精密粉体塗装｜金属部品の表面仕上げ

粉体塗装とは何ですか？

粉体塗装は 表面仕上げ工程 静電誘導を利用して被塗物と粉末粒子を反対の電荷で帯電させ、粉体塗料を被塗物表面に密着させる。樹脂や顔料を含むほとんどの塗料成分は、導電性誘電体材料として機能する高分子有機化合物で構成されている。塗布後、粉末は溶融、流動均し、熱硬化を経て連続的な塗膜を形成する。

粉体塗装は、充電メカニズムに基づいて大きく2種類に分類できます。

• 高電圧静電粉体塗装
• 摩擦帯電型静電粉体塗装

高電圧静電粉体塗装では、スプレーガンを高電圧静電発生器に接続します。ガン電極と接地された被塗装物（正極）との間に高電圧静電場が形成され、ガンノズル付近でコロナ放電が発生します。

粉末粒子がコロナ放電領域を通過する際、負電荷を帯びて帯電粒子となる。静電気力の影響により、これらの粒子は被加工物の表面に引き寄せられ、付着する。溶融、流動平滑化、硬化を経て、滑らかで均一なコーティング膜が形成される。

しかし、ファラデーケージ効果のため、粉末粒子は凹部、角、深い空洞などに浸透しにくく、そのような領域で十分なコーティング被覆率を達成することは困難である。

摩擦帯電式粉体塗装では、圧縮空気によって粉末が摩擦式スプレーガンを通して運ばれます。粉末粒子がガンの内壁に擦れると、摩擦帯電によって正に帯電します。帯電した粉末は、空気の流れと静電気の引力によって負に帯電した被塗装物に向かって押し出され、被塗装物の表面に付着し、その後硬化して塗膜を形成します。

摩擦帯電粉体塗装は外部静電場を必要としないため、ファラデーケージ効果の影響を受けません。その結果、複雑な形状や精巧な構造を持つワークピースに対しても、より優れた塗膜被覆率を実現できます。

粉体塗装の工程

一般的な静電粉体塗装プロセスは、以下のステップで構成されます。

表面前処理 → 粉体塗装 → 硬化 → 検査 → 完成品

表面前処理段階

粉末を塗布する前に、ワークピースは冷間圧延鋼の表面から油、グリース、汚れ、ほこりを除去するための前処理を受けなければなりません。このプロセス中に、 リン酸亜鉛コーティング 通常は、塗膜の密着性を向上させるために表面に形成される。

前処理後、粉末を塗布する前に、ワークピースを完全に乾燥させ、35℃以下に冷却する必要があります。これにより、最適な物性、コーティング性能、および表面外観が確保されます。

粉体塗装工程

加工物はコンベアシステムによって粉体塗装ブースに搬送され、そこで塗装作業のためにスプレーガンが設置される。

静電発生器は、スプレーガンのノズル部分にある電極針に高電圧の負電荷を印加します。この高電圧電界によって周囲の空気がイオン化され、ガンから噴射される粉末と空気の混合物が帯電します。

ワークピースはコンベアハンガーシステムによって接地され、スプレーガンとワークピースの間に電界が発生します。静電気による引力と圧縮空気圧の両方の力によって、粉末粒子がワークピース表面に付着し、均一なコーティング層が形成されます。

粉体塗装パウダー

主となるコーティング材料はエポキシ・ポリエステルハイブリッド粉体塗料であり、通常以下の成分を含む。

• エポキシ樹脂
• ポリエステル樹脂
• 硬化剤
• 顔料・色素
• フィラー
• フローモディファイア
• 耐湿性添加剤
• エッジカバレッジ強化剤
• その他の機能性添加物

熱硬化後、これらの材料は所望の保護および装飾コーティングを形成します。圧縮空気は補助媒体として使用され、油分や水分を含まないものでなければなりません。一般的な品質要件は以下のとおりです。

• 水分含有量：1.3 g/m³未満
• 油分含有量：< 1.0 × 10⁻⁵ %

硬化段階

硬化過程において、エポキシ樹脂中のエポキシ基は、ポリエステル樹脂中のカルボキシル基および硬化剤中のアミノ基と縮合反応および付加反応を起こし、架橋ポリマーネットワークを形成すると同時に、少量の気体副生成物を放出する。

硬化プロセスは4つの段階から構成されます。

1. 融解
2. 流量平準化
3. ゲル化
4. 硬化

温度が粉末の融点に達すると、外側の粉末層が溶け始め、完全に溶けるまで徐々に内側の粉末と融合します。完全に溶けると、コーティングは表面をゆっくりと流れ、薄く滑らかな膜を形成します。温度が上昇し続けると、コーティングはゲル化点に達し、短いゲル化段階に入ります。さらに加熱すると、化学的な架橋反応が開始され、コーティングが永久的に硬化します。典型的な硬化条件：

• 温度：180°C
• 時間：15分

検査段階

硬化後、コーティングされたワークピースは、次のような要素について目視検査されます。 表面粗さ光沢の均一性、粒子汚染、ピンホール、クレーターなど。

コーティングの厚さは通常 55 ～ 90μm の範囲で制御されます。最初の生産ロットまたは粉末の種類を変更する場合は、外観、光沢、色差、コーティングの厚さ、密着性などの要素を評価するために適切な機器を使用して追加のテストを実行する必要があります。 局所的な強度を向上させることが可能です。耐衝撃性、耐塩水噴霧性。

完成品

合格した完成品は選別され、輸送ラックまたは保管容器に収納されます。取り扱いおよび輸送中の傷を防ぐため、個々の部品は柔らかい保護材で仕切る必要があります。また、適切な識別表示とラベル貼付も行う必要があります。

粉体塗装のメリット

1. ワイドパウダー 選択。 ほぼ 静電粉体塗装技術を用いることで、あらゆる種類の粉体塗料を塗布することが可能です。
2. 調整可能なコーティング 厚さ。コーティング 膜厚は数十マイクロメートルから数百マイクロメートルまで幅広く対応可能で、薄膜から厚膜まで様々な用途に使用できます。コーティング膜厚が150μmを超える場合は、ワークピースを粉末の融点以上に予熱する必要がある場合があります。
3. ワークピースの予熱は不要です。適切な前処理を施せば、様々な材質や形状のワークピースに直接粉末を塗布できます。
4. 高級素材 利用率。オーバースプレー 粉末は回収して再利用できるため、材料利用率は98%を超える。

粉体塗装のデメリット

1. より高度な装備 投資. 専門の コーティングシステムと粉体回収システムが必要となるため、比較的高い設備投資費用がかかる。
2. コーティングにおける課題 均一。 間に 熱コーティング工程では、均一な膜厚を維持することが難しく、厚いコーティングは垂れ下がりやすい。

粉体塗装のカラーオプション

液体塗料とは異なり、粉体塗料は原色を混合して現場で色を合わせることはできません。粉体塗料の色は製造時にあらかじめ決められています。色の変更には粉体塗料自体の再配合と再製造が必要となるため、迅速な色調整は困難です。

静電粉体塗装工程において、製造中に色を変更する場合は、スプレーガン、粉体供給装置、塗装ブース、粉体供給ホース、粉体回収装置など、塗装システム全体を徹底的に洗浄する必要があります。残留粉体を完全に除去しないと、相互汚染が発生し、塗装面の外観や品質に重大な欠陥が生じる可能性があります。

濃色と淡色を切り替える際、わずかな残留粉体でも目立つ色ムラが生じる可能性があるため、色の変更は特に困難です。したがって、静電粉体塗装は、頻繁な色の変更や、限られた期間内に複数の色バリエーションを扱う小ロット生産には一般的に適していません。

粉体塗装のカラーオプションには、黒、白、茶、グレー、青、緑、赤、黄、オレンジがあります。カラーオプションは、RALカラーシステムに基づいて文書に記載されています。

粉体塗装のパラメータ

粉体塗装に影響を与える要因

1. 静電電圧と静電電流

電圧と電流が低すぎると、粉体帯電効率と塗膜転写効率が低下します。電圧が高すぎると粉体の反発や端部の欠陥が生じる可能性があり、電圧や電流が高すぎると塗膜の電気的破壊を引き起こす可能性があります。

2. 粉末流量と噴霧圧力

一般的に、粉体供給圧力の上昇に伴い塗膜厚は増加し、噴霧圧力の上昇に伴い塗膜の均一性も向上します。しかし、噴霧圧力が高すぎるとスプレーガンの摩耗が早まり、粉体消費量も増加します。また、噴霧圧力が低すぎると粉体供給の詰まりを引き起こす可能性があります。

3. スプレーガンとワークピース間の距離

距離が長すぎると、粉体消費量が増加し、転写効率が低下し、塗膜厚が減少します。距離が短すぎると、放電や塗膜の破損を引き起こす可能性があります。

4. コンベア速度

コンベアの速度が低すぎると生産性が低下する一方、速度が速すぎるとコーティングの厚さが不十分になったり、均一でなくなったりする。

5. 粉末の粒径

一般的に、粉末粒子が大きいほど、達成可能な最大コーティング厚さと個々の粒子が保持できる電荷数が増加します。粒子サイズは、成膜時の重力と静電気力の影響にも影響を与えます。

6. 粉体耐性

電気抵抗率の低い粉末は帯電しやすいが、堆積後に電荷を失いやすく、その結果、加工物の表面から粉末が失われる。

抵抗率の高い粉末は帯電しにくく、一般的に転写効率が低い。しかし、堆積後も電荷をより長く保持するため、後から堆積する粒子との静電反発が生じ、過剰な膜の形成を抑制する。

7. 粉体供給速度

コーティング工程の初期段階では、粉末供給速度が増加するにつれてコーティングの厚さも増加します。コーティングが進むにつれて、粉末供給速度が厚さに与える影響は徐々に減少します。また、粉末供給速度が過剰になると、転写効率が低下する可能性もあります。

8. 硬化装置

必要な温度プロファイルと硬化時間を維持するためには、生産要件とプロセス仕様に応じて適切な硬化装置を選定する必要がある。

一般的な加熱方法としては、熱風対流加熱と遠赤外線放射加熱がある。代表的な硬化装置としては、連続コンベア式オーブンとバッチ式オーブンが挙げられる。これらのシステムは、連続生産と間欠生産の両方に対応可能である。