Долгое время считалось, что температура воздуха оказывает существенное влияние на качество покрытий, наносимых методом распыления, прежде всего из-за ее влияния на вязкость распыляемых частиц краски. Исходя из этого убеждения, миллионы долларов ежегодно тратятся на контроль параметров окружающей среды в распылительных камерах.
В связи с этим нас всегда беспокоил один вопрос – сезонные изменения, с которыми сталкиваются покрытчики. Если температура окружающего воздуха остается постоянной круглый год, почему тогда все еще необходимы летние смеси и зимние смеси? Поскольку сезонные изменения (по сути своей) связаны с температурой, вероятно, здесь должно быть что-то еще.
ВЗГЛЯД В ПРОШЛОЕ
Когда в 2018 году мы опубликовали свою статью “Краскопульт или купольный распылитель, как сделать выбор”, одним из самых спорных вопросов было тепловое моделирование, которое показало, что, вопреки распространенному мнению, капли краски не достигают температуры окружающего воздуха к моменту их попадания на поверхность детали. Модель изменения температуры этих частиц, представленная в таблице 1, указывает на то, что даже при разности между температурой краски и температурой окружающего воздуха в 13 °F изменение температуры капли между распылителем и деталью будет составлять около 0,252,5 °F, в зависимости от множества разных условий. Казалось бы, это объяснило расхождение между общепринятым мифом и реальностью, которую мы наблюдали.
Таблица 1. Модель изменения температуры частиц.
Тем не менее, укоренившиеся представления трудно изжить, и мы столкнулись с большим сопротивлением. К счастью, в своих последующих работах мы смогли сделать снимок тепловизионной камерой при распылении прозрачного покрытия, и, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.
Рисунок 1. Температура при распылении краски из купольного распылителя.
На рисунке 1 хорошо видно, что даже частицы в облаке, которые прошли мимо детали, все еще находятся в пределах 3,0 °F от температуры краски, выходящей из купольного распылителя (участок 1 — участок 2). Это обеспечивает наглядное доказательство в поддержку тепловой модели и в очередной раз доказывает, что вы просто не можете спорить с физикой.
МИФ РАЗВЕЯН
Простое развеивание мифа не дает ответ на вопрос “Почему мы продолжаем наблюдать колебания температурного процесса, даже когда жестко контролируем параметры окружающей среды?”
С тех пор, как в 1990 году мы ввели понятие контроля вязкости на основе температуры в момент нанесения покрытия, мы искали ответ на этот вопрос. Оказывается, что однозначного ответа нет. Чтобы объяснить это, мы должны начать с понимания иерархии различных температур, участвующих в процессе окраски.
ИЕРАРХИЯ ТЕМПЕРАТУР
Существует три основных температуры, которые следует контролировать, чтобы, в свою очередь, точно контролировать процесс окраски.
Температуры (по порядку):
- подложки;
- краски;
- воздуха.
ТЕМПЕРАТУРА ПОДЛОЖКИ
Влияние температуры подложки часто признается и редко учитывается. Это может быть сложно, поскольку подложки разные. Деталь может быть изготовлена из металла, пластмассы, композиционного материала, дерева или любого из тысяч других материалов.
Однако истинная причина, по которой подложка важна в контексте температуры, – это масса. Обычно подложка имеет массу на порядок выше массы лакокрасочного покрытия. Это означает, что краска очень быстро нагреется до температуры подложки, как только достигнет поверхности. На рисунке 1 видно, что деталь теплее, чем краска. Это значит, что, как только краска коснется поверхности детали, вязкость будет падать то тех пор, пока нагретые растворители не испарятся, и не начнется процесс отверждения. Таким образом, температура подложки оказывает большее влияние на краску, чем температура окружающего воздуха. Стоит ли удивляться, что многие современные, прогрессивные окрасочные цеха включают в свой процесс контроль температуры детали (как показано на рисунке 2)?
Рисунок 2. Контроль температуры детали.
ТЕМПЕРАТУРА КРАСКИ
Температура краски напрямую влияет на испарение; в более теплой краске оно проходит быстрее, чем в холодной. Кроме того, как и для большинства жидкостей, температура обратно пропорциональна вязкости краски. Как показано на рисунке 3, по мере повышения температуры вязкость уменьшается.
Рисунок 3. Вязкость краски в зависимости от температуры
И наоборот, по мере уменьшения температуры вязкость увеличивается. Такое изменение вязкости, обусловленное температурой, влияет на такие факторы, как растекание, потёки, наплывы, апельсиновая корка, блеск и т.д. Учитывая это влияние, контроль температуры краски, безусловно, более важен для процесса, чем контроль температуры окружающего воздуха.
ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА
Мы уже установили, что температура окружающего воздуха в камере не оказывает такого большого влияния на капли краски, как думает большинство людей. Но это не значит, что воздух не может повлиять на результат нашего процесса. Оказывается, воздух воздействует на многие устройства, расположенные на пути краски, особенно металлические устройства, способные легко передавать энергию по воздуху, и тем самым мешает управлению процессом.
Рисунок 4. Измерение температуры окружающего воздуха и краски в процессе нанесения покрытия.
Хорошим примером может служить ситуация, когда мы измеряли температуру окружающего воздуха и краски в купольной системе нанесения покрытий на автомобильные детали в процессе, который уже оборудован системой контроля температуры краски в контурах рециркуляции. На рисунке 4 представлена измерительная установка. Можно было бы ожидать, что температура будет стабильной, но, когда мы проанализировали измерения, проведенные в течение пяти дней, как показано на рисунке 5, результат был абсолютно нестабильным.
Рисунок 5. Температура процесса окраски за продолжительный период
Колебания температур составили 13 °F. Кроме того, температура окружающего воздуха в камере была достаточно стабильной в диапазоне 75-80 °F. Хотя эта долговременная тенденция имеет важное значение, еще более важно влияние колебаний температуры на каждый отдельный цикл окраски, что и является глубинной причиной контроля температуры.
При увеличении этого графика, как показано на рисунке 6, можно увидеть, как меняется температура в купольном распылителе. Это уже совсем другая история.
Рисунок 6. Температура при окраске с помощью купольного распылителя
Здесь мы можем видеть, что во время цикла окраски температура краски довольно стабильна, хотя и отличается от температуры на выходе теплообменника (95 °F). Температура падает во время простоя между циклами и во время продувки от растворителя. Каждое падение температуры необходимо компенсировать во время следующего цикла окраски, что означает изменение в каждом цикле. Анализируя этот график, легко прийти к выводу, что всё это связано со средней температурой окружающей среды 76 °F.
Таким образом, температура воздуха действительно оказывает влияние на процесс окраски, но, прежде всего, это обусловлено воздействием на трубы и устройства на пути краски между выходом теплообменника и точкой нанесения.
Как показано на рисунке 7, к этим устройствам относятся регуляторы, расходомеры, устройства для смены цвета и многие другие.
Рисунок 7. Встроенные устройства.
Зачастую эти устройства расположены на стенах камеры, либо внутри или снаружи камеры. При наружном расположении они могут находиться в контролируемой среде, или нет. В большинстве случаев расположение обусловлено наличием доступного пространства или желанием минимизировать отходы краски, а не соображениями температуры. В последнее время появилась тенденция к установке этих устройств непосредственно в руке робота, как показано на рисунке 8.
Рисунок 8. Устройства, установленные на роботе.
Стремление разместить устройства как можно ближе к месту нанесения покрытия понятно, но, как это часто бывает, все не так просто.
Перемещение этих устройств в руку робота повышает сложность системы. Во-первых, всё должно быть установлено и отрегулировано в соответствии с движениями робота. Кроме того, необходимо учитывать ограничения полезной нагрузки робота. Зачастую это означает, что устраняется циркуляция в устройстве смены цвета, что снижает количество окрасочных линий наполовину, но может привести к проблемам с отделением (осаждением) пигмента, повышенным требованиям к продувке и проблемам с очисткой. Помимо прочего, эти устройства дорогие и должны быть защищены, но при необходимости доступны для обслуживания.
Рисунок 9. Примеры кожухов для робота.
Наиболее распространенный метод защиты от загрязнения краской устройств и робота – это эластичный кожух из ткани или пластика, как показано на рисунке 9. Он выполняет двойную функцию, не только защищает робота и устройства, но и предотвращает утечку воздуха, масла, воды, краски, растворителя и других материалов из робота, которая может негативно отразиться на качестве отделки.
СКРЫТАЯ ПРОБЛЕМА С ВОЗДУХОМ
Эти кожухи создают вокруг руки робота искусственную среду, которая необязательно будет соответствовать вашей тщательно контролируемой окружающей среде в камере. На такую замкнутую среду может воздействовать тепло, выделяемое двигателями и подшипниками робота, а также жидкости, протекающие через трубку на руке робота, в том числе, краска, растворитель и т.д.
Но есть еще один фактор, который обычно упускают из виду, – это охлаждение, обусловленное выпуском сжатого воздуха. Сжатый воздух используется для функционирования турбины распылителя, а также для формирования облака частиц и направления его на поверхность детали. Действие этого охлаждения в пневматических устройствах давно изучено. Оно вызывает конденсацию, а, в худшем случае, может привести к обледенению выходных глушителей. Из-за этого также может быть остановлена работа насоса. Так почему же это происходит?
ОБЪЕДИНЕННЫЙ ГАЗОВЫЙ ЗАКОН
Охлаждение, вызванное снижением давления воздуха, объясняется объединенным газовым законом согласно уравнению:
(P1*P2)/T1=(P2*P2)/T2
Где:
P = давление
V = объем
T = температура
Как следует из названия, это сочетание законов Бойля — Мариотта (1662), Шарля (1787), Гей-Люссака (1809) и Авогадро (1811). Не вдаваясь слишком глубоко в математику, если сжатый воздух подается под давлением 80 фунт/кв. дюйм, и мы выпускаем его в атмосферу (~14,7 фунт/кв. дюйм), температура должна упасть, чтобы уравновесить уравнение.
Кроме того, расширяющийся газ забирает энергию от окружающих поверхностей, охлаждая их. Те же принципы используются при кондиционировании воздуха у вас дома или охлаждении пива в холодильнике. Итак, как это связано с температурой нашей краски?
СКРЫТОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
Выходящий воздух попадает под кожух робота. Это понижает температуру окружающей среды вокруг устройств на руке робота значительно ниже, чем температура окружающей среды в камере. Проще говоря, мы создаем холодильник вокруг руки робота. Это наглядно демонстрируется на рисунке 10.
Рисунок 10. Влияние охлаждения на температуру краски.
Зеленая кривая показывает прозрачное покрытие на входе в камеру, а оранжевая – прозрачное покрытие на входе в купольный распылитель. Синяя кривая – окружающая среда в камере. Примерно в 7:15 утра мы видим, что прозрачное покрытие попадает в камеру и температура увеличивается до 80 °F. Видно, что температура прозрачного покрытия в купольном распылителе меняется параллельно температуре в камере с разницей около 2,5 °F. Обычно мы объясняем это влиянием окружающей среды в камере на покрытие, которое проходит путь по руке робота до точки нанесения.
Но нечто интересное происходит, когда процесс окраски прерывается примерно в 7:20. Как и следовало ожидать, когда краска остается неподвижной, прозрачное покрытие на стенках камеры теряет температуру, и к концу перерыва почти достигает температуры окружающей среды в камере. Однако на входе в купольный распылитель покрытие продолжает терять температуру, которая снижается на 2 °F ниже температуры окружающей среды в камере к концу перерыва. Поскольку это “переохлаждение” явно не может быть обусловлено воздействием окружающего воздуха в камере, значит, оно исходит от другого источника (более холодного), и этот источник был обнаружен в отработанном воздухе, который обозначен на графике коричневой кривой. Видно, что температура отработанного воздуха колеблется в диапазоне 60-65 °F, немного превышая 65 °F во время перерывов, когда расход минимален.
Легко понять, почему это может быть неверно истолковано как влияние окружающей среды в камере. Когда линии продуваются перед запуском нового процесса окраски примерно в 7:50 утра, кривые температур прозрачного покрытия на входе и в купольном распылителе сходятся, а затем в течение следующих двух часов работы температура в купольном распылителе держится на уровне между температурой покрытия на входе и температурой окружающей среды в камере. Но если учитывать, что покрытие проходит по тефлоновой трубке, которая, будучи пластичной, обеспечивает определенный уровень изоляции, а также время пребывания в этой трубке в процессе непрерывных циклов окраски, очевидно, что разница между температурой покрытия на входе и температурой окружающего воздуха в камере недостаточна, чтобы обеспечить такое падение температуры.
С точки зрения управления процессом и качества отделки, влияние этого охлажденного воздуха непостоянно. Как показано на рисунке 10, оно варьируется в зависимости от времени нахождения между подвесками (различные периоды), а также в зависимости от перерывов, простоев, остановов и т.д. Оно зависит от скорости изменения, которая определяется разницей между температурой покрытия и температурой охлажденного воздуха. А температура охлажденного воздуха изменяется в зависимости от давления и скорости потока, которые могут зависеть от различных покрываемых деталей. Эти изменения становятся очевидными, если посмотреть на временной промежуток перерыва на обед с 9:55 до 10:30.
К сожалению, такие изменения практически не заметны для операторов и инженеров-технологов, что усложняет для них идентификацию причин снижения качества отделки. Это особенно наглядно в том примере, когда температура окружающей среды в камере (вероятно, единственная измеряемая температура) меняется почти на 8 °F всего за 3 часа.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Очевидно, что для точного управления процессом окраски контроль отработанного и направляющего воздуха, вероятно, более важен, чем контроль воздуха в камере. Решение почти такое же сложное, как и идентификация самой проблемы. Требуется мониторинг температуры отработанного воздуха и контроль температуры сжатого воздуха на входе с помощью замкнутой системы, предназначенной для обеспечения соответствия температуры отработанного воздуха и температуры краски, независимо от изменений температуры окружающей среды в цехе, в камере и температуры сжатого воздуха. Для этого необходима технически-сложная система регулирования температуры с размещением датчиков в наиболее оптимальных местах и передовым алгоритмом управления.
Побочное преимущество этой системы заключается в том, что она также стабилизирует температуру направляющего воздуха, поддерживая ее на уровне, предотвращающем конденсацию и «брызги», часто связанные с этим охлаждением и устраняемые другими системами с горячим газом, которые перегревают воздух (или другие
газы) и приводят к высыханию распыляемых частиц.
Использование этого подхода в современной системе контроля температуры краски может существенно улучшить качество отделки, что обеспечит более высокую эффективность с «первого прохода» и более предсказуемые результаты процесса независимо от изменений температуры окружающей среды, которые происходят при смене дня и ночи и при смене сезонов. Такой подход также может значительно сократить эксплуатационные расходы, увеличить производительность, а, следовательно, повысить вашу конкурентоспособность на рынке.
