1. 介紹

粉末涂料是表面處理工藝的環(huán)保型替代材料，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，如汽車、建筑和家用電器行業(yè)等。在靜電作用下施加粉末涂料，其中載有顆粒的流體經(jīng)過噴槍內(nèi)的電暈對(duì)顆粒進(jìn)行充電，隨后將粉末噴在接地基板上。此時(shí)產(chǎn)生幾種物理現(xiàn)象：湍流氣流(Re max ≈1.5e5, U max ≈20m/s)，帶有相互作用的聚合物顆粒 (2μm-180μm) ，疊加的靜電場(chǎng) (ψ max ≤1.2e5V) 和重力場(chǎng)。由于很難能夠通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)研究所涉及到的復(fù)雜相互作用，所以該領(lǐng)域的大多數(shù)研究都靠過往經(jīng)驗(yàn)。為了能重新設(shè)計(jì)研發(fā)出一種優(yōu)化工藝參數(shù)和提高技術(shù)的系統(tǒng)化方法，不僅需要驗(yàn)證數(shù)據(jù)工具，也需要對(duì)噴涂工藝進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)研究。迄今發(fā)表的一些實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重于粉末的顆粒速度和尺寸分布或靜電特性的細(xì)節(jié)。

為了量化涂層質(zhì)量，試圖使用破壞式測(cè)量方法是不能獲得顆粒在基板上分布情況，要么缺乏數(shù)據(jù)研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，要么是基于速度場(chǎng)分布來間接推出涂層厚度。然而，在實(shí)際應(yīng)用中得出涂層在基材上的分布情況及其厚度是十分有必要的。現(xiàn)迫切需要一種非接觸式測(cè)量方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集以及后處理量化，該評(píng)估程序?qū)閿?shù)值求解器的驗(yàn)證過程奠定基礎(chǔ)，既能優(yōu)化工業(yè)噴涂工藝，又能有助于技術(shù)的深入開發(fā)。為此，本文提出了一種新型涂層厚度和分布的測(cè)量方法——Coatmaster。本文也特別強(qiáng)調(diào)過濾收集到的數(shù)據(jù)以及量化噴涂工藝的關(guān)鍵參數(shù)。

2. 材料和方法

2.1. 實(shí)驗(yàn)裝置的安裝

該實(shí)驗(yàn)裝置由電暈型噴槍組成，噴涂室內(nèi)固定該噴槍和安裝有塑料欄桿，該塑料欄桿支撐著10cm×10cm接地的基板支架。如圖1所示，過濾處的通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)出空氣，收集剩余粉末。

圖1-實(shí)驗(yàn)裝置安裝。借助于夾具支架(2)將基板(1)固定到塑料欄桿(3)上，將噴槍(4)固定在該欄桿上(5)。裝有5克粉末(6)噴槍與基板中心對(duì)齊，噴槍背面帶有滾輪支架(7)。

把基板放置在距離噴槍15厘米位置，并用不同電壓對(duì)5克固定重量的粉末進(jìn)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)基板涂上一組設(shè)置好的參數(shù)涂層后，再用Coatmaster測(cè)厚系統(tǒng)測(cè)量該涂層厚度，每個(gè)基板的前后面分別測(cè)量三次，這樣能使每次測(cè)量之間都有足夠的冷卻時(shí)間。另外，每個(gè)電壓都設(shè)置在三個(gè)基板上，這樣就可以對(duì)每個(gè)電壓設(shè)置都進(jìn)行九次測(cè)量，以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2. 使用Coatmaster 3D 非接觸式測(cè)量涂層厚度

Coatmaster 3D 能在100cm內(nèi)非接觸式測(cè)試未固化的涂層厚度。該系統(tǒng)基于先進(jìn)的熱光學(xué)技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制光源以脈沖方式加熱待測(cè)涂層。然后內(nèi)置的高速紅外探測(cè)器以一定的距離記錄時(shí)間序列中的溫度分布。隨著表面溫度的降低(這與涂層厚度和涂層材料的熱性能有關(guān))，將設(shè)備檢測(cè)范圍內(nèi)的涂層厚度分布推斷為一個(gè)場(chǎng)。(使用Coatmaster 3D型號(hào)與Coatmaster普通型號(hào))。 Coatmaster也可以測(cè)量比基板形狀更復(fù)雜和尺寸更小的零部件，檢測(cè)彈簧樣品如圖2所示。由厚度分布圖可知，彈簧外部比內(nèi)部的涂層厚度更大。

圖2-由Coatmaster為形狀復(fù)雜的彈簧外部及其內(nèi)部的涂層厚度量化測(cè)量拍攝的示例圖像。

首先對(duì)固化后的樣品進(jìn)行校正測(cè)量，目的是避免涂料本身特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。為此，可以使用干膜測(cè)厚儀獲得覆蓋樣品涂層厚度范圍的數(shù)據(jù)，再將它們記錄在 Coatmaster圖像上，最后將其用作整個(gè)場(chǎng)的校正數(shù)據(jù)。經(jīng)過校正后，Coatmaster能在樣品涂層厚度范圍內(nèi)檢測(cè)和量化任何涂層厚度。

2.3. 測(cè)量數(shù)據(jù)的評(píng)估

Coatmaster自動(dòng)測(cè)量粉末涂層厚度和精確生成涂層厚度分布圖像后，需要評(píng)估收集到的數(shù)據(jù)和確定涂層工藝的關(guān)鍵參數(shù)。首先是基板表面的平均厚度, 因?yàn)樗从沉送繉拥男?在使用固定數(shù)量粉末的每種情況下，沉積在基板上的顆粒與顆?？倲?shù)的比值。第二個(gè)關(guān)注參數(shù)是最大涂層厚度的區(qū)域中心,它指的是相對(duì)于基板所達(dá)到的最厚涂層區(qū)域的幾何中心。最后需要關(guān)注與涂層均勻性有聯(lián)系的參數(shù)。在多數(shù)情況下, 人們都希望涂料能在樣品上均勻噴涂,以便在實(shí)際應(yīng)用中提供優(yōu)秀的表面特性或功能。

2.3.1 數(shù)據(jù)的過濾

Coatmaster完成測(cè)量任務(wù)后，在量化涂層的基本參數(shù)前必須使用常見的圖像處理方法過濾Coatmaster收集的數(shù)據(jù)和消除與該研究無關(guān)的噪聲。數(shù)據(jù)中的噪聲以像素形式出現(xiàn)：a)達(dá)到Coatmaster校準(zhǔn)過程中規(guī)定的上限值;b)通過測(cè)量發(fā)現(xiàn)非常薄的涂層厚度;除噪聲外，還應(yīng)過濾與夾具或接地電纜得幾何區(qū)域。

2.3.1.1 閾值濾波

過濾的第一步是消除最小閾值和最大閾值區(qū)間以外的涂層厚度數(shù)據(jù)。最小閾值通?？陕愿哂诹?，因?yàn)榛逋獾脑肼曄袼赝^小數(shù)值。最大閾值應(yīng)設(shè)置為略低于在 Coatmaster校正過程中的最大值，以消除基板上較薄涂層但仍然呈現(xiàn)閾值的像素點(diǎn)，如圖3中的區(qū)域A所示。

在圖3所示情況下，由于大量數(shù)值沒有達(dá)到設(shè)備閾值，因此閾值濾波效果較好。然而，特別是對(duì)于基板的背面圖像，由于角框效應(yīng)(這是必要的步驟)，導(dǎo)致中間大面積較薄涂層顯示不真實(shí)的高值。

圖 3-原始數(shù)據(jù)圖像的閾值濾波。

上圖是原始圖像, 像素或區(qū)域標(biāo)記為：A) 通過閾值濾波消除了薄涂層達(dá)到相機(jī)最大閾值的像素集合;B)通過幾何濾波消除基板外涂層厚度值的像素集合;C)用相應(yīng)的濾波去除夾具區(qū)域。下圖是經(jīng)過閾值濾波后的基板圖像，剔除了A型區(qū)域。適用于可用數(shù)據(jù)范圍的縮放。

2.3.1.2 幾何濾波

閾值濾波不需要去除所有脫離基板的像素點(diǎn)，如圖3所示包含區(qū)域B。由于這些像素通常都比基材小，所以可以根據(jù)幾何位置進(jìn)行幾何濾波。根據(jù)圖像的行和列的位置對(duì)剩余未過濾的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。行(r)和列(c)坐標(biāo)如圖5所示。然后在幾何位置的分布上,消除的像素位置坐標(biāo)低于或高于百分比 ( 低和高 ) 中定義的限制值。

圖 4- 基于幾何位置分布函數(shù)的幾何濾波。

借助公式(1)中定義的濾波函數(shù)δ進(jìn)行數(shù)學(xué)表示，該函數(shù)乘以與之相關(guān)的像素i, D i 為涂層厚度值。

該濾波過程的效果如圖5所示，取極限值分別為坐標(biāo)的2.5和97.5%，消除含有非零涂層厚度的數(shù)值。

圖5—在像素坐標(biāo)的2.5-97.5%之間的幾何閾值。上方圖是基板的原圖像，下方圖是經(jīng)過幾何濾波。圖3中B類型的大部分像素都被消除，除了包含在白框中的像素，以及圖3中的一部分 C區(qū)域。適用于可用數(shù)據(jù)范圍的縮放。

在這種情況下，可以觀察到圖5中的白色框并不能消除所有位于基板外部的像素，最明顯表現(xiàn)在圖像的底部像素。此外，在圖像中仍然可見部分夾具區(qū)域。如果在 5-95%的坐標(biāo)值之間進(jìn)行閾值化，則對(duì)所有的情況進(jìn)行更好濾波，如圖6所示。因此，較佳極限閾值可以經(jīng)驗(yàn)所得。

圖6—在像素坐標(biāo)的 5-95% 之間的幾何閾值。上方圖是基板的原圖像，下方圖是經(jīng)過幾何濾波。圖3中的區(qū)域B的大多數(shù)像素以及圖3中的區(qū)域C都已消除。適合可用數(shù)據(jù)范圍的縮放。

2.3.1.3 過濾夾具區(qū)域

在涂裝過程中用于固定基板的夾具通常具有較高的涂層厚度。因?yàn)樗粚儆诨?，所以需要濾去該區(qū)域。此外也要消除基板附近由夾具干擾造成的涂層像素。根據(jù)圖7所示原理圖來消除夾具區(qū)域，其中用藍(lán)色填充夾具的對(duì)應(yīng)區(qū)域。基板中心的識(shí)別以及基板的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)的范圍，在定義夾具區(qū)域中起著關(guān)鍵作用。

圖 7- 夾具區(qū)域示意圖

識(shí)別控制區(qū)域的兩個(gè)比值，如式(2)所示。

如果行坐標(biāo)小于最小行加上夾具的高度，并且列坐標(biāo)小于基板中心的坐標(biāo)減去寬度 w2或大于基板中心加w1的坐標(biāo)，則該數(shù)據(jù)將作為夾具區(qū)域消除。此過濾效果如圖8所示。為了達(dá)到演示目的，本次實(shí)驗(yàn)消除比夾具區(qū)域更大的區(qū)域，這會(huì)有效避免夾具引起的干擾。

圖 8- 過濾夾具區(qū)域

2.3.2 平均涂層厚度 (ACT)

表征涂層質(zhì)量的首要性能參數(shù)是平均涂層厚度。在使用相同數(shù)量的粉末進(jìn)行工藝比較時(shí)會(huì)直接反映效能，因?yàn)榛宓钠骄繉雍穸仍酱?，沉積的粉末比例就越大。因此使用上述各節(jié)的過濾過程，通過計(jì)算剩余像素的涂層厚度的平均值，就可以計(jì)算 ACT，如公式 (4) 所示。任何涂裝工藝的目的都是盡可能提高效能，因此需要盡可能提高 ACT。

公式(4)中，針對(duì)較薄涂層特別引入了面積縮放因子。在較薄涂層中，未過濾像素?cái)?shù)量(N unfilter )遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于覆蓋整個(gè)基板的像素?cái)?shù)量。在這些情況下，如果不對(duì)整個(gè)基板面積進(jìn)行縮放，而是直接計(jì)算單個(gè)未過濾像素(A i )面積的平均厚度，這將導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果?；迕娣e(A plate )是由行坐標(biāo)和列坐標(biāo)的范圍確定的。在不同測(cè)量值與基板之間的范圍時(shí)，從基板面積范圍的面積(A plate )在所有標(biāo)準(zhǔn)化情況下求平均值，以消除變化影響，對(duì)于每種情況，變化通常很小。

2.3.3 中心偏移量

下一個(gè)性能參數(shù)是中心偏移量。量化該參數(shù)需要識(shí)別最高涂層厚度區(qū)域 (RHCT)。這區(qū)域包含一定比例的未過濾像素，反映出最高的涂層厚度。然后根據(jù)基板幾何中心(式(5))和區(qū)域幾何中心(式(6))的行、列坐標(biāo)差值計(jì)算中心偏移量，如圖9所示。

圖9中，基板的幾何中心用紫色表示，區(qū)域的幾何中心用棕色表示?？梢杂^察到幾何中心向板底以及右邊緣移動(dòng)，這表明涂層具有某種不對(duì)稱性。因此，中心偏移量將表征涂層的不對(duì)稱。

圖 9- 基板的幾何中心相對(duì)于RHCT的中心。

朝向底部的中心偏移量表示基板遠(yuǎn)離噴槍位置，而在列坐標(biāo)方向的偏移量通常表示基板不一定垂直于噴槍。

2.3.4 不均勻性

最后的性能參數(shù)是不均勻性。無論是盡可能得到均勻涂層，還是基于應(yīng)用得到完全相反涂層，量化不均勻性都是至關(guān)重要。根據(jù)涂層厚度直方圖量化參數(shù)，如圖 10 所示。

圖 10- 涂層厚度直方圖

為了生成涂層厚度直方圖，將所有涂層值收集到指定數(shù)量的bin中，如圖10所示，使用了20個(gè)bin。因此，每條柱子表示在bin范圍內(nèi)包含厚度值的像素的數(shù)量。利用該直方圖中最大計(jì)數(shù)數(shù)、N max 以及對(duì)應(yīng)的bin D max 的平均厚度值定義不均勻性，如式 (7)所示。

因此，不均勻性是某種形式的標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差，其中偏差值越大，表明涂層分布較不均勻。bin i 、N i 中計(jì)數(shù)數(shù)的權(quán)重(按最大計(jì)數(shù)數(shù))可確保與最大計(jì)數(shù)厚度有較大偏差的少量像素不會(huì)支配不均勻值。

3. 結(jié)果與驗(yàn)證

如圖 11 所示，在方框圖中可以觀察到 ACT 與電壓的變化關(guān)系。框圖的數(shù)據(jù)由三個(gè)基板的數(shù)據(jù)組成，每個(gè)基板測(cè)有三個(gè)測(cè)量值，因此共進(jìn)行了 9 次測(cè)量，如第 2.1 節(jié)所述。ACT值呈緩慢增長趨勢(shì)，在電壓約為29 kV 的恒定值時(shí)使用噴槍。

圖 11- 平均涂層厚度與電壓變化曲線和厚度等值線關(guān)系。底部特征區(qū)域標(biāo)記為 A) 上邊緣薄帶, B) 中心厚帶, C) 底部厚層, D) 極薄角落, E) 中心擴(kuò)散帶.

即使ACT在高壓下趨于穩(wěn)定，但中值的厚度輪廓等值線(框線圖中的紅線)明顯不同。將 24 kV 與 52 kV 輪廓線進(jìn)行比較可以看出，在前一種情況下可以看到中心帶 (B) 和底部邊緣帶 (C) 處的涂層厚度較高，基板的上邊緣帶 (A) 的涂層厚度較低，而在中心擴(kuò)散帶(E)將較低涂層厚度區(qū)域限制在角落(D) 上，從而產(chǎn)生更均勻的涂層。這也可以通過圖12中的不均勻圖進(jìn)行定量驗(yàn)證。從圖中可以看出，在10kV的最低電壓下，不均勻性處于低值，在24kV左右不均勻性升到峰值，然后在最高兩個(gè)電壓時(shí)達(dá)到最低值，這與中值情況下描述的厚度輪廓一致。

考慮10kv、24kv和52kv三種情況下涂層厚度的直方圖，可以解釋最低和最高電壓不均勻性處于同一水平的現(xiàn)象，如圖13所示。

圖 12- 電壓變化曲線和厚度等值線的不均勻性

圖 13- 在特定電壓下涂層厚度分布的直方圖

在電壓為10kv情況下，單個(gè)“bin”的像素較多，表明不均勻性較低。事實(shí)上，這種情況下的不均勻性比52 kv要低。但是，與最高“count”相關(guān)的涂層厚度值較小，因此 10 kv與最高“count”的偏差相對(duì)較大。而在52kV的情況下這種偏差很小，因?yàn)檩^大的涂層厚度與最高“count”有關(guān)，導(dǎo)致出現(xiàn)類似的不均勻值。對(duì)于中壓情況，從直方圖中也可以看出，涂層厚度值分布較大，計(jì)數(shù)較大，兩者的結(jié)合導(dǎo)致了不均勻性的峰值。

圖14描述了基板上的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)的中心偏移量。列坐標(biāo)的負(fù)值表示RHCT的中心位于基板中心左側(cè)，列坐標(biāo)負(fù)值表示位于基板中心下方?？梢钥闯隽凶鴺?biāo)的中值均為正，但趨勢(shì)不明顯，行坐標(biāo)的中值均為負(fù)，電壓越大越接近板心。

列坐標(biāo)的三個(gè)選定情況，即圖 14 左側(cè)的 18、35、52 kV，在18 kV 處列坐標(biāo)幾乎與基板中心對(duì)齊，然后在 35 kV 處比在 52 kV 時(shí)偏移更多。在右側(cè)，同樣可以看到行坐標(biāo)在隨著電壓的增加越接近基板中心，電壓從 20 到 29 和 48 kV，這反映在行坐標(biāo)中心偏移圖中。需要注意的是，特別是在中壓下，板底邊緣通常有一個(gè)厚的涂層區(qū)域 (參見圖 11 中的 C 區(qū)域)，將 RHCT 中心推向底部，在 20 kV 的情況下最為明顯。

中心偏移量還可以提供與涂裝工藝相關(guān)的重要信息。在圖14中，觀察到列坐標(biāo)的中心偏移以及范圍框的大部分都位于正值范圍內(nèi)，這意味著偏移量系統(tǒng)地朝向基板中心的右側(cè)，否則，范圍框?qū)浦?。

圖 14- 列坐標(biāo)和行坐標(biāo)的中心偏移量隨電壓的變化。

造成這種系統(tǒng)效應(yīng)的原因可能是在這種情況下的通風(fēng)。在考慮行坐標(biāo)的偏移時(shí)，除了10kV的極低電壓外，所有偏移量都低于基板中心，增加電壓進(jìn)行接近。這與預(yù)期一致，因?yàn)檫@里的系統(tǒng)效應(yīng)是重力，其效果下降，因?yàn)殪o電力成為主導(dǎo)地位，由于采用更高的電壓將RHCT的中心推向基板中心。

4. 摘要和結(jié)論

本文是基于CoatMaster的先進(jìn)熱光學(xué)技術(shù)收集涂層厚度數(shù)據(jù)，介紹了收集和處理粉末涂裝工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過濾過程。本次研究的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是量化涂層質(zhì)量的性能參數(shù)。這三個(gè)方面構(gòu)成了一個(gè)廣泛的數(shù)值求解器驗(yàn)證的基礎(chǔ)，從而成為優(yōu)化工藝參數(shù)的關(guān)鍵因素;電壓、流量和基板相對(duì)于噴槍的幾何方向，根據(jù)平均涂層厚度和不均勻性給出性能標(biāo)準(zhǔn)。

在本研究中，得到了性能參數(shù)的重要性及其相互關(guān)系。為此，人們可能傾向于僅通過 ACT 值來評(píng)估涂層的質(zhì)量，這將導(dǎo)致以下結(jié)論:高于約 29 kV電壓(達(dá)到圖 11 所示的極限值)，不會(huì)影響涂層的質(zhì)量。但考慮到涂層的不均勻性，這一結(jié)論是錯(cuò)誤的。如圖 12 所示，只有在施加最高的兩個(gè)電壓時(shí)，涂層才會(huì)變得均勻。

因此，在評(píng)估涂層工藝質(zhì)量時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮涂層的均勻性。當(dāng)ACT值幾乎相同時(shí)涂層的均勻性可能會(huì)有很大的不同。從圖11和圖12所示的ACT和不均勻性對(duì)電壓的關(guān)系圖中，可以根據(jù)應(yīng)用推斷出理想的電壓范圍。例如，要求得到均勻薄涂層的工藝應(yīng)保持在10-14kv左右的低壓值，而電壓值在24kv以上會(huì)產(chǎn)生薄涂層，并且在基板的中間出現(xiàn)更厚涂層。在29-40kV范圍內(nèi)可以得到相同的分布，但與較大的ACT值有關(guān)，之后涂層會(huì)隨著電壓的增加而變得更加均勻。

另一個(gè)性能參數(shù)，即RHCT的中心偏移，將針對(duì)涂層厚度的對(duì)稱性提供參考，并可能是系統(tǒng)次級(jí)效應(yīng)的指標(biāo)。在這項(xiàng)研究中針對(duì)基板，由于評(píng)估該參數(shù)導(dǎo)致了對(duì)稱的系統(tǒng)偏差，其中基板的左側(cè)比右側(cè)涂層涂層更薄。這很可能是由于通風(fēng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的氣流。此外，這參數(shù)間接有力表明靜電力與重力哪個(gè)要強(qiáng)，因?yàn)槌蚧宓撞康钠屏吭酱?，表明靜電力越弱。這是一個(gè)調(diào)整基板和噴槍較佳距離的重要參數(shù)。

本文所述的基板過濾方法適用于Coatmaster 測(cè)量任何復(fù)雜形狀的零部件，該測(cè)量方法提供了二維的數(shù)據(jù)集。

為了概括在實(shí)踐中經(jīng)常遇到復(fù)雜形狀的方法，需要擴(kuò)展該過程來處理可能位于特定基板凹部的噪聲數(shù)據(jù)。常見的圖像處理技術(shù)，如中值濾波和高斯濾波將作為下一步進(jìn)行深入研究。