PT1907131E - Um método e aparelho para aplicar um revestimento num substrato - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

"UM MÉTODO E APARELHO PARA APLICAR UM REVESTIMENTO NUM SUBSTRATO"

Campo da Invenção A presente invenção está relacionada com um método e um aparelho para aplicar um revestimento num substrato, em particular, um revestimento de polímero, por exemplo, para a produção de revestimentos de fluoropolímero em rolos das fábricas de papel.

Estado da Técnica Há um certo número de processos de produção industrial, que se baseia na utilização de polímero, em particular rolos de processo revestidos com fluoropolímero para fornecer uma superfície antiaderente, resistente à corrosão. De acordo com o estado da técnica, rolos de aço e cilindros de secagem utilizados em fábricas de papel ou na indústria têxtil são revestidos de um revestimento de fluoropolímero devido às suas propriedades exclusivas de libertação e antiaderentes, assim como a sua excelente estabilidade química.

Até à data, os requisitos industriais foram satisfeitos mediante a utilização quer de uma manga de fluoropolímero aglomerada à superfície de metal pré-tratada quer de um revestimento por pulverização com base numa dispersão aquosa de f luoropolímero ou de um revestimento em pó de fluoropolímero. A tecnologia de manga só pode ser aplicada em rolos mais pequenos e ocorre delaminação a temperaturas de trabalho elevadas. A tecnologia de revestimento por pulverização obriga à remoção dos rolos para curar o revestimento em fornos de alta temperatura durante vários minutos. Esta é uma operação complexa e dispendiosa.

Foram igualmente documentados métodos baseados em laser, que permitem uma aplicação in situ. Na maior parte destes métodos, o pó é fornecido a uma superfície, e, em seguida, aquecido por um laser. Isto requer um consumo de energia muito elevado para o aquecimento da superfície.

No documento W091/16146, é divulgado um método em que um pó de fluoropolímero é introduzido num laser de CO2, que é direcionado para e movido ao longo da superfície a ser revestida. Deste modo o pó é derretido e depositado na superfície, enquanto um controlo ativo mantém a temperatura da zona de contato do laser entre limites predefinidos. Quando o feixe de pó está completamente dentro do feixe do laser, como é o caso no documento W091/16146, o pó absorve uma grande quantidade de energia e, consequentemente, é superaquecido, enquanto a temperatura do substrato é ainda demasiado baixo para se obter uma boa adesão. 0 documento W091/16146 sugere alargar o laser ou utilizar um feixe de laser duplo, a fim de pré-aquecer a superfície. No entanto, mesmo neste caso, o pó é introduzido dentro do feixe de laser e o problema de sobreaquecimento subsiste. 0 documento DE10020679A1 está relacionado com um método e um aparelho para aplicar um revestimento a uma costura num corpo de veículo. 0 aparelho pode compreender um laser (1.3), que precede o fornecimento de um pó, o referido laser sendo utilizado para o fim de limpar, em particular, desengordurar, a costura. 0 derretimento do pó é feito por aplicação de um segundo laser à camada de pó, depois de a camada ter sido aplicada ao substrato.

Objetivos da Invenção A presente invenção visa proporcionar um método e um aparelho para aplicar um revestimento de fluoropolimero, utilizando um feixe do laser, que não sofre dos inconvenientes da técnica anterior.

Sumário da Invenção A invenção está relacionada com um método e um aparelho como descrito nas reivindicações anexas. De acordo com a invenção, é fornecido um substrato, e um feixe do laser, preferencialmente um laser de CO2, é mantido preferencialmente perpendicular em relação à superfície e movido pela referida superfície ao longo de uma linha, preferencialmente uma linha reta. 0 substrato pode ser qualquer objeto, por exemplo um rolo de aço num laminador. No caso de um substrato plano ou cilíndrico, o laser é preferencialmente movido pela superfície numa série de linhas retas adjacentes. De acordo com a invenção, um sistema de distribuição para um material de formação de um revestimento, preferencialmente compreendendo ou consistindo de um pó de polímero, ainda mais preferencialmente de um pó de fluoropolimero, é proporcionado para se deslocar juntamente com o laser, e para fornecer um fluxo de pó, tão próximo quanto possível atrás da zona onde o laser contata a superfície do substrato. De acordo com a invenção, por conseguinte, o laser aquece a superfície a uma temperatura acima da temperatura de derretimento do pó, e o pó é fornecido a um local na superfície, após o laser ter aquecido o referido local. Contrariamente aos métodos existentes, o pó não é por conseguinte introduzido no feixe do laser, nem é aplicado antes do aquecimento do laser ter lugar. A zona onde o feixe do pó contata a superfície necessita de estar o mais próximo possível da zona aquecida pelo laser, evitando ao mesmo tempo qualquer contato direto substancial entre o pó e o feixe do laser. 0 pó é assim derretido por contato com a superfície aquecida, e é formado um revestimento. Contrariamente, em particular, ao documento DE10020679, o laser que precede o fornecimento de pó não é utilizado para fins de limpeza. Este laser é a fonte de calor efetiva que fornece calor suficiente ao substrato, a fim de permitir que o pó se derreta ao contatar o substrato, enquanto de acordo com o documento DE10020679, é proporcionado um segundo laser para derreter o pó, depois de ter sido fornecido ao substrato. 0 método da invenção compreende uma segunda etapa, em que o revestimento assim aplicado é reaquecido por meio de um segundo varrimento com o laser, desta vez sem adição de pó. 0 poder do laser durante o segundo varrimento é preferencialmente menor do que durante o primeiro. 0 segundo varrimento preferencialmente tem lugar em linhas retas, perpendiculares às linhas retas do primeiro varrimento. 0 segundo varrimento é realizado para reduzir a rugosidade e a porosidade da superfície. A invenção está igualmente relacionada com um aparelho tal como definido na reivindicação 9. Ele compreende um laser e um sistema de abastecimento de material de revestimento, por exemplo, um bocal para o fornecimento de pó de polímero. No caso preferido, este aparelho permite que os substratos, por exemplo, rolos de fábricas de papel sejam revestidos in situ. Um sistema de controlo do processo está preferencialmente presente, em que a temperatura do substrato na zona aquecida por laser é controlada para permanecer dentro de limites predefinidos. 0 sistema de controlo do processo envolve um sensor de temperatura, preferencialmente um pirómetro, e meios de controlo para adaptar continuamente um parâmetro do sistema, a fim de que a temperatura permaneça dentro de limites predef inidos. Esse parâmetro pode ser a potência de saída do laser, ou a velocidade relativa entre o laser e o substrato. 0 aparelho pode ser equipado com um sistema de laser e de abastecimento de material de formação do revestimento, os quais estão dispostos para serem amovíveis em relação a um substrato estacionário, ou com um sistema de laser e de abastecimento de material de formação do revestimento, que são estacionários e em que o aparelho compreende ainda um meio para mover o substrato em relação ao sistema de laser e de abastecimento. 0 método da invenção providencia um bom resultado dado que o pó não entra em contato direto com o feixe do laser, tal como nos métodos da técnica anterior. Para resultados óptimos, a distância entre o local aquecido pelo laser e a zona onde o feixe de pó atinge a superfície deve ser mínima. Quando esta distância é superior ao valor mínimo, a temperatura da superfície já teria diminuído quando o pó atinge a superfície, a menos que a potência do laser seja aumentada. Este último caso, no entanto, conduziria a um maior risco de formação de óxido, o que é prejudicial para uma boa aderência do revestimento.

Breve Descrição dos Desenhos A Fig. la e lb ilustram a primeira e a segunda etapa do método da invenção. A Fig. 2 mostra uma vista geral esquemática do sistema de controlo do processo, que pode ser aplicado no método da invenção.

Descrição de uma Forma de Realização Preferida da Invenção A Figura la ilustra a primeira etapa do método de acordo com a invenção. Pode-se ver o substrato 1, o feixe do laser 2, o sistema de distribuição de pó 3. Para realizar uma passagem de revestimento, o feixe do laser, bem como o sistema de distribuição de pó estão a mover-se na direção da seta, a uma dada velocidade preferencialmente constante v. Como resultado, o revestimento de polímero 4 é formado na superfície do substrato.

Durante a etapa 2 (Fig. lb) , o mesmo feixe do laser é varrido pela superfície revestida, preferencialmente perpendicular, ou em qualquer caso num ângulo com a direção da primeira passagem.

Nos parágrafos seguintes, é divulgada uma descrição pormenorizada de possíveis e/ou preferidos parâmetros do processo do método da presente invenção. As experiências foram realizadas com um laser de CO2 contínuo de 6 kw com um integrador de feixe de 6x6mm para obter um perfil uniforme de feixe e temperatura no substrato.

Durante a primeira etapa o substrato (feito de aço inoxidável ou ferro fundido) é aquecido pelo varrimento da superfície com o feixe do laser e um pó de fluoropolímero é soprado sobre a superfície aquecida. 0 gás de transporte é Ar com um fluxo de 10 1/min e um fluxo máximo de pó. O distribuidor de pó (não mostrado) é aquecido a 50°C para evitar o bloqueio do sistema, devido à humidade. A interação direta entre o fluxo de pó de fluoropolimero e o feixe do laser é evitada devido ao elevado risco de destruir o pó pelo elevado nivel de energia do feixe durante esta etapa. Através do varrimento do laser e da distribuição de pó a uma velocidade de 300 mm/min e uma largura da etapa do processo de 9 mm, pode ser obtida uma camada rugosa de 100 ym de espessura. A rugosidade da superfície é muito elevada devido à presença de pó parcialmente derretido especialmente nas fronteiras das duas passagens próximas uma à outra. Um olhar mais atento no revestimento descobre que a porosidade é também bastante elevada. Por conseguinte, uma segunda etapa de laser, sem adição de pó, é aplicada para derreter novamente esta camada superior e para diminuir a rugosidade e a porosidade da superfície. A etapa de re-derretimento é realizada numa direção perpendicular à direção de revestimento e a um nível de potência muito inferior, normalmente 400 W e uma alta velocidade de 1000 mm/min. Após esta etapa de derretimento a espessura da camada é reduzida para 22 ym. O processo é controlado por um pirómetro ótico sem contato, que está continuamente a medir a temperatura da superfície na zona aquecida pelo laser. Para o controlo de circuito fechado, o sinal da temperatura real da superfície atua como uma variável de regulação enquanto a temperatura nominal é utilizada como variável de comando. De acordo com o mecanismo do controlador PID, ambos os sinais são comparados e um novo valor de saída é calculado a partir da diferença entre os dois valores. A potência do laser é a escolha preferida para a saída do controlador porque este é o valor mais flexível (em comparação com a velocidade relativa do laser-substrato). A Figura 2 mostra uma vista esquemática do circuito de controlo. 0 sinal de saida do pirómetro 10, medindo a temperatura da superfície do substrato 1, é utilizado como um sinal de entrada para o cartão de aquisição de dados 11 (após conversão do sinal mA para o sinal V) . As temperaturas medidas e desejadas são comparadas e é gerado um sinal de compensação, se necessário. O computador envia o sinal para o gerador de potência de laser 12 através do sistema de controlo de laser 13.

Exemplos de materiais utilizados e parâmetros do processo -resultados do ensaio

Para um pó de poliamida, o substrato é aquecido pelo laser a uma temperatura entre 120°C e 400°C, sendo os limites definidos, respetivamente, pela temperatura de derretimento do pó e a temperatura à qual ocorre a degradação do pó. A primeira etapa de varrimento com um pó de poliamida tem lugar preferencialmente a uma velocidade de cerca de 500 mm/min, enquanto a segunda etapa de varrimento tem lugar preferencialmente a cerca de 3000mm/min.

Para um pó PEEK, a temperatura à qual o substrato é aquecido pelo laser deve situar-se entre 340 e 570°C. A forma de realização preferida de um pó de fluoropolímero é um pó PTFE, no caso em que o substrato é aquecido a uma temperatura que está preferencialmente situada a cerca de 400°C, enquanto a velocidade de varrimento da primeira etapa de varrimento é preferencialmente de entre 300 e 600mm/min e a velocidade de varrimento da segunda etapa é preferencialmente em torno de lOOOmm/min. A validação final foi realizada em rolos industriais. Um cilindro de secagem para têxtil mobiliário pesado com um comprimento de 2m foi revestido a laser com um revestimento de f luoropolimero de 25 ym de acordo com o método da invenção. Este rolo transporta o têxtil através da área de secagem imediatamente após ter sido impresso. A temperatura de operação é de 130°C, a qual é critica para revestimentos tradicionais (mangas) . Após um teste de campo de 6 semanas de funcionamento continuo a máquina foi parada para manutenção e os rolos foram controlados. 0 revestimento tinha absorvido algum do corante vermelho especialmente nestes locais onde o contato entre o rolo e o tecido é mais elevado. Isto mostrou que o revestimento ainda mostra porosidades de absorção do corante, mas o têxtil não mostrou qualquer coloração indesejada. Além da descoloração, o rolo não mostrou qualquer dano, e o revestimento permanecia intato o que foi muito promissor para as futuras utilizações. 0 segundo teste de validação foi realizado num cilindro de secagem de fábrica de papel que leva a pasta de papel por meio de uma assim chamada "caixa quente". A temperatura de operação é de 130-150°C e a pasta de papel é muito agressiva, contendo fibras (fibras de algodão ou vidro). Após um teste de 275 horas, o revestimento continua a estar bastante suave e não foram observados danos dramáticos. 0 rolo foi feito de aço macio, que oxida facilmente, mas não foi detetada nenhuma oxidação o que mostra que a porosidade foi reduzida. Mais uma vez, a temperatura de funcionamento elevada destes rolos torna estes revestimentos superiores a mangas que se soltam devido a degradação do adesivo a temperaturas elevadas.

Lisboa, 17 de julho de 2015

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um método para a aplicação de um revestimento (4) num substrato (1), compreendendo: - uma primeira etapa de varrimento de um feixe de laser (2) ao longo de uma linha sobre a superfície do referido substrato e fornecimento de um material de formação de revestimento a partir de um sistema de abastecimento (3) , o referido sistema movendo-se ao longo da mesma linha que o feixe de laser, mas vindo por detrás do feixe de laser, de modo que o material de formação de revestimento é depositado num local que tenha sido previamente aquecido pelo feixe de laser a uma temperatura acima da temperatura de derretimento do material de formação de revestimento, em que substancialmente nenhum contato físico ocorre entre o feixe de laser e o material de formação de revestimento. - uma segunda etapa de varrimento da superfície, uma segunda vez com o referido feixe de laser, e sem o fornecimento do material de formação de revestimento. em que a primeira etapa realiza-se pelo varrimento do feixe de laser (2) e do sistema de abastecimento (3) num primeiro conjunto de linhas paralelas sobre a superfície do substrato, e em que a segunda etapa realiza-se em segundas linhas paralelas que fazem um ângulo com as primeiras linhas paralelas.
2. 2. 0 método de acordo com a reivindicação 1, em que as referidas segundas linhas paralelas são essencialmente perpendiculares às primeiras linhas paralelas.
3. 3. 0 método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que as referidas linhas são linhas retas.
4. 4. 0 método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que o referido material de formação de revestimento compreende um polímero em pó.
5. 5. 0 método de acordo com a reivindicação 4, em que o referido material de formação de revestimento é um fluoropolímero em pó.
6. 6. 0 método de acordo com qualquer uma das reivindicações supracitadas, em que: a temperatura é medida continuamente na zona de substrato que é aquecida pelo laser, - a referida medição é comparada a um valor nominal, - um valor de saída é modificado, de modo a minimizar a diferença entre a temperatura medida e o valor nominal.
7. 7. 0 método de acordo com a reivindicação 6, em que o referido valor de saída é a potência do laser.
8. 8. 0 método de acordo com a reivindicação 6, em que o referido valor de saída é a velocidade relativa do laser e do sistema de abastecimento em relação ao substrato.
9. 9. Um aparelho para a aplicação de um revestimento (4) num substrato (1), compreendendo: - meios para produzir um feixe de laser (2), adaptado para se mover com respeito a um substrato (1), - meios de abastecimento (3) para fornecimento de um material de formação de revestimento, adaptado para se mover juntamente com o laser, e disposto para depositar o referido material de formação de revestimento num local que tenha previamente sido aquecido pelo feixe de laser, em que substancialmente nenhum contato físico ocorre entre o feixe de laser e o material de formação de revestimento, - um pirómetro, disposto para medir a temperatura da superfície do substrato a ser revestido, e disposto num circuito de controlo de processo, e - meios para realizar o método de acordo com qualquer uma das reivindicações supracitadas. Lisboa, 17 de julho de 2015