涂层仍然显示出吸收涂料的孔隙度但是纺织物表面没 有不希望有的变色。除了变色以外，巻筒表明没有损伤而且涂层仍然 是完整无缺的，这对进一步使用来说是大有希望的。对带领纸浆通过 一种所谓"热芯盒"的纸滚轧机干燥圆筒进行第二确认试验。工作温 度为130 150C而且纸浆是绝对有侵蚀性的，含有一些纤维(棉花纤 维或玻璃纤维)。在试验运转275小时以后对涂层依然感觉到很光滑 而且观察到没有引入注目的损伤。用易氧化的低碳钢制造巻筒但是没 有检测出氧化作用，这表明孔隙度降低。此外，这些巻筒的高工作温 度使这些涂层优于套管，套管由于粘合剂在高温时的断裂而出现松动。
权利要求
1.一种用于在衬底(1)上涂敷涂层(4)的方法，包括下列步骤-使激光束(2)在上述衬底的表面上沿着一线条扫描；-从供给系统(3)输送组成涂层材料，上述系统沿着与激光束同样的线条移动，但是紧跟在激光束后面，以致组成涂层材料附着在由激光束预先加热到组成涂层材料熔点以上的温度的光束点上，其中在激光束和组成涂层材料之间大体上没有物理的接触。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括第二次用上述激光 束扫描表面而没有供给组成涂层材料的第二步骤。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中上述组成涂层材料包 括聚合物粉末。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中上述组成涂层材料包括含 氟聚合物粉末。
5. 根据前面权利要求2-4中的任何权利要求的方法，其中通过 使激光束(2)和供给系统(3)在衬底表面上面以第一组平行直线方 式扫描来进行第一步骤，而且其中以基本上垂直于第一平行线的第二 平行线方式进行第二步骤。
6. 根据前面权利要求中的任何权利要求的方法，其中 一对被激光加热的衬底区域连续测量温度，-把上述测量结果与标称值作比较，-调整输出值，以便使所测量温度和标称值之差减至最低程度。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中上述输出值是激光功率。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中上述输出值是激光器和供 给系统相对于村底的相对速度。
9. 用于实施根据前面权利要求中的任何权利要求的方法的一种 设备，包括-用于产生激光束(2)、适用于相对于村底(1)移动的装置，-用于输送组成涂层材料、适用于与激光器一起移动和为把上述 组成涂层材料附着在由激光束预先加热的光束点上而配置的供给装置(3),其中在激光束和组成涂层材料之间大体上没有物理的接触。
10.根据权利要求9所述的设备，进一步包括为测量要涂敷的衬 底的表面温度而配置并且配置在工艺控制环路内的高温计。
全文摘要
本发明涉及一种用于在衬底(1)上涂敷涂层(4)的方法，包括下列步骤-使激光束(2)在上述衬底表面上沿着一线条扫描，-从供给系统(3)输送组成涂层材料，上述系统沿着与激光束同样的线条移动但是紧跟在激光束后面，以致组成涂层材料附着在由激光束预先加热到组成涂层材料熔点以上的温度的光束点上，其中在激光束和组成涂层材料之间大体上没有物理的接触。优选的是，方法进一步包括第二次用上述激光束扫描表面的第二步骤，在第二步骤期间没有增添组成涂层材料。
文档编号B05D3/02GK101277769SQ200680026177
公开日2008年10月1日 申请日期2006年7月18日 优先权日2005年7月20日
发明者埃里克·格林克斯, 简·杰多普特, 罗斯塔·佩尔松 申请人:佛兰芒技术研究所有限公司