靜電粉末噴涂設備的發展歷程（上）
文/金浩
近年來，政府大力推進環保事業，靜電粉末噴涂技術作為噴涂領域的綠色技術，符合VOC節能減排等環保政策的要求，越來越多的受到了客戶的青睞。本文結合當前的行業狀況，對靜電粉末噴涂設備的前身，現狀和趨勢進行闡述，期望幫助讀者加深對靜電粉末噴涂技術的了解，從而能夠充分應用該技術為國家環保政策的落實，“中國制造2025”的推進添磚加瓦。
一、靜電粉末噴涂原理
1、靜電粉末噴涂
對于我們采用的靜電噴涂的方式而言：工件需要接地，即零電位，不帶電荷；粉末由靜電噴槍進行充電。從圖1可以看出，粉末被噴槍噴出并在噴槍出口區域被充電，同時被施工的工件必須在接地的狀態下。霧化的粉末顆粒在空氣動力、重力和電場力的共同作用下，異性相吸，朝工件飛去，并因為帶有負電荷而吸附在工件的表面。
圖1 靜電粉末噴涂示意圖
圖2 超級電暈環
2、超級電暈環
粉末充電的過程之后，我們可以采取一些措施來影響噴涂結果，使其往我們希望達到的噴涂品質靠攏。超級電暈環（圖2）就是這樣的一個重要部件，作用于影響噴涂效果的因素。除了一些基本的組成：工件、輸送鏈、噴槍、控制器，我們還在工件上連接了一個電流表，同時將另一個電流表連接到了超級電暈環裝置上，如圖3所示。
圖4中的紅色線條描述了在粉末噴涂進行的過程中，自由電子因為有超級電暈環的存在而被帶走，有效規避了其對工件噴涂效果的影響。標注的藍色小點則是被接地中和的自由電子。
圖3 超級電暈環工作原理圖(a)
圖4 超級電暈環工作原理圖(b)
通過測量分析，我們可以看出使用和不使用超級電暈環的區別。在同樣的施工條件下，超級電暈帶走了大量的自由電子。測得的電流值明顯的表現出了差異，甚至達到了10倍之多。原本應該會停留在工件表面的這些過多的電子占據了空間，造成邊框，橘皮等不良效應。超級電暈環的應用意義在于將大量的自由電子帶走，消除橘皮、邊緣過厚等常見的粉末噴涂瑕疵，幫助我們獲得更均勻的涂層效果。當然超級電暈環的使用也會存在一些不適用的場合，這就需要工程師幫助客戶調節來獲得最佳的噴涂結果。
靜電噴涂中還有一個普遍存在的現象，稱之為法拉第效應，即對于一個金屬籠，靜電場是無法穿透的。現實中如果存在小于90°夾角的工件，法拉第效應很大程度上就會影響該工件的上粉率。
屏蔽場會把帶電的粉末顆粒擋在外面，那么這個時候超級電暈環就能彰顯它的效力，從而大大減少飛向工件的自由電子，這意味著法拉第屏蔽的場強也相應地降低了。粉末顆粒得以進入到我們稱之為死角的位置從而取得較滿意的噴涂效果（圖5）。
圖5 法拉第效應
二、靜電粉末噴涂設備
1、噴槍
靜電粉末噴槍是靜電粉末涂裝設備中的重要組成部分，也是粉末涂裝的關鍵設備。回顧整個靜電粉末噴槍發展歷史，1967年，瑞士金馬公司研發出世界第一把靜電粉末噴槍（圖6）。當時，高壓發生器為外置式，體型比較龐大，操作性和靈活性也相對較差。1973年，瑞士金馬公司革命性地將高壓靜電發生器集成到了噴槍的內部（圖7）。
圖6 第一把金馬噴槍
這一突破性的研發，成為了靜電粉末噴涂設備發展歷史上重要的里程碑，沿用至今。
圖7 第一把內置高壓塊的金馬噴槍
前文所提到的法拉第屏蔽效應，會很大影響到復雜工件噴涂的上粉率。但是精準電流充電技術能夠通過高精度的閉環控制十分精確的設置到10μA以下，并且以0.5μA為單位進行調整，電流甚至能控制到1μA以下。該技術能夠有效地針對不同形狀的工件，設定最精確的參數，達到最高的一次性上粉率，并且還能夠有效地克服法拉第屏蔽效應，解決死角位的噴涂，同樣也保證了粉末噴涂的均勻性。
噴槍控制器方面發展至今，也取得了許多技術性的突破。20世紀90年代末，所有靜電噴槍的控制器都采用旋鈕式的控制技術，操作界面非常復雜，并且沒有程序儲存功能。隨著研發的進步，如今控制器都采用數字化的參數控制，屏幕界面采用液晶顯示器，操作方便，并且擁有255組程序儲存功能和自動檢測代碼報錯功能。
數字化閥門控制技術（圖8），其原理是通過數字化步進馬達控制針閥的進退，精準的控制壓縮空氣量的大小，達到最精確的粉末輸出量和最好的噴涂效果。
圖8 數字化閥門控制
2、粉泵
粉泵，與粉末發射器共同應用于噴涂設備。粉泵的主要作用是從大旋風/后過濾系統中回收過噴粉末，并將廢粉重新輸送回新粉添加裝置。第一代粉泵（圖9）的設計與脈沖相關，為了減少脈沖，第一代粉泵配備了2倍延遲工作腔室。目的是保持短時間穩定的出粉率，混合粉末會流經整個粉管的內徑。這種先進的設計理念已經取代了傳統的以重力為工作原理的密相粉泵技術。其優勢為容易自動清理、雙向傳輸、大粉量傳輸。
圖9 第一代粉泵
圖10 最新一代的粉泵采用的是雙腔式擠壓閥技術
最新一代的粉泵采用的是雙腔式擠壓閥技術（圖10），數字化控制，含有自動清理模式、雙向傳輸。粉末輸送能力3.5kg/min至5kg/min，最遠傳輸距離可達25m。同時設計緊湊，便于操作且維修保養十分簡便。其自動清潔模式能適用于快速換色系統，包括金屬粉末和搪瓷粉末。
在粉末傳輸方面，粉末發射器的設計也有了很大的變化。最新設計的135°角粉末發射器能夠更好地提高粉末噴涂時的霧化效果，減少粉末輸送的阻力，降低文丘里管的磨損，提高其使用壽命。
從靜電粉末噴涂最初研發至今，一直有個核心問題:“如何將粉末持續不斷且恒定地傳輸到噴槍?”粉末發射器也在不斷被改進。普通的粉末發射器提供了良好的、持續不斷的分流，粉量易于調節，易于清理，維護成本也較低。其不足之處也顯而易見:粉末傳輸能力受粉管長度影響較大，出粉量大小受文丘里管磨損的影響等。為此，瑞士金馬公司首先將密相閥技術應用到了粉末發射器上，研發了真正意義上的粉泵，用于將粉末傳輸至噴槍。
直排雙腔室的內部結構，利用少量的壓縮空氣結合擠壓閥技術，達到持續穩定的出粉量。大大減少了壓縮空氣的使用量，并提高粉末傳輸效率、延伸傳輸距離。其技術原理為：第一步，先關閉副腔的擠壓閥，使得主腔室變成真空狀態，配合少量的輸送空氣將粉末傳輸到主腔室內。第二步，關閉主腔室的擠壓閥，打開副腔室的擠壓閥，讓粉末傳輸至噴槍。完成整個過程只需0.33秒，也就意味著1秒鐘內，能夠完成3次粉末傳輸的步驟。
密相閥技術的運用，使得粉末傳輸至噴槍的優勢更加明顯：傳輸頻率高、出粉量持續穩定、壓縮空氣消耗少、粉霧柔和，同時配合使用的粉管長達30米。
圖11 粉末發射器與粉泵的易損件使用時間對比
易損件的使用壽命一直都是最終用戶關心的重點之一，如圖11所示，粉末發射器與粉泵的易損件使用時間對比，可以很明顯的看到：粉泵易損件的使用壽命遠超于粉末發射器。同時我們還能看到一個至關重要的方面：表格縱向表示易損件的損壞程度，橫向表示操作時間。由此可以看到，即使在使用750小時后，粉泵的易損件磨損程度仍然遠小于粉末發射器。眾所周知，粉末發射器的易損件為文丘里管，文丘里管的磨損程度直接影響到粉末輸出能力。恒定的粉末輸出量對工件表面的噴涂均勻性起著至關重要的作用。也就是說，粉泵技術能夠保持更穩定的粉末輸出量，達到更好的噴涂效果。
