生態(tài)環(huán)保型涂膜器，提高制備涂膜的通量

　　3D打印技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)涂膜刮涂的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)是要具有始終如一的可重復(fù)性。金屬涂膜器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)清潔問(wèn)題，尤其是水性涂料，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化涂膜。通過(guò)采用3D打印技術(shù)，研發(fā)出一種自動(dòng)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(shù)脂和涂料通常使用不同的涂膜器進(jìn)行涂膜，如：Bird（單面銳型）、Baker（四面圓型）、Doctor Blade（間隙）涂膜器、刮涂機(jī)和線(xiàn)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(jiàn)圖1）。

　　涂膜均勻是關(guān)鍵，使用手動(dòng)涂膜器進(jìn)行涂膜時(shí)，涂布速度和施加的壓力變化是不可避免的。這會(huì)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(dǎo)致一些制膜失敗。如果溢料進(jìn)入涂膜器側(cè)面，就會(huì)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(shè)想，避免膜厚出現(xiàn)偏差，例如：采用Byko drive或Sheen自動(dòng)涂布機(jī)。這兩種設(shè)備均采用每次涂裝后均需使用溶劑或混合溶劑進(jìn)行清潔的金屬線(xiàn)棒和/或涂膜器，這不僅耗時(shí)，由于溶劑用量多，還對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

　　要研發(fā)一種簡(jiǎn)單的、一次性的、無(wú)污染的、快速的、可自動(dòng)化和可復(fù)制的涂膜器，需要一次性3D打印涂膜器，同時(shí)還要開(kāi)發(fā)3D打印支架（“托架”）、支撐彈簧墊和易于操作的機(jī)器人手臂的移動(dòng)（壓力恒定和移動(dòng)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(fù)性和可靠性，可集成到機(jī)器人系統(tǒng)中，提高工作通量。

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

　　機(jī)器人系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)涂膜工藝的自動(dòng)化

　　有幾種涂膜器用于樹(shù)脂和涂料。ASTM標(biāo)準(zhǔn)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(duì)于邊緣尖銳的涂膜器（Bird或刮刀，圖1），理論膜厚約等于實(shí)際膜厚。圓形涂膜器（Baker），實(shí)際膜厚約為理論膜厚的2/3，對(duì)于平滑的涂膜器（間隙），實(shí)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(shè)計(jì)， 由3D打印技術(shù)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(shè)計(jì)圖

　　本研究中，采用聚乳酸（PLA），一種市售的再生聚合物，通過(guò)3D打印技術(shù)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(duì)材料的耐化學(xué)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(guān)鍵因素是要確保與樹(shù)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(yīng)十分均勻，而且準(zhǔn)確。

　　該研發(fā)項(xiàng)目經(jīng)多次調(diào)整，最終通過(guò)采用機(jī)器人系統(tǒng)達(dá)到涂膜工藝的自動(dòng)化。該設(shè)備有兩個(gè)XYZ活動(dòng)手臂：多吸嘴自動(dòng)XYZ液體處理系統(tǒng)和XYZ夾持器，用來(lái)移動(dòng)功能表面周?chē)奈矬w。吸嘴處理器可以從涂料儲(chǔ)存平臺(tái)中將所需涂料量在涂膜器前或內(nèi)部進(jìn)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(dòng)涂膜器。調(diào)整機(jī)器人接口，使其能將涂料涂布制膜，該涂膜器是通過(guò)3D打印機(jī)研發(fā)打印出來(lái)的。本文中，介紹了可再生涂膜器，機(jī)器人系統(tǒng)中自制的3D打印托架以及支撐彈簧墊的開(kāi)發(fā)。

　　試驗(yàn)設(shè)備和實(shí)際條件

　　首先，研發(fā)一種基本設(shè)計(jì)，根據(jù)圖1中所示的3種類(lèi)型來(lái)打印涂膜器。Baker涂膜器經(jīng)證明是打印最好的選擇，然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。選用聚乳酸（PLA）是由于其強(qiáng)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(qiáng)涂膜器內(nèi)部的填充密度、涂膜器實(shí)際表面的外殼數(shù)量、頂部和底部的厚度、控制恰當(dāng)?shù)膴A層熔融風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)，以及涂膜器的水平或垂直打印方向。3D打印機(jī)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(xì)絲直徑：1.75mm，噴嘴直徑：0.4mm，一個(gè)擠出機(jī)，無(wú)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(cè)試了在涂料和樹(shù)脂涂膜過(guò)程中的可重復(fù)性、可用性和再現(xiàn)性（見(jiàn)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(lèi)型），分別將水性和溶劑型純樹(shù)脂和清漆以及不透明涂料進(jìn)行涂布，檢測(cè)得到的涂膜：與人工刮涂的涂膜對(duì)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(dòng)造成）和光澤。

　　縱向打印涂膜器具有較大優(yōu)勢(shì)

　　由于在打印過(guò)程中容易出現(xiàn)不規(guī)則的打印（尖銳邊緣）和表面的精準(zhǔn)度（平坦邊緣）問(wèn)題，所以沒(méi)有對(duì)尖銳和平坦邊緣的涂膜器進(jìn)行測(cè)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(fù)性。工藝的關(guān)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(shì)：

　　1.具有打印80件的能力

　　2.在一臺(tái)單獨(dú)的涂膜器中以及80臺(tái)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(tái)3D打印的涂膜器。

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

　　對(duì)3D打印機(jī)參數(shù)優(yōu)化后，不僅可以進(jìn)行垂直打印，避免出現(xiàn)不規(guī)則表面，還可以在兩個(gè)涂膜器之間用細(xì)絲互相連接，在Z方向上的臨界面具有更好的準(zhǔn)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(gè)大小合適的嵌體或入口，以使夾具能反復(fù)、輕柔、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)使用盡可能多的涂膜器，3D打印完成后，可輕易從平臺(tái)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(cè)量，取4個(gè)位置的平均值。在特定系列檢測(cè)中，繪制X和Y方向上膜厚差異來(lái)確認(rèn)均勻性。

　　為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從同一批次中隨機(jī)選定25個(gè)涂膜器，對(duì)其間隙進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如合并標(biāo)準(zhǔn)偏差（在涂膜器底部、中部和頂部測(cè)量）的常規(guī)控制圖所示。涂膜器的預(yù)定滑動(dòng)尺寸為120µm，見(jiàn)圖3。根據(jù)對(duì)滑動(dòng)尺寸的分析，涂膜器的滑動(dòng)尺寸平均值為119µm，合并標(biāo)準(zhǔn)偏差為24µm?？梢杂糜谕磕ず蜏y(cè)試。

圖3 在25臺(tái)120 µm厚度的涂膜器底部（ o）、 中部（□）和頂部（∆） 測(cè)得的間隙尺寸的合并標(biāo)準(zhǔn)差常規(guī)控制圖。 在3D打印出來(lái)的涂膜器中可見(jiàn)到只有兩個(gè)離群值（紅色）， 隨機(jī)分布在打印層上。

　　托架的設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化機(jī)器人的性能

　　為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化涂膜，在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)了一種所謂的托架，可用來(lái)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(shù)脂。一個(gè)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(shè)計(jì)要使機(jī)器人手臂（如圖4a所示）能夠抓住支架，從而可將其繞著自動(dòng)接口的功能面移動(dòng)。圖4b顯示了機(jī)器人手臂的夾持器同時(shí)適用于托架和涂膜器。在最終的設(shè)計(jì)中，采用碼堆9個(gè)托架的方式，一次可完成36種涂料的自動(dòng)涂膜。

圖4a 涂料灌注和涂膜制備同步機(jī)器人， 用于溶劑型涂料和水性涂料的自動(dòng)涂膜

　　還設(shè)計(jì)了一種單獨(dú)的托架，用3D打印制備，它可以容納36個(gè)涂膜器。在研發(fā)托架（基材固定架）過(guò)程中，還為尺寸較小的Q試板（用于耐候性和耐UV的測(cè)試中）研發(fā)了一種通用型支架，作為嵌體使用。為托架設(shè)計(jì)小型插口，為所涂布的涂層提供足夠的空間，可實(shí)現(xiàn)最佳干燥，且有利于碼堆復(fù)制的試板。此外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)很小的圓形插口，中間放一根塑料管（見(jiàn)圖4b中的藍(lán)色箭頭），以便緊固托架中的涂布試板，從而防止在涂布和機(jī)器人手臂移動(dòng)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(duì)涂膜所需表面的良好適應(yīng)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(shè)計(jì)、 采用特殊的同步夾持器適配器設(shè)計(jì)的3D打?。ㄒ?jiàn)文中關(guān)于箭頭的解釋?zhuān)?/p>

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(dòng)涂膜時(shí)，恒定的壓力是確保自動(dòng)涂布具有可重復(fù)性的關(guān)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(fù)的壓力。圖6顯示部分3D打印的彈簧墊。它表示了自動(dòng)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(gè)涂膜過(guò)程中，產(chǎn)生相等的壓力。唯一的關(guān)鍵差異在于涂料的黏度，它會(huì)造成刮涂膜或長(zhǎng)，或短的情況。

圖 6 用于可重復(fù)涂膜研發(fā)的彈簧墊（ 具體見(jiàn)內(nèi)文）

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

　　在粗糙面（如磷化邦德板）上進(jìn)行涂膜時(shí)，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(duì)通過(guò)吸量臂提供的合適的涂料量進(jìn)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(diǎn)，對(duì)依位置的順序規(guī)定配量的順序進(jìn)行了優(yōu)化，證明是最佳的^［4］。

　　使用機(jī)器人精密度更高，重復(fù)性更好

圖7 從玻璃試板的起始點(diǎn)開(kāi)始， 在相等距離的位置測(cè)量手動(dòng)涂膜的干膜厚度（ A.5個(gè)涂膜， 每一個(gè)涂膜取4次測(cè)量的平均值） 和自動(dòng)涂膜的干膜厚度（ B.4個(gè)涂膜， 每一個(gè)涂膜取4次測(cè)量的平均值）。 膜厚/µm

　　使用同種涂料進(jìn)行多次涂布涂膜具有有意的可重復(fù)性和再現(xiàn)性，如7所示。手動(dòng)涂膜與自動(dòng)涂膜相比，通常手動(dòng)涂布的膜厚變動(dòng)較大。對(duì)于自動(dòng)涂膜而言，膜厚偏差低于12µm。因此，自動(dòng)涂膜的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)較低：涂膜厚度的精度提高了一倍，如表1所示?？傮w上，使用機(jī)械人臂涂膜的可重復(fù)性?xún)?yōu)于手動(dòng)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(shí)間原因，沒(méi)有對(duì)金屬型Baker的自動(dòng)涂膜與機(jī)械式涂膜設(shè)備進(jìn)行比較，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室中不使用金屬型自動(dòng)Baker涂膜設(shè)備，除非客戶(hù)有特別要求。在其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的調(diào)查證實(shí)了使用最廣泛的涂膜是手動(dòng)Baker涂膜方法。

表1 手動(dòng)和機(jī)器人涂膜的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)

　　前期計(jì)算的結(jié)果表明，使用3D打印涂膜器同時(shí)可以提高效率和效能。具有全范圍（25~400µm）測(cè)量的涂膜器的成本為0.12~0.20歐元。估計(jì)計(jì)算的節(jié)省成本如下：效率高達(dá)80％，有效性（有效項(xiàng)目、FTE節(jié)省費(fèi)用）高達(dá)70％。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)主要是節(jié)省了操作員的時(shí)間（h）可用于進(jìn)行其他操作。其他一些涉及到經(jīng)濟(jì)成本的因素為：廢料（節(jié)約70％~80％）；折舊（相當(dāng)）；總實(shí)際操作時(shí)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(shù)脂和溶劑型樹(shù)脂，具有優(yōu)異、可靠的可重復(fù)性，為采用再生材料（如聚乳酸（PLA））制備經(jīng)濟(jì)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(dòng)接口進(jìn)行涂膜，具有更良好的重復(fù)性。使用自動(dòng)涂布時(shí)，涂膜未觀察到皺紋、細(xì)線(xiàn)或波紋。由于涂膜器為一次性使用，可實(shí)現(xiàn)無(wú)污染（污染是由涂膜器的清潔不當(dāng)造成，特別是涂布水性涂料時(shí)）的高通量涂膜，。不需要使用溶劑清洗涂膜器，碳排放更低?？墒褂貌煌脑嚢澹绮ＡШ徒饘伲≦板）。即使在不使用自動(dòng)涂膜器時(shí)，也可以在實(shí)驗(yàn)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(jì)又高效的工具，且具有很大的優(yōu)勢(shì)。

　　致謝

　　我們對(duì)Ria de Cooman和William Weaver向位于Bergen op Zoom的Nuplex公司該項(xiàng)研究提供資金支持致以深深的謝意。實(shí)際操作由Avans Hogeschool Breda的實(shí)習(xí)生Eldert Valk MSc操作完成。Peter van den Berg負(fù)責(zé)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(shù)大會(huì)）上發(fā)表。此報(bào)告在ETCC大會(huì)獲得最佳演講獎(jiǎng)。

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“3D打印機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于可使用不同材料開(kāi)發(fā)出更好的涂膜器?！?/span>

　　Aschwin van der　

　　Horst博士，

　　首席化學(xué)師，

　　分析組負(fù)責(zé)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(gè)問(wèn)題

　　研發(fā)這種3D打印的自動(dòng)涂膜器的動(dòng)機(jī)是什么？

　　研發(fā)3D打印的涂膜器的主要?jiǎng)訖C(jī)是效率和有效性。幾家涂料機(jī)器人涂裝設(shè)備的供應(yīng)商還使用了某種涂布的方式，例如：通過(guò)噴涂制膜，或用金屬涂膜器進(jìn)行涂布。在我們實(shí)驗(yàn)室中，研發(fā)這種涂膜器主要因?yàn)榇祟?lèi)設(shè)備是一種消耗品。引入家用3D打印機(jī)（在任一商店均買(mǎi)到）有助于我們制備十分廉價(jià)的涂膜器，專(zhuān)門(mén)用于我們實(shí)驗(yàn)室中目前使用的自動(dòng)接口。

　　這種涂膜器現(xiàn)在可在市場(chǎng)上買(mǎi)到嗎？

　　目前在市場(chǎng)上還買(mǎi)不到，但擁有3D打印機(jī)的任何人都可以生產(chǎn)。只需投入時(shí)間和設(shè)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(dòng)和自動(dòng)的涂膜器需要經(jīng)過(guò)2~3個(gè)月的驗(yàn)證才可使用，其重點(diǎn)在自動(dòng)接口上。從這種意義上，制造涂膜器相當(dāng)容易，但在機(jī)器人上使用需要花更多的時(shí)間和其他投入。除非，該涂膜器用于手動(dòng)涂裝（人工），實(shí)施起來(lái)速度非?？臁Ｔ贜uplex公司內(nèi)，只有一名本科生在從事該項(xiàng)目，持續(xù)了20周。在此期間，他進(jìn)行了文獻(xiàn)檢索，并對(duì)3D打印制造的涂膜器進(jìn)行了研發(fā)和驗(yàn)證。然而，這種涂膜器仍在研發(fā)之中，只要改變自動(dòng)接口的模式，就可用于其他用途。由于每次變更都需要進(jìn)行新的驗(yàn)證，因此這將需要更多時(shí)間（一到兩周左右）。3D打印機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)在于可使用不同材料研發(fā)更好的涂膜器。