一种激光辐照扫描方式制备图案化涂层的方法技术

一种激光辐照扫描方式制备图案化涂层的方法属于材料制备领域。本发明专利技术具有绿色环保、操作方便，可以进行远距离非接触加工、易操作、可以通过掩膜或激光扫描路径设计获得面积可控的图案化涂层等特点。本发明专利技术包括具有可见指示光的连续型光纤激光器、传输光纤、辐照加工头、可编程控制在X、Y方向以选定速度移动的机器人、柱面镜、工作台、具有滤波单元的实时监控系统、控制系统单元。通过编程控制机器人的扫描路径，使用连续型光纤激光器在不同工艺参数下对涂料进行扫描辐照来制备涂层。该方法操作简单方便，无需任何额外工艺辅助，系统维护成本极低。有望取代原有烘烤固化工艺，在工业生产流水线上推广引用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种连续型光纤激光辐照扫描方式制备涂层的方法，属于材料制备领域。
技术介绍
涂层是一种把涂料采取刷、淋、浸、喷等施工方法，经过固化，在物体表面形成的一层牢固均匀覆盖的薄膜。其主要对物体起保护作用、装饰作用、标识作用和其他各方面的特殊作用。在社会生活中，我们接触到的各类生产和生活用具、设备大多是由各类金属制造而成的，而金属材料会受到环境中腐蚀性介质、水分和空气中氧的侵蚀和腐蚀，尤其许多工作在特殊环境中的工程机械比如海洋，更容易受到腐蚀。《中国腐蚀调查报告》的数据表明，我国年度金属腐蚀损失为5000亿元，这还仅仅是重大工程项目的不完全统计，腐蚀过程和结果造成了资源的极大浪费并使自然环境污染加重。而涂层保护非常简便有效，不管是一般领域还是重大工程建设场所，涂层保护都是重要而最有效的防腐蚀方法。像我国现行的“西气东输”天然气项目的埋地管道建设，就是采用了三层聚乙烯涂层和阴极保护联合的保护技术。除此之外，涂层还具有一些力学、电磁学、光学、生物、化学和热功能等特殊功能，如耐磨涂层、润滑涂层、耐火涂层、防污涂层等。传统的涂层固化成膜的方法分自然干燥固化，烘烤炉烘烤固化以及辐射固化。自然干燥在工业应用中较少，主要是一些美观、标志作用涂层的固化方式，如油漆。而辐射固化因设备投资大、安全管理严格，使用极少。所以当前工业生产流水线上应用的主要固化工艺是烘烘烤炉烘烤固化工艺。但烘烤固化工艺有诸多缺点，限制了涂层的更广泛应用，如不能进行超大件、结构复杂件的涂层制备、在原有涂层损坏脱落情况下无法便捷修复甚至无法修复、无法制备特殊形状涂层、器件在炉内易碰撞致伤。且烘烤炉热源有电、轻柴油、天然气、液化石油气，造成严重的资源浪费。所以，研宄开发新的方法对涂层进行制备固化具有重大的社会和经济意义。激光具有表面加热的一些独特性质，激光束的电磁辐射在不透明材料中，如金属表面的几个原子层内被吸收，在表面并不伴有热气喷射、涡流，而在光学定义的束区之外有辐射溢出。实际上，作用的能量能准确地辐射到仅仅需要的表面。因此，激光是一种实用的、可靠地表面热源和表面工程的独特工具，所以激光可以对金属以及金属氧化物涂层进行熔覆制备。同时一些材料在激光高能光子流的辐照下，许多大分子链被打断产生自由基，这些自由基是沿着入射光子流的轨迹成群团产生的，该群团内的自由基还会再结合，使生成的自由基在分子内和分子间迀移从而有相互结合的机会，发生交联反应。所以激光也可以对高分子材料涂层进行制备。而且交联后的大分子链克服了原来材料链与链之间缺乏紧密结合力使得整个材料在经受外力及环境温度影响时产生变形或发生破坏等缺点。使交联固化后材料具有超耐候性、耐腐蚀性和优越的自清洁性等一系列优异的性能，从而制备出涂层的同时使得涂层具备一些特殊功能。同时，通过控制激光扫描路径，可以制备出图案化的图层，增加了这种方法的应用范围。柱面镜是非球面透镜中常见的一种，其与子午、弧矢截面的交线分别为两圆弧的交线与两平行的直线，两截面成像性质若分别用球面系统来描述，则一个截面有光焦度，而另一截面是无光焦度的，当一平行激光束通过柱面镜时，可以使焦点沿一个方向拉开成一条线，即把一个点光斑转换成一条线斑。柱面镜的这一特性在激光加工中可以应用，因为对于圆形光斑的激光抽运，能够获得沿长度方向比较均匀的线聚焦，并且使激光具有很高的能量利用率。其原理见图1，圆形光束经过柱面镜后在Y方向聚焦，使原来的圆形光斑转变为X方向的线光斑。实际应用中，我们根据激光光斑大小以及加工头尺寸选择柱面镜的尺寸大小，根据加工头与被加工器件的距离确定柱面镜的焦距。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用连续型光纤激光通过辐照扫描方式来制备图案化涂层，提供一种新型高效绿色环保的制备方法。为了达到上述目的，我们将通过以下技术方案，装置包括:具有可见指示光的连续新光纤激光器1、传输光纤2、辐照加工头3、可编程控制在X、Y方向以选定速度移动的机器人4、柱面镜5、工作台6、具有滤波单元的实时监控系统7、控制系统单元8，并按照图1顺序放置。该方法包括以下步骤:(I)机器人程序初始化，使得加工起始位置回到机器人物理坐标原点。同时，根据所制备涂层的大小、形状设置编辑对应的机床扫描运行控制程序，包括扫描速度、扫描路径间距。(2)将需要制备的已经喷涂涂料的器件放置在于工台上，并利用可见指示光，变动被加工器件的位置，使得激光光束位于需要辐照加工的部位。(3)通过控制系统单元，设定连续型光纤激光器的输出功率及出光时间，而后对预加工器件进行辐照扫描加工来完成涂层的制备。激光光束经过传输光纤通过柱面镜后，将原来的点光斑转换成一条线光斑，增加单次扫描面积，方便大面积涂层制备。通过具有滤波单元的实时监控系统，滤去加工过程中所产生的各种影响观测效果的光波，而后观察所制备涂层的状态，直至制备出所需求形状的涂层后停止扫描辐照。扫描过程中，根据不同的涂料设置不同的扫描参数，包括输出功率、扫描速度、扫描间距。与当前工业生产流水线上用的烘烤炉烘烤固化工艺相比，本专利技术的有益效果是:1.可以通过控制扫描路径，可以辐照制备出图案化的图层。2.可以对一些器件涂层脱落部位进行快速便捷修复，尤其是对大型工程机械涂层修复具有重要意义。3.突破了烘烤炉对器件大小结构的限制，对超大件和结构复杂件同样可以进行涂层涂覆制备。4.此制备方法绿色环保、维护成本低，不需要烘烤炉那样需要煤、轻柴油、天然气等不可再生资源作为热源能量。【附图说明】:图1是柱面镜示意图。图2为装置示意图。图3是实施例图案一。图4是实施例图案二。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步说明:将需要制备涂层的器件放置于工作台上，并根据可见指示光进行位置调整，使得可见光处在需要制备涂层的部位。而后利用控制系统单元根据制备涂层的图案编程设置激光扫描路径、扫描速度和扫描间距，对器件涂料喷涂部位进行扫描辐照制备。扫描制备过程中，激光经传输光纤进入固定于扫描加工头的柱面镜，原来的点光斑转换成一条线斑，这样增加了激光单次扫描辐照所制备涂层的面积，方便于大面积涂层制备。通过具有滤波单元的实时监控系统，滤去加工过程中所产生的各种影响观测效果的光波，而后观察整个制备过程的状态，直至涂层制备完毕停止扫描辐照。实施例1对聚PTFE (聚四氟乙烯)涂层的激光扫描辐照制备(I)初始化机器人，使机器人臂复位到机械原点。将喷涂了 PTFE涂料的长方形钢基板放置在工作台上，同时，根据可见指示光调整基板位置，使得指示光位于长方形基板边角处。(2)通过控制系统根据所要制备涂层的图案设置激光扫描路径、扫描速度及扫描间距。本例设置了两种图案，一种将整个基板的涂料中间部位制备成涂层，另一种以长方形基板对角线为分界制备涂层。其中，柱面镜尺寸为300*200mm，焦距50mm，扫描速度0.5mm/s，扫描间距0.5mm。(3)设定连续型光纤激光器的输出功率为48W，然后开始对钢基板进行辐照扫描通过实时滤波监控系统进行观察，当涂层制备完毕后，关闭激光器激光输出。制备出两种图案化涂层如图3所示，此时设定的激光输出功率密度约为5.3ff/mm2实施例2对PFA(聚全氟代烷氧基聚合物)涂层的激光扫描辐照制备(I)初始化机器人，是机器人臂复位到机械原点。将喷涂了 P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光辐照扫描方式制备图案化涂层的方法，其特征在于，应用如下装置，该装置包括：具有可见指示光的连续型光纤激光器、传输光纤、辐照加工头可编程控制在X、Y方向以选定速度移动的机器人、柱面镜、工作台、具有滤波单元的实时监控系统、控制系统单元；包括以下步骤：1)通过控制系统单元(8)对机器人(4)程序初始化，使得辐照扫描加工起始位置回到机器人物理坐标原点。同时根据预制备涂层形状、大小编辑设置机器人扫描程序，包括扫描速度、扫描间距2)将需要制备的已经喷涂涂料的器件放置在于工作台(6)上，并利用可见指示光，变动被加工器件的位置，使得激光光束位于需要辐照加工的部位；3)通过控制系统单元(8)，设定连续型光纤激光器(1)的输出功率及出光时间，而后对预加工器件进行辐照扫描加工来完成涂层的制备。激光光束经过传输光纤(2)通过柱面镜(5)后，将原来的点光斑转换成一条线光斑，增加单次扫描面积，方便大面积涂层制备。通过具有滤波单元的实时监控系统(7)，滤去加工过程中所产生的各种影响观测效果的光波，而后观察所制备涂层的状态，直至制备出所需求形状的涂层后停止扫描辐照。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：季凌飞，崔炳，王文豪，闫胤洲，蒋毅坚，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11