Mesin Pelapisan Vakum PVD Bukaan Atas Vertikal untuk Lembaran Baja Tahan Karat Berwarna: Desain, Bahan Target, dan Gas Proses

1. Pendahuluan Mesin Pelapisan PVD Bukaan Atas Vertikal

Teknologi Physical Vapor Deposition (PVD) telah merevolusi perawatan permukaan lembaran baja tahan karat, memungkinkan produksi lapisan berwarna berkualitas tinggi dengan daya tahan, ketahanan korosi, dan daya tarik estetika yang luar biasa. Di antara berbagai konfigurasi peralatan PVD, mesin pelapisan vakum bukaan atas vertikal menonjol karena efisiensinya dalam menangani benda kerja baja tahan karat berukuran besar, terutama dalam produksi skala industri. Peralatan khusus ini menampilkan struktur bukaan atas yang unik yang memerlukan tata letak pabrik dua lantai, dengan lantai atas berfungsi sebagai titik akses untuk memuat/membongkar benda kerja melalui sistem derek overhead.

Desain intinya berpusat pada ruang vakum vertikal yang terbuat dari baja tahan karat SUS 304 kelas tinggi, memastikan integritas struktural dan ketahanan korosi di lingkungan industri yang keras. Ruang tipikal berukuran φ2600 × H4100 mm, dilengkapi dengan jaket air pendingin dua lapis untuk menjaga suhu proses yang optimal dan mencegah deformasi termal benda kerja. Mekanisme bukaan atas menghilangkan batasan spasial dari desain bukaan samping, mengakomodasi lembaran baja tahan karat ekstra besar (hingga 1300 × 3100 × 3 mm per batch) atau komponen berbentuk tidak beraturan (hingga 1900 × 3700 × 50 mm). Bagian dalam mesin menampilkan rangka putar tipe pengangkat yang memungkinkan revolusi dan rotasi benda kerja, memastikan pengendapan lapisan yang seragam. Dikombinasikan dengan 36 lubang sumber busur dan 4 jendela pengamatan, sistem gerakan ganda ini memungkinkan kontrol proses yang tepat dan pemantauan pembentukan film secara real-time.

2. Tata Letak Pabrik Dua Lantai dan Integrasi Derek Overhead

Desain bukaan atas vertikal mewajibkan konfigurasi pabrik dua lantai untuk memaksimalkan efisiensi dan keselamatan operasional. Lantai dasar menampung badan utama mesin PVD, termasuk ruang vakum, sistem pemompaan, unit catu daya, dan infrastruktur pendingin. Lantai atas (biasanya setinggi 4,5 hingga 5 meter) berfungsi sebagai platform perawatan dan pemuatan untuk mengakses dan mengoperasikan penutup atas ruang vakum. Tata letak ini memanfaatkan ruang vertikal untuk mengatasi batasan luas lantai horizontal, yang sesuai untuk produsen dengan batasan ruang sambil memfasilitasi penanganan benda kerja berukuran besar.

Komponen penting adalah derek overhead (derek balok) 5–10 ton yang dipasang di lantai dua, bertanggung jawab atas tiga operasi utama: membuka/menutup penutup atas ruang vakum, memuat/membongkar benda kerja ke rangka putar, dan memelihara sumber busur dan komponen internal. Terintegrasi dengan teknologi penentuan posisi yang presisi, derek memastikan keselarasan antara carousel benda kerja dan ruang vakum, meminimalkan risiko kontaminasi atau kerusakan. Fitur keselamatan mencakup mekanisme anti-goyang, kontrol penghentian darurat, dan sensor beban untuk mencegah kelebihan beban, yang sesuai dengan standar keselamatan industri.

Tata letak dua lantai mengoptimalkan efisiensi alur kerja: sementara pelapisan berlangsung di lantai dasar, lantai atas dapat menyiapkan batch benda kerja berikutnya, mengurangi waktu henti. Selain itu, platform yang ditinggikan menyediakan akses yang aman dan nyaman untuk tugas-tugas pemeliharaan seperti penggantian target, pembersihan ruang, dan inspeksi sistem.

3. Bahan Target untuk Lapisan Baja Tahan Karat Berwarna

Warna lapisan terutama ditentukan oleh pemilihan bahan target dan reaksi kimianya dengan gas proses. Di bawah ini adalah ikhtisar rinci tentang target yang umum digunakan dan warna, mekanisme, dan aplikasinya yang sesuai:

3.1 Target Titanium (Ti)

Target titanium menawarkan pilihan warna serbaguna melalui reaksi dengan nitrogen, oksigen, dan gas yang mengandung karbon:

• Finishing Baja Tahan Karat Alami: Dicapai melalui sputtering non-reaktif dalam argon murni. Film titanium tipis 50–100 nm mempertahankan tampilan alami substrat sambil meningkatkan ketahanan korosi dan kehalusan permukaan, cocok untuk peralatan dapur dan pegangan tangan arsitektur.
• Emas: Dibentuk oleh sputtering reaktif dalam atmosfer kaya nitrogen (N₂:Ar ≈ 3:7), menghasilkan Titanium Nitrida (TiN). Struktur pita elektronik TiN secara selektif memantulkan cahaya kuning, menghasilkan rona emas yang jelas dengan kekerasan hingga 2000 HV. Ideal untuk aplikasi dekoratif dan fungsional seperti perhiasan dan panel lift.
• Emas Mawar: Dibuat dengan menambahkan metana (CH₄) ke campuran nitrogen-argon (N₂:CH₄:Ar ≈ 2:1:7), membentuk Titanium Carbonitride (TiCN). Kandungan karbon mengatur rona—konsentrasi yang lebih tinggi memperdalam rona mawar. TiCN menawarkan ketahanan aus yang unggul untuk permukaan lalu lintas tinggi.
• Cokelat Kopi: Proses TiCN yang dioptimalkan dengan rasio karbon-ke-nitrogen yang lebih tinggi (N₂:CH₄:Ar ≈ 1:2:7) dan ketebalan lapisan 200–300 nm. Pemasukan karbon yang meningkat menciptakan rona cokelat kopi yang hangat (dari cokelat muda hingga espresso pekat), populer di furnitur kelas atas dan trim interior otomotif.
• Hitam: Dihasilkan dalam atmosfer campuran nitrogen, metana, dan oksigen (N₂:CH₄:O₂:Ar ≈ 2:3:1:14), membentuk Titanium Carbonitride Oxide (TiCNO). Lapisan padat dan amorf ini menyerap lebih dari 95% cahaya tampak, menghasilkan finishing hitam matte dengan ketahanan gores yang luar biasa untuk elektronik konsumen.

3.2 Target Zirkonium (Zr)

Target zirkonium unggul dalam lapisan yang tahan lama dan tahan gores:

• Emas: Zirkonium Nitrida (ZrN) yang terbentuk oleh sputtering dalam nitrogen (N₂:Ar ≈ 2:8) menawarkan rona emas yang lebih hangat dan lembut daripada TiN. Ketahanan korosi yang unggul cocok untuk aplikasi luar ruangan seperti fasad bangunan dan perangkat keras laut.
• Hitam: Zirkonium Carbonitride (ZrCN) yang diproduksi dalam atmosfer nitrogen-metana (N₂:CH₄:Ar ≈ 1:3:16) menghasilkan finishing hitam pekat. Kandungan karbon yang tinggi (30–40% atom) meningkatkan kekerasan (hingga 2200 HV) untuk bingkai ponsel pintar dan komponen industri.

3.3 Target Kromium (Cr)

Target kromium menghasilkan nada netral dan bersahaja yang stabil:

• Biru: Kromium Oksida (Cr₂O₃) yang terbentuk oleh sputtering reaktif dalam oksigen (O₂:Ar ≈ 3:7) dengan ketebalan 150–200 nm. Interferensi cahaya menciptakan rona biru yang cerah—film yang lebih tipis menghasilkan biru langit, lapisan yang lebih tebal menghasilkan biru tua. Ketahanan UV yang sangat baik cocok untuk rambu luar ruangan dan trim otomotif.
• Hitam: Kromium Nitrida Karbida (CrCN) dari campuran nitrogen-metana (N₂:CH₄:Ar ≈ 2:2:16) menawarkan finishing hitam matte dengan ketahanan kimia yang tinggi, ideal untuk peralatan pengolahan makanan dan perlengkapan kamar mandi.

3.4 Target Baja Tahan Karat

Pilihan hemat biaya untuk warna tertentu:

• Finishing Baja Tahan Karat Alami: Sputtering non-reaktif dalam argon murni menghasilkan lapisan yang sesuai dengan komposisi substrat, mempertahankan tampilan alami untuk proyek arsitektur skala besar.
• Biru: Sputtering reaktif dalam nitrogen (N₂:Ar ≈ 4:6) membentuk Baja Tahan Karat Nitrida (FeCrN), menghasilkan rona biru tua dengan daya rekat dan stabilitas warna yang luar biasa untuk fasad bangunan komersial.

4. Gas Proses dalam Pelapisan PVD

Proses PVD mengandalkan gas inert untuk sputtering dan gas reaktif untuk pembentukan senyawa. Kontrol yang tepat terhadap kemurnian gas, laju aliran, dan tekanan parsial memastikan warna dan kinerja yang konsisten:

4.1 Gas Inert: Argon (Ar)

Argon (kemurnian 99,999%+) berfungsi sebagai media sputtering utama, dengan berat atomnya (39,95 g/mol) ideal untuk melepaskan atom target. Laju aliran berkisar dari 50–200 sccm, dengan tekanan ruang dijaga pada 10⁻² hingga 10 Pa. Untuk finishing baja tahan karat alami, argon murni (100–150 sccm) digunakan.

4.2 Gas Reaktif

• Nitrogen (N₂): Membentuk lapisan nitrida (TiN, ZrN, FeCrN) dengan rona emas, emas mawar, atau biru. Laju aliran: 30–70 sccm; kemurnian ≥ 99,998%.
• Oksigen (O₂): Menghasilkan lapisan oksida (TiO₂, Cr₂O₃) dengan warna biru atau warna-warni. Laju aliran: 20–60 sccm; kemurnian ≥ 99,998%.
• Gas yang Mengandung Karbon: Metana (CH₄, 10–50 sccm) dan asetilena (C₂H₂) memperkenalkan karbon untuk lapisan karbonitrida (TiCN, ZrCN). Metana menawarkan stabilitas; asetilena memperdalam nada hitam.

4.3 Sistem Kontrol Gas

Sistem kontrol gas presisi (pengontrol aliran massa, transduser tekanan) terintegrasi dengan unit PLC, memungkinkan penyimpanan resep khusus warna (hingga 50 profil) untuk pengoperasian satu sentuhan. Filter pemurnian menghilangkan kelembapan, oli, dan partikulat, memastikan kondisi proses yang konsisten.

5. Spesifikasi Teknis Utama dan Keunggulan Operasional

• Kapasitas Benda Kerja: Hingga 3 lembar (1300 × 3100 × 3 mm) per batch; rangka putar perlengkapan ganda.
• Kinerja Vakum: Tekanan akhir 5,0 × 10⁻⁴ Pa; laju kebocoran 0⁻³ Pa·L/s.
• Siklus Pelapisan: 3–6 jam per batch (3 jam untuk finishing alami; 5–6 jam untuk cokelat/hitam).
• Presisi Warna: Pengulangan ΔE 0 (CIE Lab); pemantauan optik real-time.
• Otomatisasi: Mode manual/semi-otomatis/sepenuhnya otomatis; antarmuka layar sentuh.
• Efisiensi Energi: Konsumsi 15–20% lebih rendah daripada mesin bukaan samping konvensional.

6. Aplikasi dan Dampak Industri

Banyak digunakan di berbagai industri:

• Arsitektur: Fasad, dinding tirai, bingkai pintu/jendela (emas, biru, finishing alami).
• Peralatan Rumah Tangga: Panel lemari es, perangkat keras dapur (finishing alami, hitam, emas mawar).
• Otomotif: Trim interior/eksterior, pelek roda (hitam, cokelat kopi, emas mawar).
• Elektronik Konsumen: Casing ponsel pintar/laptop (hitam, biru, emas mawar).
• Furnitur: Gagang kabinet, perlengkapan pencahayaan (cokelat kopi, emas, biru).

Mesin ini mendukung manufaktur berkelanjutan dengan lapisan bebas kromium heksavalen, meningkatkan diferensiasi produk melalui pilihan warna yang serbaguna.