涂魔師助力美國AAM公司非接觸式精準(zhǔn)在線測量扭轉(zhuǎn)減震器的粘膠劑涂層膜厚

摘要：測量汽車零部件的膠粘劑涂層厚度要精確到微米級(jí)，才能很好避免產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題、返工和客戶投訴。美國知名汽車零部件制造商AAM公司成功引入涂魔師非接觸式無損在線測厚系統(tǒng)，用于替換傳統(tǒng)的干膜測厚方法，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化工藝，節(jié)省成本。

       測量汽車零部件的膠粘劑涂層厚度要精確到微米級(jí)別，才能很好避免出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題、返工工序和客戶投訴現(xiàn)象。在投入使用瑞士涂魔師非接觸式無損濕膜測厚系統(tǒng)之前，美國知名汽車零部件制造商AAM公司一直在使用顯微鏡和磁感應(yīng)測厚儀的傳統(tǒng)涂層厚度測量方法，但發(fā)現(xiàn)它們存在不少測量缺點(diǎn)。在橡膠-金屬粘膠劑Chemosil和Chemlok的生產(chǎn)廠家Lord支持下，AAM成功引入涂魔師非接觸式無損在線測厚系統(tǒng)，并替換了傳統(tǒng)測厚方法。

       尤其對于汽車重載組件，如在傳動(dòng)系統(tǒng)中的組件，選擇合適精準(zhǔn)的技術(shù)檢測膠粘劑涂層厚度在汽車工業(yè)中顯得特別重要。若零部件的膠粘劑涂層厚度不在合格范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品磨損速度加快，出現(xiàn)功能故障，最終換來昂貴的維修和返工費(fèi)用。

       扭轉(zhuǎn)減振器屬于汽車部件在主要重載組件。位于曲軸上的旋轉(zhuǎn)元件用于保護(hù)變速箱免受從活塞到曲軸的動(dòng)力傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的峰值負(fù)載影響。扭轉(zhuǎn)減振器由外部飛輪和安裝在曲軸上的內(nèi)部輪轂組成。

       通過硫化工藝能有效防止曲軸振動(dòng)——使用僅有幾微米厚的粘膠劑將橡膠層粘附在輪轂和外部飛輪環(huán)之間。組裝扭轉(zhuǎn)減振器之前，先將粘膠劑涂覆在飛輪環(huán)和輪轂的內(nèi)部，在這過程中實(shí)時(shí)高效監(jiān)測膠粘劑的涂層厚度：如果粘膠劑涂層過厚，涂層會(huì)出現(xiàn)破裂情況；如果涂層過薄，則粘合強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致橡膠層脫落，產(chǎn)生不必要的噪音和對汽車變速器的損壞情況。

通過非接觸式無損測量涂層厚度優(yōu)化生產(chǎn)工藝

       可見，在生產(chǎn)工藝中監(jiān)測涂層厚度是必不可少的?？偛课挥诿绹苄莸滋芈傻钠嚵悴考a(chǎn)商AAM在法國里昂的工廠，在扭振減振器的生產(chǎn)工藝中，最近成功引進(jìn)了瑞士涂魔師非接觸式涂層膜厚在線測量系統(tǒng)，高效協(xié)助他們生產(chǎn)部門非接觸無損精準(zhǔn)測量膠粘劑的膠層厚度。為了使涂魔師在線測厚系統(tǒng)最好應(yīng)用于膠粘劑膜厚測量中，AAM公司與粘膠劑制造商洛德（Lord）和涂魔師的生產(chǎn)原廠密切合作，共同對涂魔師新型測厚技術(shù)進(jìn)行了專門針對性的微調(diào)以便適應(yīng)他們的生產(chǎn)線。

       測量膠粘劑涂層厚度的最大難點(diǎn)是需要在輪轂和飛輪的粗糙表面上進(jìn)行精準(zhǔn)快速膜厚測量，目的是保證涂層的附著力達(dá)到合格水平。但工件表面存在微米級(jí)的凹凸不平的粗糙表面（圖1），當(dāng)使用電磁感應(yīng)干膜測厚儀時(shí)，探頭的磁場會(huì)隨著接觸測試點(diǎn)的不同而發(fā)生變化，這種不規(guī)則的表面 (圖2)會(huì)導(dǎo)致測量值存在較大測量偏差，導(dǎo)致涂層測量數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，重復(fù)性非常不穩(wěn)定。

圖 1 > 工件粗糙表面存在微米級(jí)的凹凸不平

圖 2 >粘接涂層表面粗糙，電磁感應(yīng)接觸式膜厚儀的測量偏差較大

杜絕返工

       AAM公司決定對工件實(shí)施全檢以杜絕返工工序。他們需要測量每個(gè)組件的涂層厚度，而來自洛德（Lord）的Chemosil / Chemlok專家著力推薦了來自瑞士無損在線測厚技術(shù)——涂魔師。

       目前，AAM公司成功引入涂魔師在線無損測厚系統(tǒng)并已經(jīng)使用超過了四年時(shí)間(圖3)。由于AAM公司對每個(gè)零部件實(shí)行了工藝監(jiān)控，所以在生產(chǎn)工藝中能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝偏差并進(jìn)行涂裝設(shè)備的參數(shù)調(diào)整?！盁o論是粘膠工藝的噴涂設(shè)備噴嘴出現(xiàn)堵塞問題，還是材料粘度發(fā)生變化，只要涂層厚度超出了合格范圍，操作者就能馬上發(fā)現(xiàn)偏差并作出有效的工藝參數(shù)調(diào)整。因此，AAM公司幾乎能即時(shí)避免的產(chǎn)品返工工序?！蓖磕熤圃鞆S家董事會(huì)成員Andor Bariska說道。洛德（Lord）應(yīng)用工程經(jīng)理紀(jì)堯姆 卡雷(Guillaume Carre)認(rèn)為，使用涂魔師非接觸式在線測厚系統(tǒng)是明智的選擇：“如今，我們的產(chǎn)品幾乎能滿足客戶需求。多虧使用了涂魔師非接觸式在線測厚系統(tǒng)，我們客戶可以很好使用和檢測我們產(chǎn)品?！?/p>

圖3  >在AAM Lyon，每個(gè)生產(chǎn)中的扭轉(zhuǎn)減振器都是使用涂魔師無損檢測系統(tǒng)進(jìn)行涂層厚度測量。將膠粘劑膜厚等多個(gè)生產(chǎn)參數(shù)激光掃描成二維碼。

瑞士涂魔師非接觸式無損濕膜測厚系統(tǒng)

      瑞士涂魔師非接觸式無損濕膜測厚系統(tǒng)結(jié)合了無損測量和測量固化前漆膜即時(shí)得到干膜厚度的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在生產(chǎn)工藝中直接高效測量膠粘劑或濕漆膜厚這一眾多生產(chǎn)廠家的多年愿望。除了美國AAM公司，現(xiàn)已有多個(gè)國內(nèi)外知名廠家將涂魔師成功投入到實(shí)際生產(chǎn)中，并對測量效果稱贊不已。

       蘇黎世應(yīng)用科學(xué)大學(xué)（ZHAW）的研究人員Andor Bariska和Nils Reinke與多個(gè)合作生產(chǎn)廠家共同開發(fā)了新型光熱法的涂層厚度無損檢測技術(shù)，并在這基礎(chǔ)上研發(fā)了涂魔師非接觸式無損測厚系統(tǒng)并將其成功集成到實(shí)際生產(chǎn)中。該測厚系統(tǒng)利用涂層的熱性能來實(shí)現(xiàn)涂層厚度的非接觸精準(zhǔn)快速測量，首先使用計(jì)算機(jī)控制閃光燈對未固化的漆膜或粘膠劑涂層部位進(jìn)行短暫脈沖加熱。高速紅外傳感器記錄下涂層隨時(shí)間變化的表面溫度，表面溫度根據(jù)涂層厚度和熱性能以特征動(dòng)態(tài)進(jìn)行衰減，每個(gè)測量過程平均要分析100,000個(gè)溫度讀數(shù)，涂層越厚，冷卻速度越慢。利用專門開發(fā)的算法評(píng)估表面的動(dòng)態(tài)溫度分布情況，最后可以定量確定涂層厚度。

       涂魔師在線無損測厚系統(tǒng)專門避免采用有害光源（如激光、Beta或X-射線源），對人體、產(chǎn)品和環(huán)境不會(huì)造成任何危害。測量速度可達(dá)每秒測一次(1Hz)，能輕松在同一零部件上進(jìn)行多點(diǎn)測量。即使對于粗糙表面，涂魔師也能快速精準(zhǔn)測量出產(chǎn)品的涂層厚度分布情況。

       此外，涂魔師無損測厚系統(tǒng)具有測量精度高、重復(fù)性好、不限測試底材、輕松測量外形復(fù)雜的零部件，可測曲面，內(nèi)壁以及角落處等隱蔽位置、測量各種顏色涂料等優(yōu)勢，有效保證與工藝質(zhì)量相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)達(dá)合格范圍。顯然，涂魔師非接觸式在線測厚技術(shù)與傳統(tǒng)的測量方法相比，后者存在許多不足之處。

一、涂魔師非接觸式測厚系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的顯微鏡等微觀測量法

       顯微鏡等微觀測量法只能從組件中破壞式切割提取很小區(qū)域進(jìn)行涂層厚度分析。如圖4所示，但無法從局部膜厚測量結(jié)果中精準(zhǔn)可靠推算出產(chǎn)品整體的涂層厚度情況。

       另外，顯微鏡測量法非常耗時(shí)和耗人力。操作人員先將樣品嵌入到載體樹脂中，然后進(jìn)行拋光打磨，最后得到一個(gè)可供分析的干凈涂層截面。該過程可能耗數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，因此不適合實(shí)時(shí)的工藝控制。

圖 4 >雙層粘膠劑涂層的微觀截面圖像表明，局部涂層厚度測量存在較大波動(dòng)

二、涂魔師非接觸式測厚系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)測厚法

       如今涂裝行業(yè)仍然普遍使用電磁感應(yīng)等傳統(tǒng)干膜測厚儀來測量涂層厚度。這些儀器的磁性探頭需要在涂裝后的金屬部件冷卻后，進(jìn)行接觸式膜厚測量。因?yàn)榇艌鰰?huì)隨涂層厚度的不同發(fā)生改變，因此可以根據(jù)磁場變化推斷涂層厚度。然而，若這些儀器測量橡膠-金屬粘膠劑涂層厚度，存在以下兩個(gè)問題：

1） 在粗糙表面上發(fā)生較大測量偏差，如上文所述；

2） 接觸式測量，容易導(dǎo)致涂層發(fā)生彈性變形，破壞涂層。涂層在接觸式測量中呈鋸齒形狀，因此測量值波動(dòng)較大。比較研究表明，磁感應(yīng)測量法的測量值比使用涂魔師非接觸測厚系統(tǒng)的測量值的測量偏差更大。

       對于洛德（Lord）的Guillaume Carre來說，非接觸式無損測量更是涂魔師的突出優(yōu)勢?！八梢造`活無損測量外形復(fù)雜零部件的涂層厚度，不受測試距離和測試角度限制，使涂魔師更適合投入到生產(chǎn)線中。”

       此外，涂魔師無損在線測厚系統(tǒng)使用和校準(zhǔn)操作非常簡單，無需要求操作人員具備專業(yè)知識(shí)，且測量速度快和測試重復(fù)性好，可以協(xié)助操作者高效實(shí)時(shí)非接觸監(jiān)控產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，穩(wěn)定涂裝質(zhì)量。

      在汽車行業(yè)中，為了能嚴(yán)格評(píng)估測量儀器，對于涂層厚度的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)特別引入了關(guān)鍵質(zhì)量性能參數(shù)Cg。Cg 值是根據(jù)Bosch博世第十版手冊中的公式所計(jì)算，公式如下：

       該參數(shù)與測量的兩個(gè)重要參數(shù)有關(guān)：一是合格范圍（T），它表示涂層厚度的允許范圍；二是測量儀器本身的測量偏差（Sg），由重復(fù)測量得出。噴涂工藝的合格范圍與測量儀器的測量偏差的比值不能低于規(guī)定的合格值。

       對于汽車行業(yè)，只有測量設(shè)備的Cg值大于1.33才視為產(chǎn)品質(zhì)量合格，這相當(dāng)于合格范圍（T）與儀器的測量偏差（Sg）的比值大于40。

      傳統(tǒng)的渦流或磁感應(yīng)測厚儀測量粘膠劑涂層厚度時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)幾微米的測量偏差，這導(dǎo)致Cg值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1.33。因此，這些傳統(tǒng)的測厚儀往往不能獲得質(zhì)量認(rèn)證。而新型涂魔師非接觸式無損濕膜測厚系統(tǒng)對粘膠劑進(jìn)行非接觸式涂層厚度測量，測量偏差為70納米（=0.07微米），計(jì)算得Cg值為4.5，大大滿足了汽車行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，而AAM公司之前使用的磁感應(yīng)測厚法，其cg值卻是低于0.4。由此可見，涂魔師無損測厚系統(tǒng)比傳統(tǒng)的磁感應(yīng)測厚儀更適合無損監(jiān)控生產(chǎn)工藝。

結(jié)合涂魔師測厚系統(tǒng)在線檢測控制生產(chǎn)工藝

涂魔師非接觸式測厚系統(tǒng)在多方面協(xié)助并促進(jìn)AAM公司的產(chǎn)品生產(chǎn)，例如關(guān)于扭轉(zhuǎn)減振器生產(chǎn)過程的提供可追溯性。如今，AAM公司對所有組件都?jí)河×撕性摻M件的重要參數(shù)的二維碼，包括通過涂魔師測得的涂層厚度。Andor Bariska表示：“如果產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題，生產(chǎn)部門能通過涂魔師及時(shí)發(fā)現(xiàn)組件的涂層厚度是否在合格范圍內(nèi)?！?并且，涂魔師可以協(xié)助確定哪個(gè)工藝步驟出現(xiàn)了偏差錯(cuò)誤。AAM公司的Jean-Philippe Caillot表示，涂魔師可以實(shí)現(xiàn)在線檢測控制生產(chǎn)工藝是其另一優(yōu)勢：“在AAM Lyon，我們使用涂魔師無損檢測系統(tǒng)對產(chǎn)品生產(chǎn)過程進(jìn)行完整追溯。將涂魔師在線式無損涂層厚度測量系統(tǒng)集成到產(chǎn)線中，及時(shí)糾正工藝偏差，這是使我們的生產(chǎn)工藝適應(yīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4.0的不斷發(fā)展的因素之一。

即將把程序列入正式標(biāo)準(zhǔn)

       Andor Bariska強(qiáng)調(diào)，整合涂魔師測厚系統(tǒng)到AAM公司的生產(chǎn)線這一項(xiàng)目進(jìn)行得非常順利及成功?！霸谟匈Y質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室測量參考標(biāo)準(zhǔn)后，AAM公司可以自行調(diào)整設(shè)備參數(shù)。根據(jù)要求，我們還會(huì)提供證明系統(tǒng)可靠性的校準(zhǔn)證書，并將會(huì)介紹涂魔師的測量標(biāo)準(zhǔn)和測量原理。各標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)決定了將該程序與DIN ISO 2808規(guī)范的修訂一起成為已認(rèn)可的涂層厚度測量方法。這證實(shí)了涂魔師非接觸式測厚系統(tǒng)能可靠精準(zhǔn)測量各種零部件的粘膠劑、涂層厚度，而不僅是扭轉(zhuǎn)減振器。