2017年底，圣克莱尔系统公司、卡莱尔流体技术公司和BYK Gardner合作，最终证明了常见工艺变量是如何结合并促进高度关键喷涂表面橘皮的形成的。在这个由两部分组成的系列中，我们将探索这种精心设计的实验(DOE)如何隔离和对比三个关键过程变量的影响和相互作用:

1. 成膜
2. 雾化,
3. 涂层粘度(由温度决定)。

评价它们对成品质量影响的主观标准是波扫描平衡和图像清晰度(DOI)。虽然这一系列测试的第一个，最终目标是确定如何控制橘子皮，并通过管理关键的过程变量来提高整体成品质量。在本系列文章中，我们将回顾测试过程、获得的数据以及对这些数据的分析。

警告:涂膜的形成、雾化和涂膜温度都对成品质量有显著的交互影响，尤其是橘子皮。

的关键球员

卡莱尔流体技术公司是全球精密精加工设备的领导者，是五大品牌的母公司，其开拓历史和精加工专业知识在全球得到认可:DeVilbiss, Ransburg, MS, BGK和Binks。他们提供了俄亥俄州托莱多的实验室设施，必要的机器人配药设备和知识渊博的人员，以促进测试。

BYK公司隶属于ALTANA集团，是添加剂和测量仪器领域的全球领先供应商之一。BYK-Gardner是他们的仪器部门，他们提供了Wave-Scan II激光测量系统和一个有才华的团队来支持它。波扫描测量技术是客观橘皮和图像清晰度测量的全球“金”标准。

圣克莱尔系统公司是全球知名的温度和粘度控制领域的领导者，在超过25年的时间里，提供了一个展位内，应用点，2K涂料温度控制系统，在整个测试过程中设置和保持清洁涂层在任何所需的温度。

为什么关注橘子皮?

很明显。也就是说，每个人都可以用肉眼看到。颜色，虽然非常重要，但是非常主观的，变化可能很难从视觉上察觉。同样，一个人的光泽可能是另一个人的半光泽。虽然有仪器可以主观地测量颜色和光泽，但如图1所示的橘皮，即使是未经训练的眼睛，也是很明显的。

谁在乎橘子皮?

橘子皮通常被认为是外观问题，但产品被涂上橘子皮的原因有很多，远不止是为了提高美观。涂层可以防止划伤、潮湿、腐蚀和紫外线损伤。它们也可能影响零件在其最终应用中的性能。降低阻力是涂料在汽车、航天和航空工业中的关键功能。想想汽车、飞机、风力涡轮机叶片、船只和潜艇，甚至火箭、导弹和鱼雷。它们表面光洁度的结构决定了它们通过空气或水时的阻力系数。光滑的表面产生更低的阻力，而更低的阻力意味着更高的效率和更高的燃油经济性。实际上，这可以决定一辆汽车每加仑行驶的英里数，或一架飞机或导弹的射程。考虑到橙皮对航空公司燃油成本的经济影响，很容易就能看出这远远超出了简单的美学。

但橘子皮的美感也要付出代价。以汽车为例。现代汽车由许多部件组成，每一个部件都由最适合其功能的材料制成。这些部件是在提供最大的比较优势的设施中生产的，因此，OEM的成本最低。这些工厂可能在不同的州，甚至是不同的国家，从组装工厂，他们都汇集到最后的汽车。这意味着各种各样的基材，包括各种钢和铝的合金，一系列热塑性塑料和复合材料配方，以及许多其他材料，所有这些材料都在数十英里、数百英里甚至数千英里之外的设施中进行涂层。然而，当它们被放在一起，并在最后的组装中相邻放置时，它们都必须匹配，通过比较，完成质量的差异会脱颖而出。这是一个常见的例子，说明了建立方法来控制在最终应用中的光洁度的重要性，以便始终如一地满足所需的严格外观标准。

汽车终端客户越来越高端。他们不仅希望乘坐舒适、安静、有灵敏的驱动系统和搬运装置，他们还希望车辆内部和外部都有良好的贴合和完成度。问题是，我们的客户希望看到类似于图2的内容，而我们要求他们接受类似于图3的内容。

为什么有必要进行测试?

作为各种流体点胶系统的工艺温度和粘度控制系统的供应商，我们已经与油漆和涂料用户合作超过25年。在这样一段时间内，您会听到许多处理器用来指导操作的“经验法则”。很多时候，它们是基于观察和感知，而不是可靠的科学。其中之一是将温度控制在一个狭窄的窗口内，以保持过程结果的一致性。画家也不例外。我们一次又一次地被告知，为了控制橘子皮，有必要将油漆温度保持在3 °C左右的窗口内。缩放无关紧要，因为±3 °F相当于3.3 °C的窗口!

例如，中西部一家高端汽车外观和性能部件制造商发现，油漆温度变化3 °F会导致a级漆面的橘皮无法接受:

“作为我们在Roush持续改进计划的一部分，我们决定采取更积极的方法来控制油漆车间的温度。由此产生的质量改进立即被注意到，并帮助提高了我们的首次使用能力，并将其维持在我们需要的位置。——来自Roush Manufacturing的Patrick Henterly。¹

我们称之为“三度法则”。3是占线号码。事成三。就像打喷嚏。坏事似乎总是接连不断。当我们试图把事情做好的时候，我们甚至会使用一些俗语，比如“第三次才是成功的”。但这不是迷信。事实上，有大量的数据支持我们的“3度法则”。

我们经常引用的一个例子是常见的威士伯溶剂涂料的温度粘度曲线，如图4所示。这显示了涂料在正常环境温度范围内的典型非线性关系。值得注意的是，几乎所有的液体都具有这种特性，这是一种物理性质，而不是缺陷。但重要的是，威士伯指出，这种涂层材料的最佳应用粘度范围是26±2秒。当这延伸到曲线并向下投影时，如图所示，我们可以看到它与3 °C窗口相关，从26.5 °C到29.5°C。如果油漆温度超出这个3 °C的范围，就超出了最佳粘度范围，就会导致涂装问题。橘皮、光泽、配色、附着力、起泡等问题。

支持字段数据

在《PCI》杂志2013年7月的数字版上，我们的文章《涂料温度控制解决表面缺陷》揭示了一项与西班牙一级汽车供应商进行的研究，在该研究中，我们研究了生产环境中温度对表面质量的影响。

在我们第一次使用BYK Wave-Scan测量系统作为标准的深入测试中，我们在不同的温度下运行了多个机架的部件，以确定温度对漆面质量的影响。该客户的标准是计算的短波和长波平衡和图像清晰度(DOI)。温度对这些测量结果的影响是显著的，如图5所示。

在这里，我们看到最优短波性能略高于23 °C，而最优长波性能发生在大约21 °C。此外，短波图实际上是长波图的倒置。

请注意，这两个地块覆盖相同的19-25 °C温度范围和三步Wave-Scan范围。如果我们把这两组数据放在同一个图上，就像我们在图6中看到的那样，我们可以看到短波-长波平衡是温度的函数。

这显示了优化短波和长波参数的平衡点大约发生在22.3 °C。将温度提高到24 °C将优化短波性能，牺牲长波。相反，降低温度至21 °C将优化长波性能，牺牲短波。这提供了简单地通过在应用过程中调整涂层温度来改变表面光洁度中短波和长波之间的平衡的能力。注意这个平衡的3 °C优化范围——同样是“3°C规则”。

为什么基于过程的测试很重要?

大多数涂料实验室测试都是通过压降完成的。传统上，在平板上使用拉杆完成，手动或机器，它们是测试薄膜相关参数的理想选择，如颜色、不透明度、干膜构建、光泽、颜料分散和固化稳定性，等等。

递减法的问题在于它不能直接模拟最终的生产过程。首先，降低通常是在纸或塑料卡上，而不是实际的基板上。其次，汽车和飞机，雪上摩托和水上摩托，摩托车和船只，船只和潜艇，风力涡轮机叶片，火箭和导弹都是由混合的垂直和水平表面结合复杂的曲线，没有一个可以涂上下降杆。这就是他们被喷的原因。简而言之，压降过程忽略了衬底问题，喷雾过程变量，如雾化、气流和蒸发，仅举几个例子。

为了产生直接适用的结果，测试方法必须模拟生产过程，并在类似的基板上进行。

创建基于流程的测试

该测试的目的是模拟汽车涂装过程，因此我们决定在ACT 12“x 18”电子涂层冷轧钢板上进行测试。由于在我们的DOI中涉及到三个变量的组合和排列的数量，我们还决定缩小我们的重点，使用旋转钟形雾化器只在水平方向上喷洒面板，将垂直喷洒作业留到以后的测试中进行。此外，我们决定，由于大多数涂层人员认为橙皮是在透明涂层层形成的，我们将重点测试这一层。这很适合使用电子涂层测试板，因为他们提供了一个光滑，一致的完成上面应用的清洁涂层。这就消除了任何可能归因于基础层的变化。这使我们能够专注于我们所选的三个变量对清漆性能的影响，而不受干扰。

本次测试提供了一种常见的ppg2k汽车清洁漆。在卡莱尔的托莱多实验室里，一个标准的发那科P250喷漆机器人被选中，在每块面板上复制相同的路径、速度、距离和角度。它配备了Ransberg RMA 560 Bell来处理雾化，并与他们的RCS(比例控制系统)相结合，以控制透明涂层流量、树脂/催化剂比、杯形速度和成型空气。所有这些都设置在他们的侧吃水测试台上，如图7所示。

与大多数实验室一样，卡莱尔的托莱多实验室是一个气候可控的环境。环境被连续监测，发现在整个测试过程中保持在70 °F±1.0 °F。所有的测试板都存储在这种环境中，以确保测试期间衬底温度稳定。

为了管理透明涂层的温度(以及粘度)，使用了圣克莱尔系统的展位内应用点温度控制系统(TCS)。该系统由SCS的AT-5900 TCU(温度控制单元)(如图8所示)和专利的Recorable同轴软管(一个用于树脂，一个用于催化剂，如图9所示机器人)组成。这些连接到我们正在申请专利的温控2K混合器块，如图10所示，它取代了常见的y型混合器块，不仅提供回流控制，还可以直接连接到钟形入口之前的静态混合器。安装在树脂路径上的RTD向TCU提供温度反馈，以确保在整个测试过程中，给钟的透明涂层的温度保持恒定。该系统还可以快速改变透明涂层的温度，并稳定下来，以便每组面板可以在不同的温度下进行喷涂。这模拟了油漆温度的变化被喂到钟作为温度变化从早晨到晚上或从季节到季节。

流程定义

试验过程中的所有步骤都设计成模拟生产线过程。为了提高大多数透明涂层所需的更高的膜层，在两道操作中应用它们是很常见的。为了模拟在两个连续的隔间中发生的情况，在两次传送之间设置了1分钟的闪光时间。然后，为了模拟通过闪光隧道进入烘箱的过程，在最后喷涂后，在固化前插入10分钟的闪光时间。根据PPG对金属峰值温度和持续时间的建议，固化参数在275 °F烘箱中设置为25分钟，在平板上固化。

为了明确测试过程，有必要在我们的实验设计中设置变量的边界和增量。它们的定义如下:

• 成膜量在140 ~ 180万毫升之间，每增加0.2万毫升。
• 雾化，设置杯速度，将范围从25K RPM到45K RPM在10K RPM的增量。
• 透明涂层的温度从65 °F到105 °F，每5 °F增加一次。
• 定义了这些限制之后，我们就可以开始创建测试面板集了。

创建测试面板

测试程序的第一步是设置胶片的构造。为了保持机器人程序对所有面板的一致性，通过RCS改变透明涂层的流速来设置膜的构建——这是一项简单的任务，因为它具有固有的比例管理功能。这是通过计算得到的近似值，然后通过喷涂面板进行微调，固化它，并用费舍尔瞄准镜测量干膜。这个过程反复进行，直到形成所需的薄膜。由于这是最长的设置，所有后续测试都在这个薄膜构建中运行，以开发整个面板设置，然后再移动到下一个薄膜厚度。

接下来，TCU被设置在65 °F，并允许稳定。一旦温度稳定，杯速设定为25K RPM，第一块面板喷涂。记录完井时间，并将其留置，进行10分钟的闪光。然后将杯速增加到35K RPM (RCS上的一个简单设置)，运行下一个65 °F的面板，记录其完成时间，并留出10分钟的闪光。杯的速度然后增加到45K RPM和最后65 °F面板运行，其完成时间记录，并留出其10分钟的闪光。为了准备下一组三面板，TCU被设置在70 °F，并允许稳定，然后在25K RPM、35K RPM和45K RPM的转速下涂覆面板。

重复这个子过程，每组增加5 °F的温度，直到三组面板的最高温度105 °F完成。

当每个面板达到其10分钟的闪光时间，它被放置在固化烤箱和进入时间记录。25分钟后取出，冷却至室温，再进行处理。这导致了一组27个面板，具有1.4 mil DFT。

然后增加流量，产生1.6 mil DFT，重复上述过程，产生一组27块具有1.6 mil DFT的面板。接下来，这整个过程再次重复，以生产一套27块面板与1.8 mil DFT。

完整的81件DOE面板完成后，下一步是使用Wave-Scan II测量面板上的橘皮，并分析结果。在本系列的最后一部分中，我们将检查测量过程及其对该实验设计的适用性，然后对该数据进行深入分析，得出结论，并根据结果定义将要执行的下一个测试。

参考文献

给Chuck Hasse, St. Clair Systems, Inc.的推荐信，经许可转载，由Roush Manufacturing的Patrick Henterly提供。

涂料温度与粘度数据由Alsco Metals Corporation - Roxboro, NC提供。