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金属包装涂膜厚度离线与在线检测技术

文章出处:先控(Sencon)香港有限公司责任编辑:刘贵扬人气:-发表时间:2019-01-26 09:12【

无论是金属包装的外涂还是内涂,主要功能都是防止金属腐蚀,而适当厚度的涂层是确保这一功能的前提。对两片饮料罐的罐身,三片罐生产材料金属片材,或者易拉盖料卷涂/片涂的涂膜厚度测量,是金属包装制造流程中至关重要的一个例行步骤。

涂膜测量有两个目的,二者在某种意义上相互矛盾。首先是确保金属外部涂有充足涂料,可预防后续出現问题和客户投诉。其次,是确保无需使用过多昂贵的涂料便能充分保护涂层完整性。因此,最优的平衡点是在金属表面按规格要求尽可能涂布最少的涂料。由于现在饮料罐、食品罐的涂层只有几微米厚,所以只能使用高度敏感且准确的测量仪器。


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测量需要尽可能接近生产线,从而迅速发现并纠正任何缺陷,以防生产大量报废产品。在理想情况下,涂布流程应得到监控,以识别变化和趋势,从而在事情超出规范前采取整改行动。

离线涂膜测厚技术

手动式湿膜杯法 制罐厂不仅需要测量固定点的涂层厚度,还要测量整个产品上的涂料分布和变化情况。最粗糙的涂层厚度测量方法是用简单的手动设备浸泡入湿涂层中。由于这类方法会严重受到操作员的影响,产品准确性和一致性极差,读数也会因湿涂料的表面张力而有严重误差。

淘膜法: 对于金属板来说,一种稍微可靠且常用的方法是在金属片上戳一个小圆片,然后测量有涂层的圆片的重量,再计算剥落涂层后的重量,最后利用二者之重量差以平均涂层厚度计算每平方米的重量。

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上述所谓的“淘膜法”缺点有二。一是耗时费力。由于必须待金属片在烘炉完成固化后才能得到结果,意味着在识别问题和调整涂布机之前,生产商可能已经生产了大量缺陷品,因此通过这种方法来设定涂布机的涂层厚度非常耗时、费力。二是无益于事。知道总体“膜重”对了解涂料分布毫无帮助,即便总重量正确,金属片上其他部分的区域也可能还未达到最低规格的要求。

干膜检测: 电子数字测量仪器 如今在制罐业最广泛使用的方法是电子式干膜涂层测厚仪。技术人员先对其进行校准,以专门的探头测试产品后,测厚仪便能立即给出读数。该仪器可以在产品的多个位置进行测量,并准确、快速计算涂料分布。

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电子式干膜涂层测厚仪采用的是电容原理,涂膜在平行板中间作为电介质,两边导板分別加载正负电荷, 这样就成为了一個很简单的平行板电容器, 正电荷与负电荷会分別累积于平行板导体上,从而产生电容。

涂膜(介电层“d”)越厚,留在电路上的电荷会减少, 电容值“C”亦会减少;反之,如果涂膜越薄,留在电路上的电荷会增大,电容值亦会增大,就像图4中的公式所表示的那样,每种涂料的介电常数(E)是不同的,需要通过对厚度已知的相同涂层的校准样本来进行对标计算,且每一种涂料都必须校准。因此, 用作校准的标准片的准确性对整个测厚仪的测量结果至为关键。

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非接触式在线湿膜测厚方法

为了实现更好的生产控制, 制罐商希望有一种可以在线涂膜测量的方法, 以便在涂料进烘炉之前就进行测量并且不间断地实时显示膜厚的读数,这样操作人员就可以直接基于实时的厚度来调整涂布机了。现在行业内在线涂膜测量的技术主要有两种, 即光谱技术及红外线光波吸收法技术。

光谱技术: 在知道每种涂料折射率的前提下,使用光谱仪能得出绝对的厚度读数,无需以校准样本进行校准。两片罐制造商一般使用的涂料也就3~4种,因此较容易满足上述前提条件。但三片罐厂可能需要使用多种不同的涂料,因而明确每种涂料的折射率就变得很困难。

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联系涂料供应商获取不同涂料的折射率并储存所有数据需要消耗大量的时间精力。实际上,操作员通常只会用电容式测厚仪得出一个干膜重量读数,然后通过增量调整光谱仪的设置直到其显示的涂层厚度读数与电容式测厚仪读数相匹配为止,最后再计算涂料的折射率。显然这种方案极易受操作员的影响,因而损害光谱仪理论上特有的任何优势。

红外线光波吸收法技术 相反,红外线技术采用的是光吸收测量法,而非折射原理,也就是说操作员无须知道不同涂料的折射率,只需要用干膜测厚仪就可以快速、可靠地进行校准。

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光波吸收法的原理是利用有机化合物可以吸收特定波长光波的特点, 不同分子结构可以吸收不同波长的光波,实验发现涂料中的碳氫结构可以吸收大量波长为2.32?m的光波。由于这一波长刚好落在红外线范围内,如果涂料吸收光波越多,就意味着涂层越厚。

红外线探头內发光灯泡的光源穿过高速旋转马达带动的红外视窗膜,形成了一道波长为2.32?m的红外线,由反射镜折射到涂料湿膜层,收集反射光的光通量后,经过模数转换及对比,便可直接显示涂料的干膜重量。

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由于在线湿膜仪能实时给出关于涂层厚度的数据,因而涂布线工作人员可以依照数据进行调整,使得涂料线的运行更加接近目标而不会超出规格,这便能预防为安全起见而过度涂布的惯常做法。如果客户的涂布机较老旧、滚轴状况不良或员工欠缺经验,那么对于单张金属板来说,这项技术可节约涂料少则0.5gsm,多则13%。同时,由于运行和调整之间转换速度更快,产能及产品质量也有所提高。

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两片饮料铁罐在线涂膜厚度检测法

对于三片铁罐生产线上的金属片涂层而言,使用红外线光波吸收法的确是一项非常理想的技术,但如果用在两片罐生产线的喷涂机上, 圆形铁罐会让这一技术变得不太适合。因此,如果在两片铁罐生产中使用非接触式测厚, 就必须开发一项新技术来应对特殊的工作环境,此时光学技术正好大派用场。

基于可见光或“白”光的光学干涉技术的局限性 光学涂层测厚仪一般基于“干涉测量”理论,亦称“光学干涉技术”或“光谱学”。由于从涂层表面和下面金属基底反射来的光束在两个媒介的速度不同,所以反射的光波呈异相从而形成相位差。对相位差加以分析后就可以计算出从涂层表面到金属基底之间的距离,亦即涂层厚度。

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一般的干涉测量设备基于可见光或“白”光,这类设备能很好地应付无印刷金属基底上的无色涂层,因而对某些食品罐制造应用十分有效。但是,标准的干涉测量法难以测量彩色油墨基底涂层或着色基底涂层,原因是彩色涂层会吸收波长不同的可见光,所以并非光束中的所有光波都能被均匀反射。因此,利用白光并不能可靠地测量印刷或着色基底涂层食品罐的涂层厚度,同样也排除了在大多数饮料罐批量生产上的应用。

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改良方案之红外线干涉测量法 鉴于现有解决方案的缺陷,英国Sencon公司与英国一所顶尖的科技大学联合开展了一个为期三年的研发项目,旨在开发一种基于红外光干涉测量形式的定制光学测量与信号处理技术,将其专门用于测量饮料罐的涂层厚度。由于红外光不在可见光谱内,因而可避免彩色墨水选择性吸收波长的问题。实验证明,这项技术在测量带印刷油墨(包括黑墨)金属罐的各类外部涂层方面极为可靠,同时也适用于哑光涂层,以及用于评估专业接触型涂层的最小厚度。

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电子数字测量仪器的未来

现代科学技术与工业生产的发展对测量提出了更高的要求,让快速、实时、精确、自动化成为现代测量技术的发展主流。可以说没有测量就不可能有生产信号的分析与处理,电子测量技术凭借诸多优势正在扮演现代测量技术的主角,在信息获取与工业控制方面发挥着不可替代的作用。

整体来看,笔者认为电子数字测量仪器未来将呈现以下发展趋势。仪器非接触化 未来工业测量仪器非接触化必定是一个主要的发展方向。非接触测量具有以下诸多优点。

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首先,测量没有破坏性,且可以排除接触测量对柔性物体测量的人为因素干扰。

其次,数据采集速度快。

第三,减少人为影响,大大提升重复性和再现性。

第四,非接触式测量多采用光学扫描探头,可完全获取复杂的几何结构和尺寸信息,因此更多关键特征得到测量。

第五,无机械传感器,可尽量减少磨损部件 ,仅需最低限度的维护。

第六,生命周期成本非常低。

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网络化与模块化 随着测量仪器接口标准的统一和总线技术的发展,电子测量仪器逐渐与计算机融为一体。通过总线、标准接口与一台计算机相连构成网络,实现了多台测量仪器间的数据共享和相互控制。同时仪器模块化带来了成本下降,应用灵活性提高,以及性价比幅度优化。

高度自动化及智能化: 随着工业的发展需要,电子测量技术的自动化及智能化程度在不断提高。同时,近年来计算机领域的嵌入式技术发展为电子测量仪器的智能提升提供了良好的条件,凭借高可靠性、高稳定性、快速性等优势被迅速应用于电子测量仪器中。这些基于微型计算机处理技术的微处理器赋予了测量仪器“测量方法多样化、测量实时化和高度智能化”等特点。


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随着计算机技术与仪器的进一步融合,电子测量仪器的易操作性、易升级性、测量能力、数据处理和分析能力、自我诊断和校准能力都得到了大幅度提高。与此同时,由于软件工程与网络技术正越来越多地被应用到各个领域,电子测量技术势必将成为多学科、多领域发展的共同结晶,彼此之间又相互服务,共同发展。


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