Основные технологии нанесения защитно-декоративных покрытий

1. Экономичность. Сокращение количества технологических операций, высокая скорость полимеризации, компактность оборудования позволяют уменьшить площади окрасочных участков. Благодаря системе рекуперации степень использования краски составляет 95-98 %. Для сравнения потери жидких лакокрасочных материалов могут достигать 40%.

2. Скорость. Значительное сокращение времени отвердения покрытий вследствие больших скоростей пленкообразования из расплавов и вследствие того, что сушка однослойного порошкового покрытия производится один раз по сравнению с многократной сушкой в случае многослойных обычных покрытий

3. Простота использования. Исключение таких сложных операций, как контроль вязкости и доводка ее до нужной величины (порошковые краски поставляются исключительно в готовом виде), что обеспечивает как экономию, так и большую стабильность качества получаемых покрытий. Облегченная чистка распылительного оборудования, так удалять порошок значительно проще, чем слои жидкой краски.

4. Декоративность. Использование широкой цветовой гаммы, более 5000 цветов, оттенков и фактур. Поверхность приобретает свойства, которые при применении традиционных технологий или недостижимы, или стоимость их в несколько раз выше. Например: золотистый, серебристый и алюминиевый металлики; флуоресцентные краски; серия «антиков», образующие поверхность старинных медных, бронзовых или серебряных предметов; поверхность под муар, гранит, структурированные поверхности, -- и это плюс к многообразию цветов и оттенков, контролируемых по степени блеска (глянцевая, матовая и полуматовая).

5. Прочность и долговечность. Повышенные химическая стойкость и физико-механические показатели (на удар 500 Н/м2, на изгиб 1мм.) покрытий вследствие использования пленкообразующих с большим молекулярным весом. Благодаря тому, что по этой технологии непосредственно на окрашиваемой поверхности полимеризуется слой эластичной пластмассы с очень высокой адгезией, создается ударопрочное покрытие с высокими антикоррозийными и электроизоляционными свойствами, стойкостью к растворам щелочей, кислот и органическим растворителям, с температурным диапазоном работы от -60 до +150 ?С. Толщина покрытия лежит в диапазоне 30 - 250 мкм.

6. Экологичность. Применение этой технологии избавляет от экологических проблем -- огнеопасные и токсичные жидкие растворители не используются. Порошковое окрашивание -- безотходно за счет практически полного возврата порошка, не осевшего на окрашиваемом изделии, и его повторного использования. Резко улучшаются условия труда.

А также:

1. Возможность получения толстых однослойных покрытий (за счет 100%-ного содержания сухого вещества) вместо более дорогих многослойных в случае жидких красок

2. Возможность полной автоматизации процесса окраски

3. Меньше усадка и пористость пленки благодаря отсутствию испарения растворителей

4. Отсутствие отрицательного влияния не испарившихся из пленок растворителей на прочностные свойства покрытий

5. Исключение потеков на вертикальных поверхностях и сморщивания покрытий при сушке

6. Тепловая стойкость от-60 до +1200 ?С

7. Повышенная адгезия (сцепления частиц с окрашенной поверхностью 500 Н/м2).

5.2 Подготовка поверхности

Подготовка поверхности изделия перед нанесением порошкового покрытия обеспечивает необходимые адгезионные свойства оплавленного покрытия с поверхностью изделия и требуемые его качества. Существуют механические и химические методы подготовки поверхности.

Механическая подготовка поверхности.

Заключается в механическом воздействии на материал поверхности изделия. При этом может удаляться окалина после сварки, шлифоваться поверхность.

Механическое воздействие осуществляется с помощью:

- дробеструйных аппаратов;

- зачистки абразивными материалами;

- галтовочных аппаратов и т.д.

При механическом воздействии происходит передача энергии поверхностному слою обрабатываемого материала, то есть осуществляется активация поверхности. При этом адгезионные характеристики материала улучшаются. Однако эти свойства с течением времени исчезают. Поэтому задержка в нанесении порошкового слоя после механической обработки должна быть минимально возможной.

Химическая подготовка поверхности.

Заключается в химическом воздействии реагентов на поверхность изделий. Выбор необходимой технологии подготовки поверхности зависит от условий и срока эксплуатации изделий, от материала, из которого изготовлено изделие, а также от материала порошкового покрытия. Под технологией понимается последовательность и время операций воздействия химических реагентов.

В процессе подготовки изделий к покраске осуществляется очистка их поверхности от загрязнений (в основном масляных) с помощью моющих растворов и создание на поверхности изделий тонкого конверсионного слоя, обеспечивающего высокую адгезию и дополнительную антикоррозийную защиту.

Для черных металлов конверсионный слой образуется при обработке фосфатными веществами, для цветных металлов - хроматными. Кристаллические фосфатные слои обеспечивают высокие защитные свойства на поверхности стальных изделий, но они требуют многостадийную (более шести) обработку изделий. Аморфное фосфатирование обеспечивается при меньшем числе стадий, но подготовка поверхности при этом позволяет эксплуатировать изделия только в нежестких условиях эксплуатации (например, в помещениях).

Наилучшие результаты при обработке изделий из алюминия достигаются при воздействии соединениями с шестивалентным хромом. При этом, однако, увеличивается количество стадий и усложняется утилизация отходов. Поэтому во многих случаях применяется облегченная обработка трехвалентным хромом, дающим несколько худшие результаты.

5.3 Нанесение слоя порошковой краски

После того как детали покидают участок предварительной обработки, они ополаскиваются и высушиваются. Сушка деталей производится в отдельной печи или в специальной секции печи отвержения. При использовании печи отвержения для просушки размеры системы снижаются, и отпадает необходимость использования дополнительного оборудования.

Когда детали полностью просушиваются, они охлаждаются при температуре воздуха. После этого они помещаются в камеру напыления, где на них наносится порошковая краска. Основное назначения камеры заключается в улавливании порошковых частиц, не осевших на изделии, утилизации краски и предотвращении ее попадания в помещение. Она оснащена системой фильтров и встроенными средствами очистки (например, бункерами, виброситом и т.д.), а также системами отсоса. Камеры делятся на тупиковые и проходные. Обычно в тупиковых камерах окрашиваются малогабаритные изделия, а в проходных длинномерные. Также существуют автоматические камеры напыления, в которых с помощью пистолетов-манипуляторов краска наносится за считанные секунды.

Электростатическое напыление.

Представляет собой нанесение на заземленное изделие электростатически заряженного порошка при помощи пневматического распылителя (пульверизатор, пистолет и аппликатор).

Любой распылитель сочетает в себе ряд различных режимов работы:

- напряжение может распространяться как вверх, так и вниз;

- может регулироваться сила потока (напор, течение струи) краски;

- может меняться скорость выхода порошка;

- может меняться расстояние от выхода распылителя до детали;

- может меняться размер частиц краски.

Сначала порошковая краска засыпается в питатель. Через пористую перегородку питателя подается воздух под давлением, который переводит порошок во взвешенное состояние, образовывая так называемый «кипящий слой» краски. Сжатый воздух может также подаваться компрессором, создавая при этом местную область «кипящего слоя». Далее аэровзвесь забирается из контейнера при помощи воздушного насоса (эжектора), разбавляется воздухом до более низкой концентрации и подается в напылитель, где порошковая краска за счет фрикции (трения) приобретает электростатический заряд. Это происходит следующим образом. Зарядному электроду, расположенному в главном ружье, сообщается высокое напряжение, за счет чего вырабатывается электрический градиент. Это создает электрическое поле вблизи электронов. Частицы, несущие заряд, противоположный заряду электрода, притягиваются к нему. Когда частицы краски прогоняются через это пространство, частицы воздуха сообщают им электрический заряд. При помощи сжатого воздуха заряженная порошковая краска попадает на нейтрально заряженную поверхность, оседает и удерживается на ней за счет электростатического притяжения.

Различают две разновидности электростатического распыления: электростатическое с зарядкой частиц в поле коронарного заряда и трибостатическое напыление.

При электростатическом способе напыления частицы получают заряд от внешнего источника электроэнергии (например, коронирующего электрода), а при трибостатическом - в результате их трения о стенки турбины напылителя.

При электростатическом способе нанесения краски применяется высоковольтная аппаратура. Порошковая краска приобретает электрический заряд через ионизированный воздух в области коронного разряда между электродами заряжающей головки и окрашиваемой поверхностью. Коронный разряд поддерживается источником высокого напряжения, встроенным в распылитель. Недостатком этого способа считается то, что при его использовании могут возникать затруднения с нанесением краски на поверхности с глухими отверстиями и углублениями. Поскольку частицы краски прежде осаждаются на выступающих участках поверхности, она может быть прокрашена неравномерно.

При трибостатическом напылении краска наносится с помощью сжатого воздуха и удерживается на поверхности за счет заряда, приобретаемого в результате трения о диэлектрик. «Трибо» в переводе означает «трение». В качестве диэлектрика используется фторопласт, из которого изготовлены отдельные части краскораспылителя. При трибостатическом напылении источник питания не требуется, поэтому этот метод гораздо дешевле. Его применяют для окрашивания деталей, имеющих сложную форму. К недостаткам трибостатического метода можно отнести низкую степень электризации, которая заметно снижает его производительность в 1,5-2 раза по сравнению с электростатическим.

На качество покрытия может влиять объем и сопротивление краски, форма и размеры частиц. Эффективность процесса также зависит от размеров и формы детали, конфигурации оборудования, а также времени, затраченного на покраску.

В отличие от традиционных способов окрашивания, порошковая краска не теряется безвозвратно, а попадает в систему регенерации камеры напыления и может использоваться повторно. В камере поддерживается пониженное давление, которое препятствует выходу из нее частиц порошка, поэтому необходимость в применении рабочими респираторов практически отпадает.

5.4 Заключительная стадия окрашивания. Полимеризация

На заключительной стадии окрашивания происходит плавление и полимеризация нанесенной на изделие порошковой краски в камере полимеризации. В процессе формирования покрытия из нанесенного, с помощью оборудования для порошковой окраски, порошкового слоя создается монолитное качественное покрытие на поверхности изделия. Чаще всего процесс формирования покрытия осуществляется путем нагрева порошкового слоя до состояния его оплавления с образованием монолитного слоя. При последующей обработке в результате отверждения (для термореактивных материалов) или охлаждения (для термопластичных материалов) слоя образуется твердая пленка.

Процесс оплавления проходит в несколько стадий:

1. порошок проходит вязко-текучее состояние;

2. сплавление частиц порошка с образованием монолитного слоя;

3. смачивание покрываемой поверхности и растекание расплава полимера;

4. удаление из расплавов газовых включений, то есть воздуха, находившегося в порах и между частицами порошка в слое, и газов, образующихся при деструкции полимера. Так как удаление газов осуществляется благодаря диффузии через расплав полимера, то для этого требуется довольно длительное время, соизмеримое со временем сплавления частиц порошка

Процесс отверждения.

Отверждение покрытий на основе термореактивных материалов происходит в процессе теплового воздействия и длится вполне определенное время. Каждому покрываемому изделию соответствует оптимальный режим отверждения. Охлаждение покрытий на основе термореактивных материалов не влияет на свойства покрытия.

Для термопластов режим и среда охлаждения во многом определяют качество покрытия. В качестве охлаждающего агента используют воду, минеральные масла, применяют охлаждение на воздухе.

Для формирования покрытия используют:

- конвективную теплопередачу тепла от нагретого воздуха к изделию с порошковым слоем (конвективные печи). Оплавление порошкового слоя происходит с внешней стороны, что затрудняет выход газов из слоя. Данный способ обладает большой универсальностью и не зависит от формы изделия, но имеет повышенные энергетические затраты;

- инфракрасный нагрев изделия с порошковым слоем. Оплавление порошкового слоя происходит с внутренней стороны, что облегчает выход газов из слоя. Способ обладает низкими энергетическими затратами, но пригоден для изделий простой конфигурации.

5.5 Классификация оборудования

Выбор оборудования зависит от способа нанесения порошковых красок. Это могут быть: компактные установки или поточные технологические линии.

Компактные установки для порошковой окраски.

Используются при небольшом объеме производства. Различают механизированные и немеханизированные.

Поточные технологические линии порошковой окраски.

Используются, как правило, при годовой программе выпуска более 50 тыс. м2 покрываемой поверхности. Технологические операции в поточных технологических линиях выполняются в агрегатах, связанных замкнутым конвейером непрерывного или периодического действия.

Комплект основного оборудования для электростатического нанесения порошков включает:

-распылительную камеру,

-установку рекуперации порошка,

-распылитель порошкового материала,

-питатель,

-вибросито.

Распылительная камера.

Распылительные камеры для порошковой окраски имеют в основном то же назначение, что и для нанесения жидких: они ограждают зону распыления, отделяя ее от помещения цеха. По конструкции и габаритам распылительные камеры весьма разнообразны. Они могут быть:

-стационарными и движущимися,

-тупиковыми и проходными,

-одно- и двухходовыми.

Кроме того, распылительные камеры различаются:

-расположением транспортных и рабочих проемов,

-направлением движения запыленного воздуха (иметь поперечный или нижний отсос),

-конструкцией днища и системы отбора с него порошка.

Стенки камеры обычно выполняют из стали, стекла или пластмасс (чаще всего полипропилена, содержащего антистатик).

Установка рекуперации.

Предназначена для улавливания не осевшего на изделия порошка и возврата его в производственный цикл. Применяемые рекуперационные установки различны по конструкции и принципу работы:

-двухступенчатая система улавливания порошка,

-одноступенчатая система улавливания порошка.

Работа рекуперационной установки считается нормальной, если содержание краски в выбрасываемом в атмосферу воздухе не превышает 5 мг/м3.

Двухступенчатая установка рекуперации.

Отечественные производители в основном применяют установки с двухступенчатой системой улавливания порошка: сначала в циклоне (или батарейном циклоне), где осаждается до 95-98 % краски, затем в фильтре; в целом коэффициент улавливания достигает 99,5-99,8 %. Преимущественно используют рукавные фильтры из лавсановой ткани с автоматическим встряхиванием. Циклон и фильтр имеют самостоятельные сборники, откуда улавливаемая краска пневматически (с помощью транспортного эжектора) или вручную передается в сборник-дозатор для последующего смешения с исходной порошковой краской. Предварительно краска просеивается с помощью вибросита, а иногда проводится дезагрегация.

Одноступенчатая установка рекуперации.

Многие иностранные фирмы предлагают рекуперационные установки с одноступенчатой системой улавливания порошка только на фильтрах. Применяют фильтры патронного типа, изготовленные из металлической сетки. При этом достигается высокая степень улавливания порошка и полный его возврат для повторного использования. Фильтр откатный, он легко присоединяется к распылительной камере, образуя с ней единое целое. Применяют установки (модули) откатные и стационарные циклонно-тканевого типа. Преимущество откатных установок по сравнению со стационарными заключается в том, что в них отсутствуют воздуховоды и удобнее переход с цвета на цвет (модуль одного цвета краски заменяют на модуль другого цвета, не прибегая к очистке).

Распылитель порошкового материала.

Назначение распылителей -- нанесение порошкового материала (порошковой краски) на окрашиваемое изделие. Распылители различаются по конструкции, принципу работы, способу подвода высокого напряжения, подачи и зарядки порошкового материала. Распылители бывают:

-электростатические,

-трибостатические.

Кроме того, их еще можно классифицировать на 2 типа:

-стационарные,

-ручные.

В равной степени находят применение распылители электростатические (с зарядкой порошка в поле коронного разряда) и трибостатические (с зарядкой трением), стационарные (в автоматических конвейерных линиях) и ручные (при единичном и мелкосерийном производствах).

Параметры работы распылителей различных типов.

Электростатические:

- с внешней зарядкой

Производительность по краске -- 15-20 кг/ч.

Расход воздуха -- 5-10 м3/ч.

- с внутренней зарядкой

Производительность по краске -- 10-15 кг/ч.

Расход воздуха -- 10-15 м3/ч.

Трибостатические:

Производительность по краске -- около 10 кг/ч.

Расход воздуха -- 10-15 м3/ч.

Производительность большинства отечественных распылителей по окрашиваемой поверхности 90-200 м2/ч. При больших объемах окрасочных работ установки комплектуют несколькими распылителями (от 2 до 6). Если требуется обойтись очень малым количеством краски, применяют распылители с автономным питанием (краска подается не от питателя, а из бачка, укрепленного на распылителе).

Питатель.

Назначение питателя -- дозирование и подача порошковых красок в распылитель. Питатели работают по принципу эжекционного отбора порошка воздухом и образования аэровзвеси с определенным содержанием твердых частиц. Наиболее распространены питатели с забором порошка в эжектор, из псевдоожиженного слоя. Обеспечивая постоянство высоты слоя порошковой краски и регулируя количество подаваемого воздуха в эжектор, получают требуемую для распыления аэровзвесь, которая и направляется по шлангу в распылитель. Для увеличения скорости потока аэровзвеси предусматривают дополнительную подачу дозирующего воздуха. Оптимальное соотношение между количеством подаваемого и дозирующего воздуха устанавливают опытным путем. Подача порошка и, соответственно, производительность при распылении определяются, однако, в основном количеством подаваемого (а не дозирующего) воздуха. От конструкции питателя и его работы во многом зависит качество распыления и, соответственно, свойства покрытий. В свою очередь, нормальной работе питателей способствует выполнение ряда условий: подача сухого чистого (не загрязненного маслом) воздуха, применение сыпучих неагрегированных порошковых красок и др.

Вибросито.

Нередко в одном аппарате с питателем комплектуют вибросито -- устройство для просеивания краски, поступающей из системы улавливания (рекуперации). Это делает удобным ее смешение со свежей краской, направляемой на распыление.

Глава 6. Нанесение покрытий методом напыления

Тонкопленочные металлополимерные материалы (металлизированные полимеры, металлические изделия с тонким полимерным покрытием, многослойные системы и др.), формируемые методами вакуумной технологии, характеризуются высокими служебными свойствами и эффективно используются при решении различных технических задач. Их применение во многом определило достижения оптики, электро- и радиотехники, химических технологий и ряда других отраслей промышленности. При этом в ближайшее время возможно еще более широкое использование вакуумно-плазменных методов при формировании тонкопленочных металлополимерных материалов, что связано, во-первых, с развитием технической оснащенности, с разработкой и внедрением высокоэффективных технологических процессов, в частности, с использованием непрерывных автоматических вакуумных установок и, во-вторых, с заметными успехами в изучении закономерностей осаждения вакуумных металлических и полимерных покрытий.

Основной особенностью формирования данных материалов является протекание сложных физико-химических процессов на границе раздела фаз, их зависимость от условий и режимов осаждения слоев. Именно по этой причине рассмотрение даже самой простой в технологическом отношении двухслойной системы металл-полимер предполагает, в частности, учет состояния граничного полимерного слоя как основного ее элемента. Структура и свойства данного слоя определяются кинетикой протекания диффузионных, контактных химических процессов, имеющих, как правило, релаксационную природу и зависящих от природы взаимодействующих материалов и технологических параметров формирования адгезионного контакта. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал о природе и механизме протекания межфазных взаимодействий, структуре и свойствах граничных слоев, влиянии на особенности и характеристики межфазных процессов природы взаимодействующих материалов и внешних тепловых и механических воздействий. Теоретические исследования, основной целью которых является аналитическое описание межфазных процессов, менее многочисленны, что объясняется сложностью протекающих процессов, влиянием большого числа факторов, степень и характер воздействия которых на межфазные процессы детально не изучены.

6.1 Вакуумное напыление

Вакуумное напыление - перенос частиц напыляемого вещества от источника (места его перевода в газовую фазу) к поверхности детали осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10-2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10-1-10-2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Судьба каждой из частиц напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и детали. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью. Температура поверхности детали, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической температурой напыления вакуумного; ее значение зависит от природы материалов пленки и поверхности детали, и от состояния поверхности. При очень малых потоках испаряемых частиц, даже если эти частицы на поверхности адсорбируются, но редко встречаются с другими такими же частицами, они десорбируются и не могут образовывать зародышей, т.е. пленка не растет. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку. Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, например оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (например, полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности изделий сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, несколько превышающих температуру поверхности при напылении. Часто посредством вакуумного напыления создают многослойные пленочные структуры из различных материалов.

6.2 Установки вакуумного напыления

Для вакуумного напыления используют технологическое оборудование периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Установки периодического действия осуществляют один цикл нанесения пленок при заданном числе загружаемых изделий. Установки непрерывного действия используют при серийном и массовом производстве. Они бывают двух видов: многокамерные и многопозиционные однокамерные. Первые состоят из последовательно расположенных напылительных модулей, в каждом из которых осуществляется напыление пленок определенных материалов или их термическая обработка и контроль. Модули объединены между собой шлюзовыми камерами и транспортирующим конвейерным устройством. Многопозиционные однокамерные установки содержат несколько напылительных постов (расположенных в одной вакуумной камере), соединяемых транспортным устройством конвейерного или роторного типа. Основные узлы и системы установок для вакуумного напыления представляют собой самостоятельные устройства, выполняющие заданные функции:

- создание вакуума

- испарение или распыление материала пленок

- транспортировку деталей

- контроль режимов вакуумного напыления и свойств пленок

- электропитание.

6.3 Напыление вакуумное

Нанесение пленок или слоев на поверхность деталей или изделий в условиях вакуума (1,0-1 * 10-7 Па). Напыление вакуумное используют в планарной технологии полупроводниковых микросхем, в производстве тонкопленочных гибридных схем, изделий пъезотехники, акустоэлектроники и др. (нанесение проводящих, диэлектрических, защитных слоев, масок и др.), в оптике (нанесение просветляющих, отражающих и др. покрытий), ограниченно - при металлизации поверхности пластмассовых и стеклянных изделий, тонировании стекол автомобилей. Методом напыления вакуумного наносят металлы (Al, Au, Cu, Cr, Ni, V, Ti и др.), сплавы (например, NiCr, CrNiSi), химические соединения (силициды, оксиды, бориды, карбиды и др.), стекла сложного состава (например, I2О3 * В2О3 * SiO2 * Аl2О3 * СаО, Та2О * В2О3 * I2О3 * GeO2), керметы.

Напыление вакуумное основано на создании направленного потока частиц (атомов, молекул или кластеров) наносимого материала на поверхность изделий и их конденсации. Процесс включает несколько стадий: переход напыляемого вещества или материала из конденсирированной фазы в газовую, перенос молекул газовой фазы к поверхности изделия, конденсацию их на поверхность, образование и рост зародышей, формирование пленки.

Обычно установка для вакуумного напыления включает следующие узлы:

- рабочую камеру, в которой осуществляется напыление пленок;

- источники испаряемых или распыляемых материалов с системами их энергопитания и устройствами управления;

- откачную и газораспределительную системы, обеспечивающие получение необходимого вакуума и организацию газовых потоков (состоят из насосов, натекателей, клапанов, ловушек, фланцев и крышек, ср-в измерения вакуума и скоростей газовых потоков);

- систему электропитания и блокировки всех устройств и рабочих узлов установки;

- систему контроля и управления установкой вакуумного напыления, обеспечивающую заданные скорость напыления, толщину пленок, температуру поверхности деталей, температуру отжига, физические свойства пленок (содержит набор датчиков, связанных через управляющую микропроцессорную ЭВМ с исполнительными механизмами и устройствами вывода информации);

- транспортирующие устройства, обеспечивающие ввод и вывод деталей в рабочую камеру, точное размещение их на постах напыления и перевод из одной позиции напыления на другую при создании многослойной системы пленок;

- систему вспомогательных устройств и технологическую оснастку (состоят из внутрикамерных экранов, заслонок, манипуляторов, гидро- и пневмоприводов, устройств очистки газов).

Технологии вакуумного напыления являются чрезвычайно энергозатратными, и во многих странах превращаются в нишевой продукт. Многие компании заменяют вакуумное напыление на более производительное и менее затратное атмосферное плазменное напыление.

6.4 Термовакуумное напыление

Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц.

Сущность метода термовакуумного напыления можно пояснить с помощью упрощенной схемы установки, представленной на рис.1.

Рис. 1 Схема установки термовакуумного испарения.

Вещество, подлежащее напылению, помещают в устройство нагрева (испаритель) 1, где оно при достаточно высокой температуре интенсивно испаряется. В вакууме, который создается внутри камеры специальными насосами, молекулы испаренного вещества свободно и быстро распространяются в окружающее пространство, достигая, в частности, поверхности подложки 2. Если температура подложки не превышает критического значения, происходит конденсация вещества на подложке, то есть рост пленки. На начальном этапе испарения во избежание загрязнения пленки за счет примесей, адсорбированных поверхностью испаряемого вещества, а также для вывода испарителя на рабочую температуру используется заслонка 4, временно перекрывающая поток вещества на подложку. В зависимости от функционального назначения пленки в процессе осаждения контролируется время напыления, толщина, электрическое сопротивления или какой-либо другой параметр. По достижении заданного значения параметра заслонка вновь перекрывает поток вещества и процесс роста пленки прекращается. Нагрев подложки с помощью нагревателя 3 перед напылением способствует десорбции адсорбированных на ее поверхности атомов, а в процессе осаждения создает условия для улучшения структуры растущей пленки. Непрерывно работающая система откачки поддерживает вакуум порядка 10-4 Па.

Разогрев испаряемого вещества до температур, при которых оно интенсивно испаряется, осуществляют электронным или лазерным лучом, СВЧ-излучением, с помощью резистивных подогревателей (путем непосредственного пропускания электрического тока через образец из нужного вещества или теплопередачей от нагретой спирали). В целом метод отличается большим разнообразием как по способам разогрева испаряемого вещества, так и по конструкциям испарителей.

Если требуется получить пленку из многокомпонентного вещества, то используют несколько испарителей. Поскольку скорости испарения у различных компонентов разные, то обеспечить воспроизводимость химического состава получаемых многокомпонентных пленок довольно сложно. Поэтому метод термовакуумного напыления используют в основном для чистых металлов.

Весь процесс термовакуумного напыления можно разбить на три стадии: испарение атомов вещества, перенос их к подложке и конденсация. Испарение вещества с поверхности имеет место, вообще говоря, при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Если допустить, что процесс испарения молекул (атомов) вещества протекает в камере, стенки которой достаточно сильно нагреты и не конденсируют пар (отражают молекулы), то процесс испарения становится равновесным, то есть число молекул, покидающих поверхность вещества, равно числу молекул, возвращающихся в вещество. Давление пара, соответствующее равновесному состоянию системы, называется давлением насыщенного пара, или его упругостью.

Практика показывает, что процесс осаждения пленок на подложку происходит с приемлемой для производства скоростью, если давление насыщенного пара примерно равно 1,3 Па. Температура вещества, при которой ри = 1,3 Па (ри - давление насыщенного пара при температуре испарения), называют условной температурой Тусл. Для некоторых веществ условная температура выше температуры плавления Тпл, для некоторых - ниже. Если Тусл < Тпл, то это вещество можно интенсивно испарять из твердой фазы (возгонкой). В противном случае испарение осуществляют из жидкой фазы. Зависимости давления насыщенного пара от температуры для всех веществ, используемых для напыления тонких пленок, представлены в различных справочниках в форме подробных таблиц или графиков.

Вторая стадия процесса напыления тонких пленок - перенос молекул вещества от испарителя к подложке. Если обеспечить прямолинейное и направленное движение молекул к подложке, то можно получить высокий коэффициент использования материала, что особенно важно при осаждении дорогостоящих материалов. При прочих равных условиях это повышает также и скорость роста пленки на подложке.

По мере испарения вещества интенсивность потока и диаграмма направленности для большинства типов испарителей постепенно меняются. В этих условиях последовательная обработка неподвижных подложек приводит к разбросу в значениях параметров пленки в пределах партии, обработанной за один вакуумный цикл.

Для повышения воспроизводимости подложки устанавливаются на вращающийся диск-карусель. При вращении карусели подложки поочередно и многократно проходят над испарителем, за счет чего нивелируются условия осаждения для каждой подложки и устраняется влияние временной нестабильности испарителя. Третьей стадией процесса напыления тонких пленок является стадия конденсации атомов и молекул вещества на поверхности подложки. Эту стадию условно можно разбить на два этапа: начальный этап - от момента адсорбции первых атомов (молекул) на подложку до момента образования сплошного покрытия, и завершающий этап, на котором происходит гомогенный рост пленки до заданной толщины.

Глава 7. Гидрографическая печать (аквапринт) («water transfer print», «cubic print», «3D print»)

Технология гидрографической печати позволяет наносить различные виды декоративно-защитных покрытий на изделия самой сложной формы, изготовленные из широкого спектра материалов: пластмассы, металлов и сплавов, дерева, стекла и керамики. Качество покрытия соответствует или превосходит все нормы и требования, существующие в авто, авиа, судостроительной и военной промышленности. Наносимые покрытия выдерживают длительное воздействие вибрации, высоких и низких температур, ультрафиолетового излучения, морской воды, растворителей и других агрессивных сред.

Еще несколько лет назад, из-за высокой стоимости оборудования, технология декорирования описываемым методом была доступна лишь крупным промышленным предприятиям. В настоящее время данная технология является доступной большому и малому бизнесу.

Конечный вид изделия определяется дизайном самой используемой пленки, но зависит также от «базового» цвета поверхности и цвета пигментного тонера который может добавляться в защитный лак. Используя пленку определенного дизайна, но предварительно окрашивая базовую поверхность и/или добавляя в защитный лак красящие пигментные тонеры, можно получить изделие, которые будут иметь совершенно отличный внешний вид. Кроме того, дополнительные возможности по созданию изделий, имеющих уникальный внешний вид, дает применение разнообразных видов защитного лака (глянцевый, матовый, тактильный или кэнди). Все это значительно расширяет возможности технологии гидрографической печати и позволяет удовлетворять запросы в самых различных областях декорирования.

Примеры применения технология гидрографической печати:

- эксклюзивная отделка автомобилей, катеров и яхт под ценные породы дерева;

- тюнинг салона и внешнего обвеса автомобиля под карбон, алюминий сталь или титан;

- моддинг ноутбуков, компьютеров и периферийных устройств,

- стайлинг мобильных телефонов и бытовой техники

- дизайн мебели и предметов интерьера.

Этот технологический процесс был изобретен в Японии в начале 80-х годов и быстро нашел применение в различных отраслях промышленности, тюнинге и стайлинге. Сегодня эта технология известна как объемное (или 3D) декорирование.

Существует огромное количество вариантов дизайна декоративного покрытия, имитирующего:

- ценные породы дерева и камня;

- карбон, кевлар, углеволокно и 3d carbon;

- алюминий, титан, сталь;

- камуфляж;

- мех редких животных и кожу рептилий

Технология нанесения пленочного покрытия методом гидрографической печати.

Выбранная декоративная пленка кладется на поверхность воды, находящейся в рабочем отсеке установки для нанесения декоративных покрытий. Сразу после этого начинается процесс постепенного размягчения водорастворимой основы. Через строго определенный промежуток времени на поверхность плёнки наносится специальная жидкость - активатор. В результате чего, пленка, изначально находившаяся в твердом состоянии, переходит в жидкое. Сразу после нанесения активатора изделие погружается в воду. Благодаря свойству воды равномерно распределять свое давление по всей площади, происходит перенос декоративного покрытия с пленки на поверхность изделия. Затем изделие извлекается из воды, промывается и сушится. После каждого цикла нанесения покрытия вода проходит очистку от остатков активатора и пленки с помощью системы фильтрации.

Гидрографическая печать известная также, как 3-D печать, кубическая, объемная, иммерсионная печать, или просто аква-печать - это технология декорирования поверхности, в основе которой лежит применение специальной водорастворимой плёнки с заранее нанесенным на ее основу изображением под различные природные материалы (например, под листья, дерево, мрамор и т.д.), либо с изображения, имеющего геометрический дизайн, которое можно наносить также на различные предметы (например, автомобильные аксессуары, предметы интерьера, ручки, выключатели света и многие другие предметы повседневного применения). Данный вид печати можно наносить на поверхности из разного материала, такие как пластик: ABS, PC, PVC, PU, металл, стекло, керамика, нейлон, дерево и т.п., а так же на сложные трёхмерные предметы. При этом качество печати будет на высшем уровне. Таким образом, технология позволяет приобрести новый цвет и вид обрабатываемым деталям, повышая их ценность и привлекательность.

Процесс гидрографического печатания начинается с предварительного нанесения изображений-шаблонов высокой чёткости на специальную растворимую в воде плёнку. Далее необходимо сделать несколько шагов для получения качественной печать:

Шаг 1: Подготовка. В зависимости от материала покрываемой поверхности, необходимы некоторые или все следующие этапы:

- предварительная химическая обработка,

- шлифование, маскировка поверхности,

- применение спрея-активатора для химической адгезии,

- плазменная обработка, или обработка пламенем.

Шаг 2: Инструменты и приспособления. Обрабатываемые детали крепятся к специальному приспособлению, которое держит детали во время процесса нанесения плёнки. Данные приспособления для крепления могут держать детали различных размеров и форм, но иногда требуются специальные приспособления для конкретных деталей.

В практическом применения данная технология выглядит следующим образом: деталь, предназначенная для работы, шлифуется, покрывается праймером, грунтом, снова шлифуется и окрашивается в выбранный ранее «базовый» цвет. Выбранная декоративная пленка кладется на поверхность технической воды, с заранее заданными температурой и жёсткостью, находящейся в рабочем отсеке установки для нанесения декоративных покрытий. Сразу после этого начинается процесс постепенного размягчения водорастворимой плёночной основы. Через строго определенный промежуток времени с помощью краскопульта на поверхность плёнки наносится специальная жидкость - активатор. В результате чего пленка, изначально находившаяся в твердом состоянии, переходит в жидкое, оставляя на несколько секунд на поверхности воды лишь «плавающий» рисунок

Закреплённое в манипуляторе над ванной изделие, погружается в воду со строго определённой скоростью и в определённом направлении «сквозь плёнку». Благодаря свойству воды равномерно распределять свое давление по всей площади, происходит перенос декоративного покрытия с растворяющейся плёнки на поверхность изделия. Затем изделие извлекается из воды, промывается и сушится. Далее, для защиты и придания дополнительных декоративных свойств изделие покрывается несколькими слоями лака, применяющегося при ремонте автомобилей, высушивается в камере, соблюдая определённый цикл сушки. И наконец, полируется для придания абсолютно ровной глянцевой поверхности.

Размещено на Allbest.ru