生態(tài)環(huán)保型涂膜器，提高制備涂膜的通量

　　3D打印技術有助于實現(xiàn)涂膜刮涂的自動化，優(yōu)化涂布流程。

　　Aschwin van der Horst，Eldert J.Valk，Peter G.C.A.van den Berg，Jaap M.Akkerman，Allnex

　　刮涂棒或刮刀的最高標準是要具有始終如一的可重復性。金屬涂膜器經(jīng)常會出現(xiàn)清潔問題，尤其是水性涂料，很難實現(xiàn)自動化涂膜。通過采用3D打印技術，研發(fā)出一種自動高通量的涂膜涂布的方法，該方法低碳排放、快速、結(jié)果可靠。

　　樹脂和涂料通常使用不同的涂膜器進行涂膜，如：Bird（單面銳型）、Baker（四面圓型）、Doctor Blade（間隙）涂膜器、刮涂機和線棒刮涂器^［1－2］。本文主要介紹銳型（單面銳型）、平面型（框型）和圓型（四面型）涂膜器（見圖1）。

　　涂膜均勻是關鍵，使用手動涂膜器進行涂膜時，涂布速度和施加的壓力變化是不可避免的。這會造成涂膜厚度不均勻，可能造成表面皺紋。此外，由于涂料在涂膜器前端或中間發(fā)生溢料，導致一些制膜失敗。如果溢料進入涂膜器側(cè)面，就會沿涂層形成皺紋，使涂層變厚。為控制涂布的壓力和速度，已提出若干設想，避免膜厚出現(xiàn)偏差，例如：采用Byko drive或Sheen自動涂布機。這兩種設備均采用每次涂裝后均需使用溶劑或混合溶劑進行清潔的金屬線棒和/或涂膜器，這不僅耗時，由于溶劑用量多，還對環(huán)境造成嚴重影響。

　　要研發(fā)一種簡單的、一次性的、無污染的、快速的、可自動化和可復制的涂膜器，需要一次性3D打印涂膜器，同時還要開發(fā)3D打印支架（“托架”）、支撐彈簧墊和易于操作的機器人手臂的移動（壓力恒定和移動方向不變）。

結(jié)果一覽

　　→研發(fā)了新型3D打印的涂膜器，適用于水性涂料和溶劑型涂料的涂膜。

　　→結(jié)果呈現(xiàn)優(yōu)異的可重復性和可靠性，可集成到機器人系統(tǒng)中，提高工作通量。

　　→已證明這是一種經(jīng)濟高效的工具，具有降低碳排放的潛能，甚至可以進一步使用可再生原材料，如聚乳酸（PLA）。

　　機器人系統(tǒng)可實現(xiàn)涂膜工藝的自動化

　　有幾種涂膜器用于樹脂和涂料。ASTM標準的方法中很少提及涂膜器的選擇。如Patton所示，涂膜器的接觸面可以是圓形、鈍形/平面形或尖銳的形狀^［3］。表面涂膜厚度的變化是由這些差異造成。對于邊緣尖銳的涂膜器（Bird或刮刀，圖1），理論膜厚約等于實際膜厚。圓形涂膜器（Baker），實際膜厚約為理論膜厚的2/3，對于平滑的涂膜器（間隙），實際膜厚是理論膜厚的約1/2^［3］。除了涂膜器的形狀外，涂料的體積固體分決定最終干膜的厚度。

圖1 根據(jù)Patton [3]的設計， 由3D打印技術打印的三種不同涂膜器，從左至右依次為： 銳型（ Bird涂膜器）、 平面型（ 刮刀或間隙涂膜器） 和圓型（ Baker涂膜器） 的設計圖

　　本研究中，采用聚乳酸（PLA），一種市售的再生聚合物，通過3D打印技術研發(fā)出一種可再生涂膜器。也可以采用其他聚合物材料，之所以選擇PLA是根據(jù)對材料的耐化學性、韌性和可持續(xù)發(fā)展性的要求決定的。研發(fā)3D模型的關鍵因素是要確保與樹脂和涂料接觸的涂膜器表面十分光滑，所研發(fā)出的涂膜器的間隙尺寸應十分均勻，而且準確。

　　該研發(fā)項目經(jīng)多次調(diào)整，最終通過采用機器人系統(tǒng)達到涂膜工藝的自動化。該設備有兩個XYZ活動手臂：多吸嘴自動XYZ液體處理系統(tǒng)和XYZ夾持器，用來移動功能表面周圍的物體。吸嘴處理器可以從涂料儲存平臺中將所需涂料量在涂膜器前或內(nèi)部進行定量注入。夾持器將試板（最好是存放在易操作的托架中）移至涂膜的位置，在涂膜期間，按給定速度和壓力移動涂膜器。調(diào)整機器人接口，使其能將涂料涂布制膜，該涂膜器是通過3D打印機研發(fā)打印出來的。本文中，介紹了可再生涂膜器，機器人系統(tǒng)中自制的3D打印托架以及支撐彈簧墊的開發(fā)。

　　試驗設備和實際條件

　　首先，研發(fā)一種基本設計，根據(jù)圖1中所示的3種類型來打印涂膜器。Baker涂膜器經(jīng)證明是打印最好的選擇，然后對其進行優(yōu)化。選用聚乳酸（PLA）是由于其強度、韌性和可持續(xù)發(fā)展性。用于優(yōu)化涂膜器的變量有：增強涂膜器內(nèi)部的填充密度、涂膜器實際表面的外殼數(shù)量、頂部和底部的厚度、控制恰當?shù)膴A層熔融風機的調(diào)節(jié)，以及涂膜器的水平或垂直打印方向。3D打印機的其他一些規(guī)格有結(jié)構(gòu)體積（cm）：28.5（l）x15.3（w）x15.5（h）；打印層的分辨率：100pm；位置精度：X、Y10µm，Z2.5pm，細絲直徑：1.75mm，噴嘴直徑：0.4mm，一個擠出機，無需加熱墊。下一階段是確定合適的打印程序和條件。

　　打印了3種不同的涂膜器的表面，并以不同的間隙（25~300µm）寬度測試了在涂料和樹脂涂膜過程中的可重復性、可用性和再現(xiàn)性（見圖1）。采用玻璃和鋼板作基材（分別采用光滑和粗糙表面作為不同粘結(jié)的類型），分別將水性和溶劑型純樹脂和清漆以及不透明涂料進行涂布，檢測得到的涂膜：與人工刮涂的涂膜對比在X和Y方向上涂膜厚度的映像、目視檢查皺紋、溝槽（側(cè)向移動造成）和光澤。

　　縱向打印涂膜器具有較大優(yōu)勢

　　由于在打印過程中容易出現(xiàn)不規(guī)則的打印（尖銳邊緣）和表面的精準度（平坦邊緣）問題，所以沒有對尖銳和平坦邊緣的涂膜器進行測試。3D打印后，發(fā)現(xiàn)圓邊（Baker）涂膜器顯示良好的結(jié)構(gòu)，可輕松打印出平滑面，填充密度較低，打印后頂部和底部膜厚相等。在不采用較昂貴的加熱墊打印方法的情況下，3D打印同樣能提供良好的可重復性。工藝的關鍵性突破是將涂膜器的打印從水平方向（在X－Y平面中的臨界面）打印轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较颍ㄔ赬－Z平面的臨界面）打印。這具有兩大優(yōu)勢：

　　1.具有打印80件的能力

　　2.在一臺單獨的涂膜器中以及80臺打印的涂膜器中，均勻性更好，間隙尺寸更精確。圖2顯示了80臺3D打印的涂膜器。

圖 2 27h內(nèi)打印出的80臺可再生聚乳酸（ PLA）圓形邊緣Baker涂膜器成品，正準備集成到機器人涂膜系統(tǒng)的接口中

　　對3D打印機參數(shù)優(yōu)化后，不僅可以進行垂直打印，避免出現(xiàn)不規(guī)則表面，還可以在兩個涂膜器之間用細絲互相連接，在Z方向上的臨界面具有更好的準確性和光滑度。這些涂膜器不需要頂蓋或底座，幾乎不需要任何填充密度。只需在涂膜器的頂蓋或底座處裝一個大小合適的嵌體或入口，以使夾具能反復、輕柔、自動地夾取涂膜器。涂膜器不能彎曲，在室溫下穩(wěn)定，涂膜的性能具有再現(xiàn)性。這些條件可以實現(xiàn)使用盡可能多的涂膜器，3D打印完成后，可輕易從平臺卸下，而且彼此可以相互分離。涂布的膜厚采用卡尺微米儀測量，取4個位置的平均值。在特定系列檢測中，繪制X和Y方向上膜厚差異來確認均勻性。

　　為進行統(tǒng)計，從同一批次中隨機選定25個涂膜器，對其間隙進行測量。結(jié)果如合并標準偏差（在涂膜器底部、中部和頂部測量）的常規(guī)控制圖所示。涂膜器的預定滑動尺寸為120µm，見圖3。根據(jù)對滑動尺寸的分析，涂膜器的滑動尺寸平均值為119µm，合并標準偏差為24µm。可以用于涂膜和測試。

圖3 在25臺120 µm厚度的涂膜器底部（ o）、 中部（□）和頂部（∆） 測得的間隙尺寸的合并標準差常規(guī)控制圖。 在3D打印出來的涂膜器中可見到只有兩個離群值（紅色）， 隨機分布在打印層上。

　　托架的設計有助于優(yōu)化機器人的性能

　　為了實現(xiàn)自動化涂膜，在實驗室中研發(fā)了一種所謂的托架，可用來碼堆玻璃板或金屬板（150mm x90mm（l x w）），用于涂布水性和溶劑型樹脂。一個托架可存堆兩塊上述尺寸的試板或一塊300mm的試板。基材支架的設計要使機器人手臂（如圖4a所示）能夠抓住支架，從而可將其繞著自動接口的功能面移動。圖4b顯示了機器人手臂的夾持器同時適用于托架和涂膜器。在最終的設計中，采用碼堆9個托架的方式，一次可完成36種涂料的自動涂膜。

圖4a 涂料灌注和涂膜制備同步機器人， 用于溶劑型涂料和水性涂料的自動涂膜

　　還設計了一種單獨的托架，用3D打印制備，它可以容納36個涂膜器。在研發(fā)托架（基材固定架）過程中，還為尺寸較小的Q試板（用于耐候性和耐UV的測試中）研發(fā)了一種通用型支架，作為嵌體使用。為托架設計小型插口，為所涂布的涂層提供足夠的空間，可實現(xiàn)最佳干燥，且有利于碼堆復制的試板。此外，還設計了一個很小的圓形插口，中間放一根塑料管（見圖4b中的藍色箭頭），以便緊固托架中的涂布試板，從而防止在涂布和機器人手臂移動期間試板從碼堆試板中滑出。在圖5a和b中，可看到裝有玻璃板和Q板試板的托架。在圖5b中，3D打印的插口用于Q板的涂膜。這種情況下，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)非常靈活的打印方法，顯示出對涂膜所需表面的良好適應性。所有的托架均由PLA制成。

圖4b 托架（ 試板固定架） 和涂膜器的設計、 采用特殊的同步夾持器適配器設計的3D打印（見文中關于箭頭的解釋）

圖5 （ a） 使用玻璃試板堆放的3D打印托架（試板固定夾）， 顯示已涂好的涂膜（左） 和（ b） 將已涂好的Q板插入到3D打印的Q模板中（右）

　　支撐彈簧墊、涂料涂布和刮涂的優(yōu)化

　　在自動涂膜時，恒定的壓力是確保自動涂布具有可重復性的關鍵因素。研發(fā)了一種彈簧墊裝載裝置，確保在涂膜期間保持恒定和可重復的壓力。圖6顯示部分3D打印的彈簧墊。它表示了自動夾具（F1）所施加的壓力等于彈簧墊（F2）中所用所有彈簧的作用力的總和，在整個涂膜過程中，產(chǎn)生相等的壓力。唯一的關鍵差異在于涂料的黏度，它會造成刮涂膜或長，或短的情況。

圖 6 用于可重復涂膜研發(fā)的彈簧墊（ 具體見內(nèi)文）

　　涂膜器是按以下順序進行刮涂涂膜：夾持器從一堆托架中取出一個帶有兩塊試板的托架，將其移至彈簧墊；通過XYZ吸量臂對涂料進行定量；夾持臂從涂膜器托架中取出一個涂膜器，并以規(guī)定的最佳速度進行刮涂；最后，夾持器將涂膜器扔進垃圾桶，在Y方向的反方向進行第二次刮涂后，托架移動至最終完成的試板位置。

　　在粗糙面（如磷化邦德板）上進行涂膜時，刮涂的速度需優(yōu)化，并保持較高的速度，才能涂布出合適的的涂膜。必須對通過吸量臂提供的合適的涂料量進行優(yōu)化，該配量取決于抽吸和放料的常用配量參數(shù)。根據(jù)Webster等人的觀點，對依位置的順序規(guī)定配量的順序進行了優(yōu)化，證明是最佳的^［4］。

　　使用機器人精密度更高，重復性更好

圖7 從玻璃試板的起始點開始， 在相等距離的位置測量手動涂膜的干膜厚度（ A.5個涂膜， 每一個涂膜取4次測量的平均值） 和自動涂膜的干膜厚度（ B.4個涂膜， 每一個涂膜取4次測量的平均值）。 膜厚/µm

　　使用同種涂料進行多次涂布涂膜具有有意的可重復性和再現(xiàn)性，如7所示。手動涂膜與自動涂膜相比，通常手動涂布的膜厚變動較大。對于自動涂膜而言，膜厚偏差低于12µm。因此，自動涂膜的標準偏差相對較低：涂膜厚度的精度提高了一倍，如表1所示。總體上，使用機械人臂涂膜的可重復性優(yōu)于手動涂膜。主要是由于涂布期間的涂膜速度均勻，以及作用在涂膜器的壓力恒定。由于時間原因，沒有對金屬型Baker的自動涂膜與機械式涂膜設備進行比較，因為在實驗室中不使用金屬型自動Baker涂膜設備，除非客戶有特別要求。在其他實驗室進行的調(diào)查證實了使用最廣泛的涂膜是手動Baker涂膜方法。

表1 手動和機器人涂膜的標準偏差可從圖 7中顯示的數(shù)據(jù)確定。 涂膜器的間隙200 µm， 水性涂料的體積固體分36%

　　3D打印的涂膜器非常經(jīng)濟

　　前期計算的結(jié)果表明，使用3D打印涂膜器同時可以提高效率和效能。具有全范圍（25~400µm）測量的涂膜器的成本為0.12~0.20歐元。估計計算的節(jié)省成本如下：效率高達80％，有效性（有效項目、FTE節(jié)省費用）高達70％。計算中發(fā)現(xiàn)主要是節(jié)省了操作員的時間（h）可用于進行其他操作。其他一些涉及到經(jīng)濟成本的因素為：廢料（節(jié)約70％~80％）；折舊（相當）；總實際操作時間（節(jié)約10％~20％）。

　　新研發(fā)可提高效率和降低碳排放

　　使用3D打印的新型涂膜器涂刷水性樹脂和溶劑型樹脂，具有優(yōu)異、可靠的可重復性，為采用再生材料（如聚乳酸（PLA））制備經(jīng)濟的涂膜器提供了可能性。涂膜器可制成各種可能的，甚至可變的間隙尺寸。與手工涂布相比，采用3D打印的涂膜器和自動接口進行涂膜，具有更良好的重復性。使用自動涂布時，涂膜未觀察到皺紋、細線或波紋。由于涂膜器為一次性使用，可實現(xiàn)無污染（污染是由涂膜器的清潔不當造成，特別是涂布水性涂料時）的高通量涂膜，。不需要使用溶劑清洗涂膜器，碳排放更低。可使用不同基材試板，如玻璃和金屬（Q板）。即使在不使用自動涂膜器時，也可以在實驗室內(nèi)使用這些涂膜器，溶劑消耗/排放均可降低。綜上所述，與金屬涂膜器相比，最新研發(fā)的3D打的印涂膜器證明是一種既經(jīng)濟又高效的工具，且具有很大的優(yōu)勢。

　　致謝

　　我們對Ria de Cooman和William Weaver向位于Bergen op Zoom的Nuplex公司該項研究提供資金支持致以深深的謝意。實際操作由Avans Hogeschool Breda的實習生Eldert Valk MSc操作完成。Peter van den Berg負責日常操作的管理。該研究工作首次由Jaap Akkerman于2016年5月26日在伯明翰ETCC（歐洲涂料技術大會）上發(fā)表。此報告在ETCC大會獲得最佳演講獎。

　　參考文獻

　　［1］V.Koleske J.，Color Research&Application.1995，20（4）p270.

　　［2］Hanumanthu R.，AIChE J.1999，45（12）p2487.

　　［3］Patton TC.，Paint Flow and Pigment Dispersion.1978（2），Interscience Publishers.

　　［4］Webster et al，Progress in Organic Coatings20067/1，56（2－3）：169－177

　　［5］Testing equipment for quality management.Measurement and Testing Equipment for Coatings Technology.Erichsen，2016

“3D打印機的最大優(yōu)勢在于可使用不同材料開發(fā)出更好的涂膜器。”

　　Aschwin van der　

　　Horst博士，

　　首席化學師，

　　分析組負責人，

　　Allnex公司分析材

　　料&儀器（AMI）部

　　Aschwin.vanderHorst@Nuplex.com

　　向Aschwin van der Horst提出3個問題

　　研發(fā)這種3D打印的自動涂膜器的動機是什么？

　　研發(fā)3D打印的涂膜器的主要動機是效率和有效性。幾家涂料機器人涂裝設備的供應商還使用了某種涂布的方式，例如：通過噴涂制膜，或用金屬涂膜器進行涂布。在我們實驗室中，研發(fā)這種涂膜器主要因為此類設備是一種消耗品。引入家用3D打印機（在任一商店均買到）有助于我們制備十分廉價的涂膜器，專門用于我們實驗室中目前使用的自動接口。

　　這種涂膜器現(xiàn)在可在市場上買到嗎？

　　目前在市場上還買不到，但擁有3D打印機的任何人都可以生產(chǎn)。只需投入時間和設置制作這種3D涂膜器模型的程序。

　　需要多久才能使用這種涂膜器？

　　手動和自動的涂膜器需要經(jīng)過2~3個月的驗證才可使用，其重點在自動接口上。從這種意義上，制造涂膜器相當容易，但在機器人上使用需要花更多的時間和其他投入。除非，該涂膜器用于手動涂裝（人工），實施起來速度非常快。在Nuplex公司內(nèi)，只有一名本科生在從事該項目，持續(xù)了20周。在此期間，他進行了文獻檢索，并對3D打印制造的涂膜器進行了研發(fā)和驗證。然而，這種涂膜器仍在研發(fā)之中，只要改變自動接口的模式，就可用于其他用途。由于每次變更都需要進行新的驗證，因此這將需要更多時間（一到兩周左右）。3D打印機的最大優(yōu)勢在于可使用不同材料研發(fā)更好的涂膜器。