虹科案例 | 光热测厚技术的工业应用

 

涂层，在我们的生产生活中处处可见，其中涂层的厚度很大程度上影响了涂层的功能，因此，许多行业对于涂层厚度都有严格的制造公差指标。这需要我们采用精准的测厚技术去检验，从而达到不断增长的质量要求，以及节省人工和材料成本的目的。
目前检测方法还主要是分为两种，无损检测和破坏性检测。无损检测例如磁性测量、涡流测量、超声波测量以及千分尺测量等；此外还有破坏性的测量法，例如横断面测量法和重量分析法等。然而目前这些方法其实都存在弊端，例如：过于依赖人工造成的测量成本增高，接触性测量导致的样品件大量损耗，破坏性测量导致的产量降低。因此，非接触式的自动化无损测厚方法对于行业而言是更加重要的，今天小编为大家介绍一种基于光热效应的测厚方法，以及虹科光热测厚方案的工业应用实例。

光热测厚的工作原理

光热涂层测量法是一种基于热波的非接触和非破坏性的油漆涂层厚度测定，其测量原理被称为光热效应。光热效应被发现至今已经有100多年的历史了，它指的是材料可以吸收光辐射并将其转化为热量的效果。

图1 光热测厚技术的工作原理光热法的测厚原理如下：首先利用调制后的激光/LED脉冲对涂层表层进行加热只是加热1°~2°(对涂层不会有任何伤害和影响)，然后产生的热量向涂层内部进行扩散。当到达涂层和基材的分界面时，热辐射会反射，从而被测量头中的传感器探测到。而这个特征时间取决于涂层的散热效率，因此，利用红外探测器探测红外热辐射（相移）的信号就可以获得涂层的厚度信息。在设备中需要一个红外光源，比如激光或者LED，其次需要一个红外传感器进行探测，这些结构都可以集成到一个单体的测量探头中。

图2 光热法测厚的探头结构这种方法由于表征涂层厚度（或其他参数）的不是信号幅度而是信号相位，即辐射热波相对于激发光波的时间偏移，因此这种测量方式对测量距离或探测角度的变化不敏感。对于曲面、粗糙表面以及干膜、湿膜，光热红外测厚技术都可以实现精准的厚度测量，而不受涂层表面状态的影响。这也是光热红外测厚方法相较于其他非接触测厚方法的最大优势，并且从原理而言适合多种基底的检测，因此可以应用于多种应用场景。

光热测厚的工业应用

光热红外技术被认为是测量有机涂层厚度的最佳测量方法，其测量精度高，测量速度快，且不受涂层表面状态的影响。虹科提供适配不同应用场景的基于光热红外技术的PS系列涂层测厚仪，广泛应用于多种行业。

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汽车涂装行业

汽车行业对于涂层厚度的质量标准要求严苛，因为涂层厚度会明显影响涂层的耐腐蚀性、耐磨性以及颜色的光泽度和纹理，因此在汽车生产和质量控制流程中都需要专业的测厚技术对涂层厚度做出检验。除此以外，整个车身的制造喷漆过程中都处于高度自动化的车间中，需要能够与机械臂集成的测厚设备，同时设备需要满足工业防爆安全区的要求，这对产品的质量和安全性提出了较高的要求。

 

虹科PS工业测厚仪（机械臂版）设计用于使用机械臂测量涂层厚度，它主要用于在线测量涂层厚度，特别是在汽车车身上。可以集成到机械臂上，每一台防爆版本的设备都会单独做符合国际标准的防爆测试，非常适合在恶劣条下测量涂装产线的涂层厚度。在汽车涂装产线应用的优势在于光热测厚仪对涂层表面状态不敏感，因此其测量角度公差可达20°，测量距离公差可达50mm，并且测厚精度可优于1um。

图4 虹科PS工业测厚仪（机械臂版）应用于汽车涂装产线实景

特别的是，汽车行业的涂层并不仅仅是一层，很多时候需要测量每一层涂层的厚度。虹科PS工业测厚仪（机械臂版）可按照实际需求配置部分或者全部检测站，不同位置的检测站测量探头均可通过网络链接，可通终端软件监控不同涂层监测站的探头所测的涂层厚度值。因此，无论是涂层的总厚度，还是每一层涂层的厚度，都可以通过虹科PS工业测厚仪（机械臂版）得到精确的测量结果。

图5 虹科PS工业涂层测厚仪（机械臂版）的多层测厚实现方案

目前，虹科PS工业涂层测厚仪（机械臂版）在国内外的大众、奔驰、宝马以及法国标致雪铁龙集团、法国雷诺汽车(Renault)、意大利菲亚特汽车公司(Fiat Chrysler Automobiles)都有广泛应用，能够实时监控涂装过程，有效检验涂装质量，确保最佳涂层厚度，有效节约涂装成本。

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汽车零部件行业

在众多大型机械中，除了直观可见的外壳涂层，实际上机械内部也遍布了众多小型的零部件。比如汽车大概由1万多个部件组成，其中80%以上的部件带有装饰性或功能性涂层，这些部件的涂层同样需要准确的测量技术去检验其厚度是否满足生产标准。然而，不同于较为平整的车身外壳，很多汽车的零部件是圆环状，具有多个曲面半径很小的面和折角，对于其内壁涂层的检测是常规技术检测的盲区。

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为了针对性解决零部件的检测难题，虹科提供基于光热红外测厚技术的工件内壁涂层检测的标准解决方案。独特的优势在于其探头出光处具有一个手指形状的偏转镜结构，能够将出射光反射 90°，从而适用于各类直径大于 18mm 的弯曲、环状、圆柱形工件的内部涂层检测，探测深度可达 44mm。

 

虹科标准版涂层测厚仪目前已成功应用于Vibracoustic（汽车减震系统），BOGE（压缩机）等零部件生产厂商，适用于生产中的零部件测量、喷砂和非喷砂的金属基材、适用于粘合剂或油漆涂层、金属工件内壁涂层检测等多场景厚度检测。

 

 

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橡胶行业

随着各类材料研究的发展，塑料、橡胶以及复合材料在工业生产中应用率显著提升，比如风电叶片由玻璃纤维制成，橡胶材料在密封行业也是应用广泛，汽车的塑料部件也是必不可少。这些材料在生产应用前，通常也需要涂敷各类功能涂层，比如防腐蚀、耐磨等，而传统的测厚方法大多针对于金属基底的涂层测厚，对于非金属基底的涂层测厚设备可选择的范围并不大。

 

 

现阶段的橡胶行业测厚技术大多仍采取传统的破坏性手段，通过切割产品的横截面与显微镜观察来判断涂层的厚度，存在大量人力成本和产品损耗的缺点。因此，多基底适配的涂层无损测厚设备对于现代的橡胶、塑料等行业来说是非常必需的。
 

光热红外测厚技术从原理而言，对基底材料的种类并无要求。然而需要注意的是，当我们使用调制后的红外光去照射涂层材料时，如果光源是高热量的激光，有可能对非金属基底造成燃烧损伤。为了避免这一潜在的危险来源，虹科提供基于LED的光热红外测厚仪——PS灯工业测厚仪，采用 650nm 的 LED 光源，对眼睛安全，可以在没有大量保护措施的情况下操作，这允许零件的最大吞吐量。并且可以在测厚过程中避免对塑料、复合材料等基底的燃烧损伤，因此特别适用于塑料、橡胶、复合材料基底的有机涂层测量。

图9 虹科PS灯涂层测厚仪

虹科PS灯涂层测厚仪具有实验室桌面版本和工业的单体版本，其中工业版本已应用于海达、萨固密的密封胶条生产厂中，可以完美替代传统的破坏性测厚方法。测厚仪能够轻松安装在工业产线中，为橡胶行业的涂层检测带来在线实时检测的高精度测量，显著节省了人力资源和材料成本。图10 虹科PS灯涂层测厚仪应用于橡胶厂

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卷材行业

金属卷材用于广泛的多元化终端市场，从汽车和运输、建筑和施工、家用电器和一般工业到电力和电气以及食品和饮料。比如彩色涂层钢(铝)板,是国际上发展速度较快的产品之一,它以冷轧钢板、镀锌钢板、铝板或其它金属板材为基板，表面进行清洗、预处理、涂漆后烘干成膜。有机涂层在这里起着美观、防腐蚀以及提升机械性能的作用。涂层的涂布采用的卷涂方法，基材在传送带上进行高速的移动，保证快速的涂布效率。而针对于此应用场景的测厚设备尽量要满足高速移动样品的在线测量需求，从而不影响生产的效率。另外，基材在移动过程中肯定会产生振动和偏移，对传统测量的准确性也有明显的负面影响。

 

光热红外测厚技术针对于卷材涂层测厚具有明显优势：首先从原理而言，因为采用相位提取厚度，抗干扰能力强，不受震动角度距离的影响，测试结果不受铝箔材厚度和粗糙度的影响。此外，使用操作步骤简单，对同样的基材和材料只要一次校准，校准信息可转移到别的设备上或别的测量位置，可自动储存测量数据。因此，移动的被测样品所带来的振动并不会影响光热测厚技术的准确性，且可测量产线上多种涂层材料。图12 虹科PS工业涂层测厚仪（速度版）应用于卷材行业实景

除此以外，为了适配卷材涂装产线的高速要求，虹科提供PS工业涂层测厚仪（速度版）。该版本采用了10.6um的CO2激光器和带集成冷却器的红外检测器，专利的“双光束技术”能够是测量头适配最高180m/min的传送带速度，对于高速传送的材料也可以快速测量得到优于1um的测厚精度，同时没有卷材变化对测量的影响，是金属卷材行业涂层测厚的标准解决方案，目前在Tata steel等钢铁公司成功应用。
 

虹科光热测厚方案

光热测厚技术具有无损无接触式、测量精度高、不受涂层表面状态影响的高稳定性等的技术优势。虹科提供基于此技术原理的PS涂层测厚方案，包括适用于非金属基底的PS灯涂层测厚仪、适用于工件内壁涂层测厚的PS标准版涂层测厚仪、适用于汽车与航空航天喷涂产线的PS工业涂层测厚仪（机械臂版），以及适配高速卷材涂层测厚的PS工业涂层测厚仪（速度版）。

经过客户数据统计得到，通过使用虹科PS系列涂层测厚仪，能够节省人工检测成本约95%，每年可为客户节约喷涂成本约30%，每年可提升喷涂标准件产量约30%，每年降低喷涂废品率约28%，为相关行业带来显著的高质量检测与低成本损耗的效果。