汽车涂装面临的挑战及技术发展

发表时间:2019/12/18   来源:《基层建设》2019年第26期   作者:王大举 魏鹏飞
[导读] 摘要:车相关环保法规给汽车涂装带来了诸多挑战,促使材料、工艺和设备等方面的技术不断创新,一批环保、节能、高效的新技术正在得到普及应用。
        中汽昌兴(洛阳)机电设备工程有限公司  河南省洛阳市  471003
        摘要:车相关环保法规给汽车涂装带来了诸多挑战,促使材料、工艺和设备等方面的技术不断创新,一批环保、节能、高效的新技术正在得到普及应用。水性涂料、紧凑工艺、全自动喷涂、干式漆雾过滤和热能回收等作为新一代标志性技术已经成为汽车涂装技术发展的主流,得到了快速推广应用。
        关键词:汽车涂装;挑战;技术发展动态
        1汽车涂装面临的挑战
        生命周期评估(LCA)概念已经开始用于评价汽车的环境兼容性。LCA是对汽车生产、汽车燃料生产、汽车使用和报废处理全过程中CO2排放、资源消耗和的环境负担进行评价。汽车工厂(油漆和装配)中,油漆车间的能耗占60%、VOC排放占95%、CO2排放占60%。在汽车生命周期内,生产阶段能耗占20%,但产阶段单位时间内的能耗要比使用阶段高得多。目前,汽车涂装水性化技术已经越来越成熟,在世界范围内的应用越来越普及,除清漆大多仍采用双组分溶剂型涂料外,车身涂装的其它涂料已经全部实现水性化,涂装的VOC排放完全可以满足最苛刻的法规要求(35g/m2)。然而,由于水和有机溶剂的物化特性有较大差别,相对溶剂型涂料而言,水性涂料施工的能耗增加很多、CO2排放增加,应用水性涂料无论是材料成本、管理成本、设备投资和能源成本都高于溶剂型涂料。汽车生产者不能简单地将由于应用水性涂料而增加的成本转加给用户,更不能给生态环境增加负担(消耗的资源和排放的温室气体都更多)。
        为减少汽车使用的燃料消耗,世界各国强制实施汽车燃料消耗限值法规,汽车结构的轻量化越来越受重视,高强度钢板、铝合金、镁合金和碳纤维塑料等轻质材料的应用在增加,单一材料车身已逐步被多种材料混合车身所取代。众所周知,化学活性不同的金属相接触会形成电化学腐蚀,多种材料混合车身给涂装的防腐带来了更大的难题;另外,有的冲压件往往需要靠涂装过程完成热处理以提高零件的强度,要统一金属件和塑料件的面漆颜色一直是一件比较困难的事。
        随着汽车市场竞争的日趋激烈,为满足用户对汽车制造质量和服务及时性等方面的需求,汽车产品制造和销售的全球化发展已经成为必然趋势,这对涂装生产的管理提出了挑战性课题,需要在技术标准的统一和满足地区性特点需求方面适应发展的要求,例如本部如何掌控全球的涂装生产、如何提供快捷的技术支持等。
        2涂装节能降成本的最新进展
        经过20多年的工业应用和技术进步,汽车车身涂装水性化已经成为主流,材料和工艺已经十分成熟,在欧、美、日及中国新涂装线建设中,正在全面普及。针对成本、能耗和温室气体排放的问题,通过材料、工艺及设备等方面的技术创新,得到了相当程度的改善,甚至已不再是问题了。
        2.1环境友好型材料普及应用
        应用硅烷/锆盐前处理材料、无铅、高泳透力、高平滑性阴极电泳涂料、高性能自泳涂料、粉末涂料、水性/高固体分中涂、水性/高固体分底色、高固体分清漆、水性修补涂料等一系列材料,可在满足越来越高的质量要求的前提下,彻底结束涂装排放大量重金属和有机挥发物的历史,实现革命性的跨越。由于原有涂装线条件、涂装材料的供应、涂装生产控制技术的匹配及涂装成本等因素的制约,环境友好型中涂和面漆的普及过程在过去十几年中相对较缓慢。
        随着节能高效新技术的应用,加快了汽车涂装少无公害的发展进程。在欧美,新建涂装线几乎全部水性化,涂装车间的VOC排放可低于法规要求;亚洲(包括中国)近年来普及水性涂料的进程也在加快;在北美,通过高固体分溶剂型涂料的应用,老旧涂装线的VOC排放也可达到法规要求,福特公司在全球推广应用溶剂型高固体分涂料。
        2.2对工艺平面图的规划设计研究
        ①更新涂装工艺规划的最新理念。按产品涂装质量标准、产量、投资和清洁生产(国家和地方环保法规)等要求,结合日新月异的现代化科技成果,选择相匹配的工艺、材料及设备,通过创新和技术进步实现最佳目标值。②制定科学合理的产能规划。追求建设投资和运行成本最佳的经济性。③科学规划涂装工艺平面布置图研究低VOC化、低碳化、无害化、精益化等先进的涂装工艺;深入研究应用3C1B、免中涂和水性漆的涂装工艺;建立工艺数据库、设计各类典型涂装车间的设计模块。
        2.3技术与管理的标准化、平台化
        汽车行业作为规模化的支柱性产业,全球化的发展趋势越来越明显,为用户在当地生产全球相同标准的汽车产品,提供便捷的服务是各个汽车公司的追求。技术开发及成熟在本部完成,涂装工艺标准化,生产要素和管理统一化,生产技术平台化,实现工厂和管理的全球复制,只有这样才能达到质量、成本、效率最优。
        2.4机械化输送设备的新技术研究
        机械化输送系统是现代化生产流水线的动脉,输送形式的每次革新都可能会在改善工艺、降低投资、减少运行费用、提高生产率方面产生巨大影响。
        ①翻转输送机技术的研究和开发翻转输送机能使车身在浸渍处理过程中旋转360°或>180,车身外表朝下,因而能确保车身的处理面积达100%(消除“气包”),带液量减少90%左右(提高材料利用率,减少用水量25%和污水排放量);设备长度可缩短20%~30%,浸槽容积与其它输送方式相比可缩小20%~40%。②摩擦输送机技术研究和开发摩擦输送具有低噪、高效、节能、环保、维护简单、造价成本低等一系列优点,又可通过与其它输送系统的灵活组合实现特殊复杂工艺输送的功能。

③机械化输送设备适应性、可靠性研究从提高可靠性、美观性、降低成本、方便制造、安装及大柔性应用等方面对已开发出的各类输送机单元和系统进行持续改进也是一个值得重视的突破口。物流、输送装备企业应重视研究摩擦输送机和空中积放链的组合应用,摩擦链和滑撬输送系统的组合应用来满足涂装车间工艺布局的先进性、经济性、合理性和安全性的需要。
        2.5复杂设备简单化,非标设备模块化
        汽车涂装设备历来是以复杂和非标准著称,随着用户对高质量、高效率、低投入、低运行成本及快捷的售后服务的需求不断升级,涂装公司和汽车公司的合作越来越紧密,不断推出技术创新成果。例如,艾森曼(EISENMANN)公司的专有穿梭机(Shuttle)技术,经过不断改进,目前最新型号E-Shuttle200,与上一代E-Shuttle300相比,功能不减,结构简单,投资及运行成本低,更受用户欢迎。E-Cube技术可替代E-Scrub喷漆室的静电漆雾分离单元,结构及原理简单,核心的分离单元立方体(Cube)为快换结构,投资及运行成本降低。为满足用户全球涂装工艺标准化的需求,ABB公司推出了全球标准化自动喷涂系统,包括标准机器人(Robot)、标准雾化器(Atomizer)、标准喷涂模块(PaintApplicationPackages)。通过标准化,为用户不同工厂提供相同的喷涂模块、相同的模拟和编程、相同的控制和人机界面。其全球一体化的技术服务加上当地服务团队的个性改进服务,以及全球备件支持,可满足用户不同生产地相同质量、相同管理平台的需求。DURR公司推出了喷漆室模块概念(EcoReBooth),基于其EcoDryScrubber技术,将以前非标的喷漆室及其附属系统,发展为集成了漆雾分离和空气循环系统的标准模段,可根据需要组合成要求的喷漆室系统。涂装线常用的各种液固/气固分离单元、加热/冷却单元、槽体/室体单元、供料及废物处理单元等的系统集成和标准化已为大多涂装公司所采用。可见核心装备技术专有化、典型构件标准化、功能系统模块化、技术服务全球化的发展模式已经成为涂装公司的必然选择。
        2.6空调回风再利用工艺技术
        作为汽车涂装环节的重要组成部分,汽车喷涂对汽车涂装质量产生着重要影响。在实际生产中,汽车喷涂所耗用的资源量占整个涂装耗能的大部分,由此可见,喷涂过程的资源控制对汽车涂装节能减排环节具有重大意义。当前,喷涂部门应将喷涂室的长度和宽度进行缩短,并不断开发和引进新技术,顺应时代发展潮流。比如,空调人泵技术的应用、喷涂室空调风循环再利用等。春季喷涂室空气的温度和湿度和夏季的基本相同。空调回风再利用工艺技术可以将喷涂室的空气进行除尘和净化,净化后的空气通过后续的调节,从而使温度和湿度有效吻合。
        2.7开发涂装仿真技术应用研究
        目前涂装仿真技术运用很少,主要是涂装机器人的模拟仿真和烘炉、喷房气流分析的设备工艺仿真,要进一步开发涂装仿真技术保证工艺规划效果,提供用户最佳管理分析,在物流仿真、工件仿真、数码动画实验、设备工艺仿真等方面得到应用。
        2.8汽车涂装高生态效率化
        高生态效率涂装车间的标志是:能源消耗少,材料消耗少,固体废弃物少,废水少,颗粒物、VOC、CO2、噪声等排放少,低成本,高质量,高生产效率。近年来新建的涂装线,水性涂料喷漆室采用干式漆雾过滤技术(DryScrubber,E-Scrubber),实现空气循环使用,可节省60%喷漆室能耗。如果使用排气净化系统(EAP),节能达80%。不再使用循环水,也不再需要考虑相应的废水处理。通过对喷漆室的技术升级和采用免中涂工艺,可实现涂装节能28%。过去对车身内表面的喷涂多为人工,通过机器人和喷杯的改进,可实现车身喷涂的全自动化,施工电压提高到40kV,大大提高喷涂效率(与人工空气喷涂相比,车门处提高5%~10%,发动机仓等部位提高45%,外表面喷涂效率可大于7m2/min)和面漆一次合格率。自动换色系统的改进,节省50%的换色时间,每次换色的涂料损失减少到10~15mL。通过以上各项改进,单车涂料节省30%~50%。创新的烘干室加热概念,使用太阳能加热和热电联合装置,结合多级的排风余热回收技术,大幅度降低烘干室的燃气和电消耗,减少CO2排放。某涂装公司应用上述技术,最新在中国建成的轿车车身涂装车间能耗降低到430kW•h/台,VOC排放达2.3g/m2。
        涂装车间的中央控制系统,以前并不包括能源管理。随着一系列节能减排技术的应用以及对降低生产能耗的控制要求,必然促使涂装车间中央控制系统功能的升级,涂装车间能源管理的数字化和智能化会越来越显重要。
        结语:
        总而言之,较为良好汽车涂装技术工艺对达到节能减排目的可谓是有着重要帮助性作用,而如何将先进合理化汽车涂装技术应用到当前汽车生产制造中就是首要关注话题,相关企业需积极构建相对完善监督管理机制,便于对汽车生产期间各环节内容予以严格约束控制,大大降低汽车能源消耗量,并且我国也应针对汽车涂装制定提出可行性规范要求,进一步完善涂装节能减排技术,充分发挥汽车涂装存在优势,为汽车制造业的可持续前进奠定坚实基础。
        参考文献:
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        [4]吴伟.汽车涂装节能减排工艺分析[J].都市家教(上半月),2016(6):190-190.
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