CN113457954A - 一种激光加工超疏水表面的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光加工超疏水表面的系统和方法。设置了激光辐照、划线和喷涂多个功能的组合设备，可以使用一个振镜模块实现辐照和划线的功能，同时和喷涂模块相结合，可以实现对金属和树脂材料表面的超疏水加工，加工完毕后疏水性能比单独的特氟龙涂层更好；加工后的材料由于有底漆保护，一方面特氟龙涂层不易脱落，结合性能好，另一方面底漆起到了保护作用即使在意外情况下特氟龙脱落也可以被底漆进一步保护，防止腐蚀；采用了独特的加工方式，仅使用一台设备，实现了对材料本身表面的改性、底漆表面的改性、特氟龙涂层表面的改性；加工效果好，中途不需要转移干燥，加工效率更高。

Description

一种激光加工超疏水表面的系统和方法
技术领域
本发明涉及激光材料加工领域，尤其涉及一种激光加工超疏水表面的系统和方法。
背景技术
超疏水是一种新型材料，它可以自行清洁需要干净的地方，还可以放在金属表面防止外界的腐蚀。现有技术中一般在材料表面可以进行特氟龙涂层实现疏水效果；但是特氟龙涂层结合效果不好，容易脱落，脱落以后的材料表面暴露，容易腐蚀；
此外特氟龙本身提供的疏水性能有限，本领域需要进一步提高其疏水性能以提高材料表面的自清洁性能。
申请号CN201910082352.9公开了一种激光打印制备超疏水涂层的方法，是先将有机硅烷和纳米粒子通过水解、缩合反应制得超疏水纳米复合物；再将超疏水纳米复合物、树脂与碳粉以混合球磨，得到均匀的超疏水碳粉；然后将超疏水碳粉装入激光打印机硒鼓内，通过激光打印机将超疏水碳粉打印到普通打印纸上，得到超疏水涂层。打印制备的超疏水涂层性能优异（5μL水滴的接触角>155°，滚动角<8°），但是打印到纸上的材料不易于大规模的使用，且其与金属的结合性能不好，不适合户外使用。
申请号CN201410029031.X公开了一种特氟龙喷涂工艺，首先用机溶剂进行30~50min的侵泡并进行加热，去除待涂物品表面的油脂类杂质；然后用清水冲洗物品表面的有机溶剂，采用喷砂处理的机械方式进行清洁物品表面剩余杂质，并使其表面毛糙；毛糙步骤之后进行底漆的喷涂；最后用进行特氟龙层的喷涂。其加工过程繁琐，处理过程中需要多次进行转移，而且加工的特氟龙表面疏水性能有限。
进一步的，目前一般对特氟龙进行激光改性都是基于特氟龙的固体材料，还没有针对特氟龙涂层表面进行疏水性改性的设备和方法。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种激光加工超疏水表面的系统，包括激光器、旋转工位、激光振镜模块、喷涂模块、辐照机械臂模块和喷涂机械臂模块；
激光器连接激光振镜模块，激光振镜模块用于向放置在旋转工位上的待加工材料表面提供激光离焦辐照和激光划线；喷涂模块用于向放置在旋转工位上的待加工材料表面提供底漆喷涂和特氟龙涂层的喷涂；激光振镜模块安装在辐照机械臂模块上，喷涂模块安装在喷涂机械臂模块上，旋转工位可以带动放置在旋转工位上的待加工材料绕着旋转工位的中心水平旋转；辐照机械臂模块、喷涂机械臂模块和旋转工位互相配合使得激光振镜模块和喷涂模块可以覆盖放置在旋转工位上的待加工材料的表面。
激光器为红外脉冲激光器，激光波长1064nm，脉冲频率和脉冲宽度可调，脉冲频率1kHz至60kHz，脉冲宽度1ns至200ns，输出功率100W至2000W。
激光振镜模块包括激光振镜和调焦镜头，调焦镜头安装在激光振镜的出光口，用于对激光振镜输出的激光进行调焦，实现离焦辐照和聚焦下的激光划线；
激光振镜模块和激光器之间使用光纤连接。
喷涂模块内设置有底漆储罐和特氟龙储罐，底漆储罐内存放有液体底漆，特氟龙储罐内存放有已经和溶剂混合好的特氟龙喷涂液；喷涂模块具有两个喷头，分别用于喷涂底漆和特氟龙涂层。
还包括控制模块，控制模块连接激光器、激光振镜模块、喷涂模块、辐照机械臂模块、喷涂机械臂模块和旋转工位，用于对激光器、激光振镜模块、喷涂模块、辐照机械臂模块、喷涂机械臂模块和旋转工位进行控制；
辐照机械臂模块、喷涂机械臂模块都是3自由度机械臂，配合旋转工位可以实现多角度、全覆盖的喷涂。
根据所述的激光加工超疏水表面的系统进行超疏水表面加工的方法，包括如下步骤：
步骤1）将待加工材料平放在旋转工位表面，且待加工材料的待加工表面中心和旋转工位的旋转中心尽量重合；
步骤2）控制激光器输出激光的参数：脉冲频率1kHz，脉冲宽度200ns，输出功率500W；控制调焦镜头为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面去除多余的油脂，并使得材料表面粗糙；待加工材料表面粗糙化之后，下一步进行底漆喷涂时，底漆与待加工材料的表面结合效果会提高，使得底漆更不容易脱落；
步骤3）控制喷涂机械臂模块向材料表面喷涂底漆，喷涂厚度大于200微米；200微米的薄层底漆一方面可以起到防锈的效果，另一方面可以使得特氟龙涂层结合的更加牢固；
步骤4）控制激光器输出激光的参数：脉冲频率5kHz，脉冲宽度200ns，输出功率200W；控制调焦镜头为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面的底漆干燥，并且使得底漆表面粗糙，增加后续特氟龙涂层的结合效果；如此可以快速的使得底漆干燥，节约加工时间，而且由于是利用激光在底漆未干的情况下进行辐照加速干燥的，底漆的表面并不平滑，粗糙度大，特氟龙涂层的结合效果更好。
步骤5）控制喷涂机械臂模块向材料表面喷涂特氟龙涂层，喷涂厚度大于100微米；
步骤6）控制激光器输出激光的参数：脉冲频率5kHz，脉冲宽度200ns，输出功率100W；控制调焦镜头为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面的特氟龙干燥；如此一方面干燥速度更快，另一方面特氟龙本身100微米的厚度并不能完全吸收激光，使得一部分激光穿过特氟龙到达了底漆的表面，从而使得特氟龙在底漆的表面产生剧烈的振荡，粗糙度高，提高下一步的激光划线激光的吸收效果；
步骤7）控制激光器输出激光的参数：脉冲频率60kHz，脉冲宽度1ns，输出功率100W；控制调焦镜头为聚焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为聚焦；控制辐照机械臂模块和振镜进行待加工材料表面的全覆盖划线，线宽10微米-30微米，线中心距50-100微米，提高特氟龙表面的疏水效果。
底漆为环氧富锌底漆；待加工材料为铝、铁或者树脂材料。
本发明的有益效果为：
本发明设置了激光辐照、划线和喷涂多个功能的组合设备，可以使用一个振镜模块实现辐照和划线的功能，同时和喷涂模块相结合，可以实现对金属和树脂材料表面的超疏水加工，加工完毕后疏水性能比单独的特氟龙涂层更好；加工后的材料由于有底漆保护，一方面特氟龙涂层不易脱落，结合性能好，另一方面底漆起到了保护作用即使在意外情况下特氟龙脱落也可以被底漆进一步保护，防止腐蚀；
采用了独特的加工方式，仅使用一台设备，实现了对材料本身表面的改性、底漆表面的改性、特氟龙涂层表面的改性；加工效果好，中途不需要转移干燥，加工效率更高。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明各个涂层的顺序图；
图3为本发明加工完成后的表面的接触角测定图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
实施例1：
如图1所示，一种激光加工超疏水表面的系统，包括激光器1、旋转工位2、激光振镜模块3、喷涂模块4、辐照机械臂模块5和喷涂机械臂模块6；
激光器1连接激光振镜模块3，激光振镜模块3用于向放置在旋转工位2上的待加工材料表面提供激光离焦辐照和激光划线；喷涂模块4用于向放置在旋转工位2上的待加工材料表面提供底漆喷涂和特氟龙涂层的喷涂；激光振镜模块3安装在辐照机械臂模块5上，喷涂模块4安装在喷涂机械臂模块6上，旋转工位2可以带动放置在旋转工位2上的待加工材料绕着旋转工位2的中心水平旋转；辐照机械臂模块5、喷涂机械臂模块6和旋转工位2互相配合使得激光振镜模块3和喷涂模块4可以覆盖放置在旋转工位2上的待加工材料的表面。
激光器1为红外脉冲激光器1，激光波长1064nm，脉冲频率和脉冲宽度可调，脉冲频率1kHz至60kHz，脉冲宽度1ns至200ns，输出功率100W至2000W。
激光振镜模块3包括激光振镜7和调焦镜头8，调焦镜头8安装在激光振镜7的出光口，用于对激光振镜7输出的激光进行调焦，实现离焦辐照和聚焦下的激光划线；
激光振镜模块3和激光器1之间使用光纤连接。
喷涂模块4内设置有底漆储罐和特氟龙储罐，底漆储罐内存放有液体底漆，特氟龙储罐内存放有已经和溶剂混合好的特氟龙喷涂液；喷涂模块4具有两个喷头，分别用于喷涂底漆和特氟龙涂层。
还包括控制模块9，控制模块9连接激光器1、激光振镜模块3、喷涂模块4、辐照机械臂模块5、喷涂机械臂模块6和旋转工位2，用于对激光器1、激光振镜模块3、喷涂模块4、辐照机械臂模块5、喷涂机械臂模块6和旋转工位2进行控制；
辐照机械臂模块5、喷涂机械臂模块6都是3自由度机械臂，配合旋转工位2可以实现多角度、全覆盖的喷涂。
根据所述的激光加工超疏水表面的系统进行超疏水表面加工的方法，包括如下步骤：
步骤1）将待加工材料平放在旋转工位2表面，且待加工材料的待加工表面中心和旋转工位2的旋转中心尽量重合；
步骤2）控制激光器1输出激光的参数：脉冲频率1kHz，脉冲宽度200ns，输出功率500W；控制调焦镜头8为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块5和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面去除多余的油脂，并使得材料表面粗糙；
步骤3）控制喷涂机械臂模块6向材料表面喷涂底漆，喷涂厚度大于200微米；
步骤4）控制激光器1输出激光的参数：脉冲频率5kHz，脉冲宽度200ns，输出功率200W；控制调焦镜头8为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块5和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面的底漆干燥，并且使得底漆表面粗糙，增加后续特氟龙涂层的结合效果；
步骤5）控制喷涂机械臂模块6向材料表面喷涂特氟龙涂层，喷涂厚度大于100微米；
步骤6）控制激光器1输出激光的参数：脉冲频率5kHz，脉冲宽度200ns，输出功率100W；控制调焦镜头8为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块5和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面的特氟龙干燥；
步骤7）控制激光器1输出激光的参数：脉冲频率60kHz，脉冲宽度1ns，输出功率100W；控制调焦镜头8为聚焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为聚焦；控制辐照机械臂模块5和振镜进行待加工材料表面的全覆盖划线，线宽10微米-30微米，线中心距50-100微米，提高特氟龙表面的疏水效果。
这样就在待加工材料的表面形成了底漆和特氟龙涂层的双层结构，结合图2。
底漆为环氧富锌底漆；待加工材料为铝、铁或者树脂材料。
加工完成的材料表面进行接触角测定，结果见图3，可见完成后的材料表面具有很好的超疏水效果。
实施例2：
本实施例对本发明进行进一步的改进。
还安装有第三机械臂，第三机械臂安装有吹扫模块，可以吹出压缩空气，在进行离焦辐照时，使用第三机械臂对于辐照位置进行同步的吹扫，降低辐照时的温度，同时提高涂层溶剂挥发效果；材料在辐照时会表面的极薄的一层材料会变软融化，此时使用压缩空气进行吹扫可以使得压缩空气引导表面材料运动增强，使得材料表面的粗糙化效果更好。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光加工超疏水表面的系统，包括激光器（1）、旋转工位（2）、激光振镜模块（3）、喷涂模块（4）、辐照机械臂模块（5）和喷涂机械臂模块（6）；其特征在于：
激光器（1）连接激光振镜模块（3），激光振镜模块（3）用于向放置在旋转工位（2）上的待加工材料表面提供激光离焦辐照或激光聚焦划线；喷涂模块（4）用于向放置在旋转工位（2）上的待加工材料表面提供底漆喷涂和特氟龙涂层的喷涂；激光振镜模块（3）安装在辐照机械臂模块（5）上，喷涂模块（4）安装在喷涂机械臂模块（6）上，旋转工位（2）可以带动放置在旋转工位（2）上的待加工材料绕着旋转工位（2）的中心水平旋转；辐照机械臂模块（5）、喷涂机械臂模块（6）和旋转工位（2）互相配合使得激光振镜模块（3）和喷涂模块（4）可以覆盖放置在旋转工位（2）上的待加工材料的表面。
2.根据权利要求1所述的激光加工超疏水表面的系统，其特征在于：
激光器（1）为红外脉冲激光器（1），激光波长1064nm，脉冲频率和脉冲宽度可调，脉冲频率1kHz至60kHz，脉冲宽度1ns至200ns，输出功率100W至2000W。
3.根据权利要求1所述的激光加工超疏水表面的系统，其特征在于：
激光振镜模块（3）包括激光振镜（7）和调焦镜头（8），调焦镜头（8）安装在激光振镜（7）的出光口，用于对激光振镜（7）输出的激光进行调焦，实现激光离焦辐照或聚焦下的激光聚焦划线；
激光振镜模块（3）和激光器（1）之间使用光纤连接。
4.根据权利要求1所述的激光加工超疏水表面的系统，其特征在于：
喷涂模块（4）内设置有底漆储罐和特氟龙储罐，底漆储罐内存放有液体底漆，特氟龙储罐内存放有已经和溶剂混合好的特氟龙喷涂液；喷涂模块（4）具有两个喷头，分别用于喷涂底漆和特氟龙涂层。
5.根据权利要求1所述的激光加工超疏水表面的系统，其特征在于：
还包括控制模块（9），控制模块（9）连接激光器（1）、激光振镜模块（3）、喷涂模块（4）、辐照机械臂模块（5）、喷涂机械臂模块（6）和旋转工位（2），控制模块（9）用于对激光器（1）、激光振镜模块（3）、喷涂模块（4）、辐照机械臂模块（5）、喷涂机械臂模块（6）和旋转工位（2）进行控制；
辐照机械臂模块（5）和喷涂机械臂模块（6）都是3自由度机械臂，配合旋转工位（2）可以实现全覆盖的喷涂。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的激光加工超疏水表面的系统进行超疏水表面加工的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1）将待加工材料平放在旋转工位（2）表面，且使待加工材料的待加工表面中心和旋转工位（2）的旋转中心重合；
步骤2）调节激光器（1）输出激光的参数：脉冲频率1kHz，脉冲宽度200ns，输出功率500W；控制调焦镜头（8）为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，离焦光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块（5）和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得待加工材料表面多余的油脂被去除，并使得待加工材料表面粗糙化；
步骤3）喷涂机械臂模块（6）向材料表面喷涂底漆，喷涂厚度大于200微米；
步骤4）调节激光器（1）输出激光的参数：脉冲频率5kHz，脉冲宽度200ns，输出功率200W；控制调焦镜头（8）为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，离焦光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块（5）和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面的底漆干燥，并且使得底漆表面粗糙，从而提高后续喷涂特氟龙涂层的结合效果；
步骤5）喷涂机械臂模块（6）向材料表面喷涂特氟龙涂层，喷涂厚度大于100微米；
步骤6）调节激光器（1）输出激光的参数：脉冲频率5kHz，脉冲宽度200ns，输出功率100W；控制调焦镜头（8）为离焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为离焦，光斑直径5mm至10mm；控制辐照机械臂模块（5）和振镜进行待加工材料表面的全覆盖辐照，重复3次，使得材料表面的特氟龙干燥；
步骤7）调节激光器（1）输出参数：脉冲频率60kHz，脉冲宽度1ns，输出功率100W；控制调焦镜头（8）为聚焦模式，使得振镜输出的激光在材料表面为聚焦；控制辐照机械臂模块（5）和振镜进行待加工材料表面的全覆盖划线，线宽10微米-30微米，线中心距50-100微米，提高特氟龙表面的疏水效果。
7.根据权利要求6所述的超疏水表面加工的方法，其特征在于底漆为环氧富锌底漆；待加工材料为铝、铁或者树脂材料。
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