Tự động theo dõi và kiểm soát độ nhớt dẫn đến lớp phủ chất lượng cao và bền vững
Các lớp phủ công nghiệp thực hiện nhiều chức năng khác nhau, từ chống ăn mòn và mài mòn cũng như chống tia cực tím, thông qua cách nhiệt và cách điện, đến cải thiện vẻ bên ngoài. Thị trường sơn phủ trải dài trên nhiều lĩnh vực bao gồm công nghiệp, ô tô, hàng hải, thép cuộn, đóng gói, vận tải và vật liệu xây dựng. Các thị trường mới và đang phát triển cần các giải pháp sơn được thiết kế tiên tiến với các đặc tính hiệu suất được kiểm soát chặt chẽ. Thách thức trong ngành sơn phủ đối với các thị trường hiện tại và mới nổi là giảm chi phí trong khi tối ưu hóa hiệu suất, giảm chất thải và tác động đến môi trường.
Các giả thiết về ứng dụng của lớp phủ
Với các lĩnh vực ứng dụng khổng lồ và nhu cầu ngày càng tăng từ các lĩnh vực sử dụng người dùng cuối, ngành công nghiệp này đang tìm kiếm những cách thức mới để nâng cao hiệu quả, chất lượng và lợi nhuận. Các nhà lãnh đạo ngành trong mọi lĩnh vực đang tiến tới việc áp dụng các công nghệ tiên tiến hơn như tự động hóa, Internet vạn vật, công nghiệp (IIoT) và các kỹ thuật mô phỏng.
Ứng dụng của lớp phủ
Quy trình sơn phủ và hoàn thiện sử dụng công nghệ tiên tiến để tạo ra các bề mặt bền, chất lượng hoàn thiện cao, đồng thời tối đa hóa hiệu quả quy trình và đáp ứng các quy định về môi trường. Tính nhất quán của bề mặt, chất lượng và sự đa dạng của sản phẩm đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự hài lòng của khách hàng. Số lượng và chất lượng lớp phủ có ảnh hưởng lớn và trực tiếp đến chi phí sản xuất, bán hàng và dịch vụ bảo trì.
Độ nhớt của vật liệu phủ là yếu tố trung tâm để đạt được tính nhất quán. Nó là một chỉ số hiệu quả của nồng độ chất rắn phủ trong chất lỏng, là cơ sở cho độ dày và tính đồng nhất của màng. Tất cả các thông số hiệu suất đều phụ thuộc vào độ nhớt của lớp phủ lỏng tại điểm thi công. Chúng bao gồm xây dựng màng phủ, hiệu quả chuyển giao, độ dày và lắng đọng của lớp phủ, sự phù hợp màu sắc, chất lượng bề mặt hoàn thiện và khả năng chống hóa chất. Độ nhớt là yếu tố chính ảnh hưởng đến độ dày và độ bám dính của lớp phủ. Kiểm soát độ nhớt thích hợp đảm bảo chất lượng và tuổi thọ của lớp sơn, giúp đáp ứng nhu cầu cao nhất về chất lượng và năng suất của quá trình sơn phủ.
Một hệ thống phủ điển hình bao gồm: nguồn cung cấp nguyên liệu gốc và chất lỏng trang điểm, thùng trộn khuấy, máy bơm, đường cấp đến thiết bị phun, bản thân thiết bị phun và đường trở lại thùng trộn. Dụng cụ bôi có thể sử dụng quy trình nhúng, cuộn, phun, phun chảy hoặc các quy trình khác. Nếu dung dịch phủ không đủ nhớt, lớp phủ trên sản phẩm có thể không đủ dày để bảo vệ. Tuy nhiên, nếu độ nhớt quá thấp, màng sơn sẽ chảy xệ trên bề mặt thẳng đứng dẫn đến lớp phủ không đồng đều. Điều này đòi hỏi các lớp hoàn thiện với các đặc tính lưu biến phức tạp. Chúng phải có độ nhớt thấp trong quá trình phun, và độ nhớt cao hơn nhiều khi vật liệu tiếp đất trên bề mặt cần phủ. Ngoài ra, độ nhớt của lớp phủ phụ thuộc vào nhiệt độ, để duy trì chất lượng hoàn thiện cần phải bù độ nhớt của vật liệu phủ theo nhiệt độ ứng dụng xung quanh.
Giám sát và kiểm soát độ nhớt hiện tại của lớp phủ
Độ nhớt thường được đo trong phòng thí nghiệm bằng dụng cụ quay, chẳng hạn như máy đo độ nhớt kiểu Brookfield hoặc máy đo lưu biến độ chính xác cao. Điều này cho phép kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt, điều cần thiết để mô tả các đặc tính lưu biến của vật liệu phủ. Tuy nhiên, các phép đo này, được thực hiện trên các mẫu được lấy từ sàn sản xuất, có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí hàng ngày để phân tích, do đó các phép đo của chúng có thể không đặc trưng cho trạng thái thực tế của vật liệu hiện đang được áp dụng.
Trên sàn sản xuất, độ nhớt thường được đo bằng cách định thời gian chảy của nó từ một thiết bị giống như phễu, chẳng hạn như Ford hoặc cốc xả tương tự. Người vận hành đổ đầy cốc theo công thức và đo thời gian cần thiết để cốc cạn. Thời gian càng lâu thì độ nhớt càng cao. Việc này thường được thực hiện trong khoảng thời gian từ 15 phút trở lên, do đó chỉ có thể phát hiện sự sai lệch về độ nhớt sau khi đã sơn một lượng đáng kể lớp sơn phủ. Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ của các phép đo cốc là rất khó, nếu không muốn nói là không thể, có thể dẫn đến sự khác biệt lớn giữa các giá trị đo được và độ nhớt thực tế tại điểm áp dụng. Các phép đo ngoại tuyến như vậy không thể nắm bắt được sự thay đổi độ nhớt do sự thay đổi nhiệt độ, sự biến đổi pha trộn và bay hơi khi chúng xảy ra.
Sự thay đổi nhiệt độ vật liệu dẫn đến sự thay đổi độ nhớt của vật liệu phủ, dẫn đến sự khác biệt về cấu trúc hoặc chảy xệ. Trong hầu hết các hệ thống sơn, có xu hướng lắng cặn của các thành phần chất kết dính và sắc tố chứa trong sơn. Vật liệu phủ không đồng nhất chắc chắn dẫn đến kết quả lớp phủ không đầy đủ. Các thành phần được xử lý có thể dẫn đến tắc nghẽn và dần dần các đường dây bị chặn. Các thành phần lớp phủ bị bong tróc dẫn đến việc làm bẩn màng sơn. Các biến thể, khó kiểm soát dẫn đến độ dày màng không chính xác và do đó dẫn đến các sản phẩm cuối không sử dụng được kém chất lượng, với các đặc điểm hình ảnh hoặc hiệu suất khác không thể chấp nhận được.
Đo độ nhớt nội tuyến để cứu hộ
May mắn thay, các giải pháp có sẵn cho phép đo và kiểm soát độ nhớt nội tuyến, theo thời gian thực, giúp bạn có thể phát hiện các biến thể của quá trình khi chúng xảy ra. Sự dao động độ nhớt do thêm dung môi hoặc chất phủ, thay đổi nhiệt độ và bay hơi có thể được bù tự động trước khi chúng ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ. Việc theo dõi độ nhớt liên tục có thể tương quan với vật liệu phủ và lượng dung môi tiêu thụ, cũng như độ dày và chất lượng của màng, nhằm thay đổi chiến lược các thông số của quá trình để tối ưu hóa quá trình phủ. Kiểm soát độ nhớt nội tuyến có thể dẫn đến chất lượng sản phẩm cao hơn, tăng năng suất, tiết kiệm đáng kể việc sử dụng chất phủ và dung môi phủ, cũng như giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của quá trình phủ, so với các phép đo truyền thống, ngoại tuyến với cốc xả.
Sự bay hơi của dung môi, thêm lớp phủ mới hoặc dung môi vào thùng trộn, lắng cặn có thể dẫn đến sự thay đổi độ nhớt của vật liệu phủ, dẫn đến lỗi lớp phủ hoặc lớp phủ quá mức và tiêu thụ dung môi.
Nhiệt độ cũng là một biến quan trọng trong việc xác định độ nhớt. Thật không may, nhiệt độ trong môi trường sản xuất thường không được kiểm soát tốt. Độ nhớt, phản ánh hàm lượng chất rắn trong lớp phủ, phải chính xác bất chấp sự thay đổi nhiệt độ. Các phép đo cốc không có đo nhiệt độ cũng như kiểm soát, vì vậy không thể so sánh trực tiếp với nhiệt độ phun thực tế. Điều này có thể dẫn đến sự thay đổi về chất lượng lớp phủ khi nhiệt độ quá trình thay đổi.
Trình điều khiển cho việc áp dụng quản lý độ nhớt thời gian thực của lớp phủ
Có bốn yếu tố quan trọng làm cho việc quản lý độ nhớt trở nên quan trọng trong các ứng dụng sơn phủ:
- Chất lượng sản phẩm cuối cùng:Chất lượng lớp phủ kém có thể ảnh hưởng xấu đến các đặc tính mong muốn của lớp sơn – chất lượng bề mặt hoàn thiện, độ lắng đọng của lớp phủ, đặc tính bảo vệ và khả năng phản ứng hóa học. Tất cả những đặc tính này phụ thuộc vào mức độ kiểm soát của quá trình sơn phủ, do đó việc kiểm soát độ nhớt là rất quan trọng.
- Giảm chi phí bằng cách giảm lãng phí: Trộn quá nhiều không chỉ có thể ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm cuối cùng mà còn lãng phí các thành phần, nguyên liệu thô, thời gian và năng lượng. Quản lý độ nhớt trong quá trình trộn có thể xác định điểm cuối một cách đáng tin cậy và chính xác, do đó dẫn đến giảm đáng kể mức tiêu thụ nguyên liệu, sử dụng năng lượng, loại bỏ và chất thải.
- Hiệu quả:Việc theo dõi độ nhớt theo thời gian thực, miễn phí, giúp loại bỏ việc phân tích trong phòng thí nghiệm tốn kém và tốn thời gian, thường dẫn đến phản ứng chậm trễ với các thay đổi của lớp phủ Đảm bảo tính nhất quán trong suốt quá trình sơn làm giảm đáng kể tỷ lệ loại bỏ, tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời cải thiện lợi nhuận.
- Tự động hóa:Tự động giám sát và kiểm soát quá trình chuẩn bị và ứng dụng lớp phủ thực hiện bước lấy mẫu và thử nghiệm thủ công dễ xảy ra sai sót và giúp người vận hành tập trung vào chất lượng của sản phẩm cuối cùng.
Các ứng dụng sơn phủ cần có công nghệ quy trình tiên tiến để đo và kiểm soát độ nhớt trong dòng chính xác, theo thời gian thực
Phép đo độ nhớt nội tuyến yêu cầu một cảm biến độ nhớt nhỏ gọn, mạnh mẽ, được kết hợp với hệ thống đo lường và điều khiển để chuyển số đọc của cảm biến thành thông tin được sử dụng để theo dõi và kiểm soát độ nhớt của quá trình.
Một công nghệ đã được chứng minh là có thể áp dụng đặc biệt cho các phép đo nội tuyến sử dụng một bộ cộng hưởng cơ học có dao động bị cản trở bởi độ nhớt của vật liệu phủ. Một hệ thống điện tử được kết nối với cảm biến cộng hưởng sẽ đo độ giảm chấn của nó và chuyển giá trị này thành giá trị độ nhớt. Ngoài ra, một thiết bị cảm biến nhiệt độ được lắp đặt trong cảm biến độ nhớt cung cấp phép đo nhiệt độ vật liệu phủ một cách chính xác tại điểm đo độ nhớt.
Công nghệ cảm biến cộng hưởng cung cấp một giải pháp thích ứng độc đáo để giám sát và kiểm soát lớp phủ nội tuyến. Chúng đáp ứng nhiều yêu cầu về đo lường chính xác và đáng tin cậy:
- Tính chắc chắn– chúng duy trì độ chính xác và khả năng lặp lại qua nhiều biến thể của các thông số quy trình. Chúng không có các bộ phận quay và các khe hở hẹp đặc trưng của máy đo độ nhớt và máy đo lưu biến trong phòng thí nghiệm. Hơn nữa, chúng có thể hoạt động trong môi trường có mức độ rung và sốc cao.
- Tính độc lập của người vận hành– cả cốc xả và dụng cụ phòng thí nghiệm đều yêu cầu người vận hành khéo léo để duy trì các phép đo đáng tin cậy, có thể lặp lại. Nếu không được đào tạo đầy đủ và chú ý đến từng chi tiết, các phương pháp phụ thuộc vào người vận hành thường không đáng tin cậy để duy trì sự kiểm soát chặt chẽ đối với quá trình sơn phủ.
- Khả năng tương thích với các hệ thống giám sát và điều khiển tự động– Việc triển khai các phương pháp luận của Công nghiệp 4.0 đòi hỏi sự giao tiếp liền mạch của các hệ thống đo lường với công nghệ hiện có của nhà máy. Hệ thống máy đo độ nhớt cộng hưởng cung cấp nhiều tùy chọn đầu ra, bao gồm PROFINET và OPC UA để thu thập dữ liệu trực tiếp bằng hệ thống PLC và SCADA của nhà máy. Ngược lại, các phương pháp ngoại tuyến yêu cầu giai đoạn trung gian của người vận hành nhập các giá trị độ nhớt theo cách thủ công, một quy trình dễ xảy ra sai sót và sai sót và không tạo ra khả năng truy xuất nguồn gốc hoàn chỉnh của quy trình.
- Kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ– một cảm biến cộng hưởng tốt có đo nhiệt độ được tích hợp vào phần tử cảm biến. Điều này cho phép mô tả đặc tính của vật liệu phủ tại điểm đo độ nhớt, thay vì trong điều kiện phòng thí nghiệm.
- Bảo trì đơn giản– các cảm biến cộng hưởng tiên tiến nhất để lộ các phần tử cảm biến được làm kín, bền về mặt cơ học với vật liệu phủ. Chúng không có khe hở và lỗ sâu, và có thể dễ dàng làm sạch tại chỗ (CIP) hoặc loại bỏ chỉ cần lau sạch bằng giẻ tẩm dung môi. Các hệ thống thậm chí còn có sẵn cho phép rửa cảm biến trong dây chuyền, cùng với hệ thống tự kiểm tra cho biết cảm biến có sạch và không bị nhiễm bẩn hay không.
- Hiệu quả về chi phí– mặc dù chi phí ban đầu tương đối cao hơn khi so sánh với cốc tràn, nhưng hệ thống đo cộng hưởng nội tuyến nhìn chung rẻ hơn nhiều so với các dụng cụ phòng thí nghiệm điển hình, đặc biệt là khi chi phí định kỳ của các kỹ thuật viên phòng thí nghiệm có tay nghề cao được tính vào phương trình. Chi phí tuổi thọ của những máy đo độ nhớt nội tuyến này thấp hơn đáng kể so với cốc thủ công khi tính đến chi phí nhân công.
Độ nhớt và nhiệt độ: Mối quan hệ mật thiết
Độ nhớt của gần như tất cả các chất lỏng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Một phép đo độ nhớt mà không có sự kiểm soát nhiệt độ chính xác và chặt chẽ là vô nghĩa. Vì lý do này, điều cần thiết là nhiệt độ của chất lỏng được đo càng gần với điểm đo độ nhớt càng tốt trong thực tế. Các thiết bị như Rheonics SRV có phép đo nhiệt độ chính xác được tích hợp vào phần tử cảm biến để giá trị của mọi phép đo độ nhớt đi kèm với giá trị nhiệt độ.
Đo nhiệt độ chất lỏng tại chính xác điểm đo độ nhớt có một lợi thế hơn nữa. Có thể mô tả mối quan hệ của độ nhớt lớp phủ với nhiệt độ bằng cách thay đổi nhiệt độ của nó trong phạm vi dự kiến trong vạch phủ, đồng thời đo độ nhớt của nó bằng nhớt kế nội tuyến. Các phép đo kết quả có thể được sử dụng để rút ra công thức cho phép tính toán độ nhớt của chất lỏng ở bất kỳ nhiệt độ nào trong phạm vi này từ phép đo ở bất kỳ nhiệt độ nào khác trong phạm vi này. Do đó, cái gọi là độ nhớt bù nhiệt độ độc lập với nhiệt độ thực của quá trình. Độ nhớt bù nhiệt độ rất quan trọng vì nó phản ánh một số thông số quá trình rất liên quan, chẳng hạn như tải sắc tố hoặc nồng độ dung môi, cả hai đều không phụ thuộc vào nhiệt độ.
Đo độ nhớt đáng tin cậy cho phép kiểm soát dự đoán để tích hợp công nghiệp 4.0
Một số yếu tố chính trong việc đưa các dây chuyền sơn phủ theo tiêu chuẩn Công nghiệp 4.0 bao gồm:
- Tính nhất quán trong lớp phủ thông qua các hành động sửa chữa tự động
- Nhanh nhạy trong việc xử lý các biến thể sản phẩm mới trong sản xuất, tuân thủ và xuất xứ sản phẩm
- Dữ liệu lớn cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho các quyết định cơ sở để đạt hiệu quả cao hơn
- Kết nối liên thông và minh bạch thông tin cho phép người điều hành đưa ra quyết định cả bên trong và bên ngoài cơ sở sản xuất, do đó cho phép phân cấp các quyết định
- Giảm lượng khí thải carbon – Tối ưu hóa quy trình sơn phủ làm giảm việc sử dụng vật liệu, tiêu thụ năng lượng và chất thải – tất cả những điều này làm giảm đáng kể ngân sách CO2 của quá trình sơn phủ.
- Lợi tức đầu tư (ROI) trên các máy đo độ nhớt nội tuyến điển hình là theo thứ tự từ 3-6 tháng.
Hình: Sơ đồ thể hiện sự tích hợp nội tuyến của máy đo độ nhớt và bộ điều khiển trong quá trình sơn / phủ ô tô Sơ đồ thể hiện sự tích hợp nội tuyến của máy đo độ nhớt và bộ điều khiển trong quá trình sơn / phủ ô tô.
Kết luận
Hệ thống cảm biến và điều khiển hiện đại giúp kiểm soát quá trình sơn phủ tiên tiến để phù hợp với các yêu cầu của Công nghiệp 4.0. Bằng cách ghép nối các cảm biến nội tuyến chính xác, đáng tin cậy với hệ thống điều khiển trực tuyến tinh vi, việc kiểm soát độ nhớt có thể đạt được các tiêu chuẩn yêu cầu của dây chuyền sơn tự động, tốc độ cao, đồng thời nâng cao năng suất và sự phù hợp với các tiêu chuẩn môi trường. Những hệ thống như vậy mở ra cho những phát triển trong tương lai trong lĩnh vực này, cho phép thích ứng nhanh với việc thay đổi công thức lớp phủ và những cải tiến trong công nghệ ứng dụng.
Nguồn: Manpreet Dash, Sunil Kumar,
Joe Goodbread, Vijoya Sa
Rheonics GmbH
Mai Thanh biên tập