瑞士涂魔師ATO非接觸膜厚分析系統(tǒng) 智慧高效監(jiān)控涂裝工藝

摘要：相比于傳統(tǒng)非接觸式測厚儀，涂魔師ATO測厚技術(shù)明顯降低了儀器維護成本，而且涂魔師能更加快速、精準和簡單測厚，無需嚴格控制樣品與測厚儀器之間的測試角度和距離，即使是細小部位、彎角、產(chǎn)品邊緣、凹槽等難測部位也能精準測厚，并且對操作人員的專業(yè)要求低。

1．傳統(tǒng)非接觸式涂層厚度測量方法

當物質(zhì)受到光、聲波、輻射等激發(fā)時，物質(zhì)會吸收一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能。 基于該原理能通過光源照射待測基材來測量其光熱反應(yīng)（紅外輻射），從而確定基材上的涂層厚度。

圖1展示了樣品被激發(fā)光源照射時發(fā)生的光熱反應(yīng)現(xiàn)象。 除了特殊發(fā)光材料外，照射激發(fā)的光能主要轉(zhuǎn)化為熱能，造成樣品表面溫度發(fā)生變化。

如圖2所示，有幾種光熱反應(yīng)的測量方法。例如：檢測樣品表面紅外輻射的光熱輻射法、利用麥克風以聲波形式檢測樣品周圍氣體的熱膨脹方法(麥克風光聲法)、利用壓電元件檢測熱彈性波的壓電元件法、利用光學干涉系統(tǒng)中的光學探頭檢測熱膨脹引起表面位移的光熱位移測量法等。

光干涉法和光束偏振法是通過將激光束照射到樣品表面，用光束位置傳感器檢測反射光因光熱位移而產(chǎn)生的反射角變化來測量涂層厚度，如圖3所示。

但采用激光束的測厚方法要求樣品與測厚儀器的測量距離較短，且照射激光束要垂直于樣品表面。當待測樣品在涂裝生產(chǎn)線上的吊架或傳送帶上運動時，運動中的物體容易碰撞探頭，所以產(chǎn)線上的在線測厚儀器需要滿足測試距離較長并且測試角度容差大的技術(shù)需求。激光束的測厚方法明顯不滿足這要求。

此外，考慮到激光束強度的危害性，操作人員要擁有相關(guān)專業(yè)技能，以及激光儀器的維護費用較高。使用激光束測厚方法不利于對大批量產(chǎn)品進行涂裝工藝。

2．涂魔師ATO非接觸無損膜厚分析技術(shù)

如圖4所示，涂魔師采用ATO光熱法專利技術(shù)；該項技術(shù)采用氙燈安全光源代替激光束進行激發(fā)，并以脈沖方式短暫加熱待測涂層，內(nèi)置高速紅外傳感器將記錄涂層表面溫度分布并生成溫度衰減曲線，最后利用專門研發(fā)的算法分析表面動態(tài)溫度曲線計算待測涂層厚度。

通常，涂層厚度越大，反應(yīng)時間越長（例如1-2秒）；涂層厚度越小，反應(yīng)時間越短（例如0.02-0.3秒），如圖5所示。

相比于傳統(tǒng)非接觸式測厚儀，涂魔師ATO測厚技術(shù)明顯降低了儀器維護成本，而且涂魔師能更加快速、精準和簡單測厚，無需嚴格控制樣品與測厚儀器之間的測試角度和距離，即使是細小部位、彎角、產(chǎn)品邊緣、凹槽等難測部位也能精準測厚，并且對操作人員的專業(yè)要求低。

另外，涂魔師容易集成到涂裝系統(tǒng)中，與機械臂或其他移動裝置配合使用能方便精準測量工件膜厚，實現(xiàn)不間斷連續(xù)膜厚監(jiān)控，提高生產(chǎn)效率。

3．粉末涂料的應(yīng)用實例

涂魔師非接觸膜厚分析儀器不僅適用于測量粉末涂層厚度，還能精準測量液體涂料、粘膠劑、熱噴涂、潤滑涂層等多種涂層類型的膜厚。

對于粉末涂料涂裝，未固化涂層厚度與固化后膜厚差異通常相差約1%～3%，而涂魔師測厚系統(tǒng)能自動計算并補償該差值，因此涂魔師能在產(chǎn)品進入烤爐前精準測量未固化涂層實時得出干膜厚度，無需等到粉末涂層固化后才進行測厚。

目前大多數(shù)廠家使用渦流法、電磁感應(yīng)法等干膜測厚儀測量粉末涂料膜厚，他們要等到產(chǎn)品進入烤爐完全固化涂層后才能接觸測厚。如果等到涂層固化后才發(fā)現(xiàn)膜厚值不能滿足合格范圍，則需要進行返工，時效性和生產(chǎn)效率與成本都不符合經(jīng)濟效益。

使用涂魔師非接觸膜厚分析系統(tǒng)能輕松解決上述問題。涂魔師不僅能非接觸、非破壞性、無損測厚，而且在涂層未固化（濕膜）狀態(tài)下就能快速精準得出干膜厚度，高效協(xié)助生產(chǎn)廠家及時調(diào)整噴涂參數(shù)、降低不良率、穩(wěn)定涂裝質(zhì)量并節(jié)省涂料用量。

4．其他應(yīng)用實例

除了測量粉末涂層厚度，涂魔師也能精準測量液體涂料漆膜厚度；金屬、碳纖維、MDF中纖板、橡膠、硅片等基材上潤滑涂層、粘合劑等涂層厚度；柔性印刷電路板上導(dǎo)體油墨膜厚等等。

5．涂魔師所有機型（圖6）

　涂魔師共有四種型號："涂魔師 FLEX手持非接觸式膜厚分析儀"；"涂魔師 ATLINE實驗室型非接觸式膜厚測量系統(tǒng)"；"涂魔師 INLINE在線式膜厚分析系統(tǒng)"，與機器臂配備使用能自動測厚；"涂魔師3D 整體膜厚成像測厚系統(tǒng)"，3D系統(tǒng)能一次性測量產(chǎn)品整體膜厚真實分布情況，并以熱量成像模式顯示測量結(jié)果。

6． 涂魔師的測量可靠性符合AIAG（MSA）/ IATF16949標準

隨著ISO9001:2008標準普及，越來越多涂裝廠家要求在生產(chǎn)現(xiàn)場測量與控制產(chǎn)品涂層厚度，或者需要在涂裝工藝全過程記錄與存檔膜厚數(shù)據(jù)，然后從測量數(shù)據(jù)中運用各種統(tǒng)計方法持續(xù)對產(chǎn)品進行質(zhì)量控制。 此外，涂裝部門也需要定期檢查和校準正在使用的測量系統(tǒng)。

由于現(xiàn)場測量條件、測量方法、操作工人對測量的熟練程度都存在差異性，故事先對測量系統(tǒng)的可靠性進行檢查和確認其測量結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性。

汽車工業(yè)行動組（AIAG）是由通用汽車、克萊斯勒、福特、卡特彼勒等美國主要汽車制造商于1982年成立。 隨后，AIAG在ISO/TS 16949系列汽車行業(yè)質(zhì)量管理標準的基礎(chǔ)上制定了新的AIAG（MSA）/IATF 16949標準，因此ISO/TS 16949于2018年9月18日停止使用。

在日本，豐田汽車、日產(chǎn)汽車、本田汽車等知名汽車企業(yè)都執(zhí)行該標準。在AIAG(MSA)/IATF16949中，測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性(GR&R)被定義為測量系統(tǒng)可靠性的分析方法。

本文將不對測量數(shù)據(jù)的變化作出詳細解釋，其中該分析方法定義了： "EV"=重復(fù)性(測量系統(tǒng)差異)；"AV"=再現(xiàn)性(操作者差異)；"PV"=過程差異之和，GR&R=SQRT(EV^2+AV^2)。在該方法中，GR&R≤10%視為合格，10% ≤GR&R<30%視為可以接受（此時考慮被測量特征的重要程度和測量成本等因素，同時需要得到客戶認可），30%≤GR&R視為不合格，測量系統(tǒng)需要改進。

涂魔師非接觸測厚系統(tǒng)的GR&R≤10%，視為合格。

7．非接觸式涂層厚度的ISO和JIS測量標準

粉末涂料膜厚的測量標準為ISO 2808:2007第4版《涂料和清漆--漆膜厚度的測定標準》，該標準由日本涂料制造商協(xié)會（JPMA）和日本標準協(xié)會（JSA）共同提出。

根據(jù)日本涂料工業(yè)協(xié)會（JPMA）和日本標準協(xié)會（JSA）提出的建議，JIS K5600《涂料的試驗方法-第1部分：通則》最終發(fā)布為JIS K 5600-1-7:2014《涂料的試驗方法-第1部分：通則》。

其中，JIS K 5600-1-7:2014 標準中的附件C "利用熱性能測量方法"，詳細說明了利用光熱原理的非接觸涂層厚度測量方法。這是以ISO 2808:2019中的"§4.4光熱法 "作為依據(jù)。

在標準 “ISO 2808-2007 油漆與清漆的膜厚測量”中，附件A展示了幾種濕膜測厚方法的精度對比。如下圖可見，精度最差的是梳齒儀，精度最高的是光熱法，而采用光熱法的涂魔師非接觸測厚系統(tǒng)測量精度可達到0.2%。

參考文獻

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（ 2）J IS K5600「塗裝―一般試験方法 第一部：通則（Testing methods for paints-Part 1: General rule）

（3）E N 15042-2 "Thickness Measurement of Coatings and Characterization of Surface with Surface Wave Part 2: Guide to the thickness measurement of coating by photothermic Method"

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