レーザ粉体塗装とは？

レーザ粉体塗装硬化とは？

レーザ硬化は、近赤外線レーザを使用して、部品表面に静電塗布された粉体塗料粒子を急速にゲル化させ、硬化させます。溶融した粒子は架橋と呼ばれるプロセスで化学反応し、一般的に塗料よりも厚く、硬く、耐久性に優れた塗膜を形成します。粉体塗料をレーザで硬化させることで、滑らかな質感、細かい質感、ざらざらした質感、川筋、しわ、混合されたメタリック、結合されたメタリックなど、一般的な粉体塗料の様々な仕上げが可能になります。 

従来、粉体塗料は対流加熱や赤外線ランプを利用した工業用オーブンで硬化されてきた。レーザプロセスは、主に2つの点でこれらの従来の方法と大きく異なります。第一に、レーザ硬化は、部品全体とオーブン環境を一括加熱するのではなく、照射された部分のみを選択的に加熱します。これにより、エネルギー効率が大幅に改善される。第二に、加熱プロセス自体が本質的に効率的であるため、必要な硬化時間が劇的に短縮される。工業用粉体塗装の場合、これはプロセスのスループットを劇的に向上させます。

レーザ粉体塗装硬化の仕組み

レーザ硬化システムの基本構成は 比較的シンプル. 高出力ダイオード・レーザ・システムの出力ビームは、光学系によって形状が変えられ、強度も均一化された後、部品表面に投影され、選択された部分のみを加熱する。 

レーザ切断（左）のようなレーザアプリケーションの大半は、レーザエネルギーを小さなスポットに集中させる。 レーザ硬化（右）の場合、 特殊な光学系により、比較的広い範囲にレーザエネルギーを照射する。

レーザ硬化に使用される広域レーザビームは、一辺が数インチの小さな領域から、幅と直径が数フィートの大きな領域までカバーできるように、形状とサイズをカスタマイズすることができる。ビーム構成によっては、単一の部品だけでなく、複数の部品のバッチを同時に照射することもできる。追加のレーザ光源を使用して、さらに広い範囲を照射することも可能です。 

より大きな部品や曲面の多い部品には、レーザ投影光学系をロボットアームに搭載する方法もある。これにより、ビームは部品の表面上を移動し、角度を変えながら粉体塗装を硬化させることができる。  

レーザ硬化では、高出力ダイオードレーザシステムが使用される。第一に、その出力は、均一な強度分布を持つ矩形ビーム（他のビーム形状を含む）に容易に変換できる。これは、他の多くのレーザで生成される、鋭く集光された丸いガウシアン強度プロファイルのビームでは達成が困難です。  

次に、ダイオードレーザシステムは、あらゆるレーザタイプの中で最も高い電気効率を提供します。さらに、ダイオードレーザが発する近赤外波長の光は、コーティング表面の数ミクロン下まで浸透します。この体積加熱により、パウダーコート層にエネルギーが迅速に伝達され、硬化プロセスが高速化される一方で、下地の加熱に無駄なエネルギーはほとんどかかりません。ダイオードレーザプロセスは、バルク部品の加熱を避けるため、冷却時間が大幅に短縮され、温度に敏感な材料のコーティングを硬化させることができます。  

レーザ粉体塗装硬化の利点

レーザ硬化は、旧来の方法の限界を克服し、高品質な結果をより早く、より低コストで提供する革新的な技術です。パウダーコートのレーザ硬化の主な利点は以下の通りです： 

スピード 近赤外ダイオードレーザは、高速で局所的な加熱を行い、わずか数分で粉体塗料を硬化させます。コーティングがゲル化すると、下地の材料は急速に冷却されます。これに比べ、従来のオーブンは、部品全体を均一に加熱し、粉体塗装を硬化させ、その後冷却するのに、数十分を要します。

エネルギー効率：レーザダイオード光源は電気効率が高く、実質的にすべてのエネルギーがターゲット領域に照射されます。レーザ光は選択的かつ効率的に粉末を加熱するため、部品を加熱するエネルギーの無駄が少なく、オーブン環境を加熱するエネルギーも実質的に不要です。

廃熱なし： レーザ硬化システムは「コールド」オーブンであり、事実上、周囲空間に廃熱を放射しないため、設備の温度制御システムに対する要求が軽減される。

最小限の熱応力：レーザ粉体塗装硬化は、プラスチックや木材のような熱に弱い素材や、薄い金属の特徴を持つ繊細な部品に適しています。

プロセス制御：常温運転により、サーマルカメラのようなオンボード計測機器を使用して、コーティング温度をプラスマイナス1℃まで正確に制御することができる。

敏捷性： レーザオーブンはほぼ瞬時にスタート/ストップできるため、アイドル時間やウォームアップ時間が不要です。さらに、レーザオーブンが加熱してコーティング表面温度を監視するため、対象部品の質量はコーティング特性にほとんど影響しません。従来のキュアオーブンでは、欠陥や品質問題のリスクなしに、質量の小さい部品を質量の大きい部品の横に直接キュアすることはできません。

小さなフットプリント：レーザ・キュアリング・システムはコンパクトで、加工するパーツの面積以上の床面積を占有することはない。さらに、プロセス自体が連続的なパーツフローに対応しているため、全体的な床面積の要件を最小限に抑え、生産スループットを最大化することができます。

低所有コスト：エネルギー消費量の削減、排熱（周囲の生産環境を暖める）の排除、メンテナンス費用の大幅削減により、運転コストを削減。

低カーボンフットプリント： 固有の電気効率、装置から放射される廃熱の排除、消耗品の欠如の組み合わせはすべて、レーザ硬化をより環境に優しく持続可能なプロセスにしている。

レーザキュアと対流炉の比較

対流炉は基本的に、家庭用の対流式オーブンを工業用にスケールアップしたものである。部品をオーブンに入れ、通常はガスバーナー、場合によっては電気ヒーターで空気を加熱する。空気をオーブン室全体に循環させ、部品を均一に加熱する。硬化温度は通常、325°Fから400°Fの範囲である。 -ただし、基板温度をこの範囲にするために、オーブンをもっと高く設定することもできる。 -部品は通常10～20分間焼成され、完全に硬化する。

対流炉の明らかな欠点はエネルギー効率の悪さである。対流式粉体塗装炉は、炉本体だけでなく大量の空気を加熱するため、粉体塗装部分だけでなく部品全体の温度を上げなければなりません。対流式粉体塗装炉はシフトの合間にはアイドリング状態になることが多く、許容閾値以下に冷却しないように24時間365日稼働することもある。これはすべて時間とエネルギーの浪費であり、二酸化炭素排出量も多くなる。対流式粉体塗装炉はまた、比較的大きな生産床面積を占める。

レーザキュアと赤外線オーブンの比較

赤外線オーブンは、対流に頼ることなく直接エネルギーを伝達する輻射加熱によって、部品の表面にエネルギーを供給する。石英ランプ、セラミックエミッター、タングステンフィラメントなど、さまざまな光源を使って赤外線を発生させます。また、ガス触媒を用いたものもある。ガスやプロパンガスが特殊なエミッターの表面で触媒反応を起こし、直火を使わずに赤外線を発生させます。

赤外線加熱は対流加熱よりもはるかに速く、エネルギー効率が高い。ダイオード・レーザと従来の赤外線光源は、電気-光変換効率が同等です。しかし、従来の赤外線硬化はレーザ硬化と類似点があるものの、非レーザ光源は全体的にはるかに効率が低い。

その理由の一つは、レーザ以外の赤外線ヒーターは広帯域の放射を発するからです。この出力の大部分は粉体塗料にうまく吸収されないため、硬化プロセスには直接寄与しません。さらに、赤外線ヒーターはあらゆる方向に放射します。その結果、出力の多くは部品に届かず、オーブンチャンバーを加熱するだけです。この加熱により その場でのプロセスのモニタリングは不可能です。

対照的に、ダイオードレーザ・キュアリングシステムは、狭い範囲の赤外波長を高度に指向性のあるビームで照射する。その結果、光がパウダーコーティング粒子に吸収される割合が非常に高くなり、硬化プロセスに直接貢献します。さらに、レーザ光の強度は、代替の赤外線光源が生成できる光量をはるかに上回り、より速い硬化を可能にします。

レーザ粉体塗装の硬化はどのように行われるのか？

レーザ硬化は、あらゆる種類の粉体塗料や基材に適合するため、幅広い応用が可能です。一般的な用途

• ホイール、シャシー部品、アンダーボディ部品など、自動車部品の耐食性を高める。

• 航空機部品の耐久性を向上させ、過酷な条件から保護する。 

• 冷蔵庫、洗濯機、オーブン、屋外家具などの消費財に、強靭で美しい仕上げを施す。  

• 窓枠や手すりなどの建築部材の耐候性向上 

• 産業機械、工具、エンクロージャを摩耗や過酷な環境から保護

• 産業機器の金属ケーシング、エンクロージャー、コネクターに電気絶縁と保護を提供

• 病院設備や医療器具に生体適合性と抗菌性のあるコーティングを施す

どのような産業でレーザ治療が使われているか？

粉体塗装は、自動車製造から医療機器製造まで、幅広く採用されている技術である。主な産業は以下の通り：

• 自動車

• 農業機械

• 航空宇宙

• 家電製品

• 建築・建設

• 家具

• 産業機器

• エレクトロニクス

• 医療機器

レーザ粉体塗装を始める

多くのアプリケーションやメーカーがレーザ硬化ソリューションの恩恵を受けることができます。IPGは、粉体塗装硬化用のレーザ加熱源だけでなく、レーザ硬化R&Dワークステーションや モジュール式レーザ硬化システム一式も提供しています。

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