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汽车涂装的国内外发展动态

日期: 2019-06-26
浏览次数: 42

汽车涂装的国内外发展动态


:今天,汽车涂装不仅在减少涂装公害方面实现了跨越,在降低涂装成本、提高涂


装质量等方面发展也很快。某些新的技术概念已经开始工业化应用,汽车涂装技术


多元化的时代已经到来。本文对国内外汽车涂装新技术的发展动态做了综合介绍。 

   关键词:汽车、涂装、动态 

   0 前言

   上世纪80年代末期之前,汽车涂装曾经是汽车制造过程中产生三废排放最多的


环节之一,从90年代开始,欧美等国家汽车工业纷纷推广环保、节能的涂装新材料


、新工艺、新设备,以适应苛刻的环保法规,不断提高质量,降低成本。15年后的


今天,汽车涂装不仅在减少涂装公害方面实现了跨越,在降低涂装成本、提高涂装


质量等方面发展也很快。某些新的技术概念已经开始工业化应用,汽车涂装技术多


元化的时代已经到来。最近几年,我国汽车产销量已经跃居世界前几位,国际几大汽


车集团在我国的生产规模迅速扩大,本土汽车产业也呈现跳跃式发展,在合资汽车


生产的拉动下,主流厂家汽车涂装水平已经跻身国际先进行列。


   1 新材料应用

   以减少VOC和有害重金属为代表的环保型漆前处理材料和环保型涂料不断得到


推广应用,在欧美,新的涂装生产线已经全部普及应用环保型材料,日本近几年也


加快了推广速度。在国内,国外独资及合资的涂料生产企业具备可在国内加工生产


水性中涂和水性面漆的能力(部分国内自主汽车涂料厂近几年进步也较快,但与国


际水平仍有较大差距,还不能满足汽车行业的需求),欧、美、日等国的汽车合资


企业和我国几大汽车公司新的车身涂装生产线多已经考虑应用水性中涂及水性面漆


的可能性,有的已经开始应用水性中涂和水性面漆底色[1]。总体上就车身涂装而


言,前处理及底漆应用各国水平基本相当。中涂和面漆,北美高固体份涂料、粉末


涂料较普及,水性涂料近几年也开始应用。欧洲水性涂料应用较普遍,一代中涂(


水性、粉末)已经开始被低成本转换概念(LCCC)中涂(低膜厚水性中涂和低膜厚


粉末)所替代,烘干规范和溶剂型完全相同(晾干20℃/6~8分钟、升温6~8分钟


、保温160℃/12~15分钟),外观质量优于第一代;宽施工工艺窗(50%~80%RH


、20~32℃)的金属和塑料通用的水性底色开始应用、底色喷涂和罩光漆之间不需


要红外烘干和冷却,可以降低设备和生产运行成本;2K高固化体份溶剂型或水性清


漆应用比较普及,适应VOC排放要求的同时,抗擦伤性能进一步提高;粉末罩光漆应


用不断改进,已经成熟,将进一步推广。日本水性涂料应用刚刚起步,高固体份涂


料和粉末涂料应用较少。中国涂料应用水平主流与日本相当,但有些小汽车厂相对


落后。目前,车身涂装降低VOC效果最显著的是水性面漆底色的应用,欧、美、日从


溶剂型底色向水性底色转换及预测见图1。

  为适应减少能源消耗和简化涂装工艺,降低涂装成本的需求,在过去的十几年


中,低温低渣长寿命前处理药剂、低温固化涂料、UV固化涂料、耐UV电泳涂料、可


多涂层湿碰湿喷涂的涂料和将中涂与面漆合一(Monocoat)或将中涂与金属底色合


一(Premium Primer)的涂料也得到发展和应用。例如,日本对低温低渣长寿命前


处理药剂、低温固化涂料等的应用比较普遍,溶剂型多涂层湿碰湿涂料的应用也比


较领先。欧美在水性多涂层湿碰湿涂料、单涂层面漆(Monocoat)和高效中涂


(Premium Primer)、二次电泳涂料、UV固化罩光涂料、耐UV电泳涂料及自泳漆在


汽车零部件上的应用开发等方面处于国际领先水平。低温前处理药剂、低温固化电


泳漆和溶剂型三喷一烘涂料在我国有应用,但大部分仍使用传统的材料。





汽车涂装新材料的发展,一直是在满足日益提高的汽车涂装质量要求的基础上,不


断降低三废排放和降低涂装成本。除上述一些新的材料使典型汽车车身涂装工艺不


断优化外,涂装材料厂家近几年逐渐开始重视联合汽车厂家和相关行业,着眼于更


大幅度地简化汽车涂装工艺和降低成本,创造了一些新技术概念。例如:NIPPON 


PAINT的新色数字化概念,是基于通用型颜料和色浆,借助于数字化和网络技术,不


但可以大大缩短新颜色面漆的开发周期,而且可使新车生产到售后修补整个体系的


新颜色在质量一致的前提下实现完全统一,将使根据汽车用户需要立即供应新色面


漆成为可能;PPG和汉高公司都相继开发了可满足汽车车身要求的卷板前处理和防腐


涂料,使应用预涂钢板制造汽车车身成为可能,这将大大简化汽车车身制造工艺,


可能使汽车车身涂装实现零排放。


   2涂装新工艺应用

   所谓涂装新工艺主要是围绕新材料的应用对典型的涂装工序进行的一系列排列


组合及优化。众所周知,涂装的主要工序包括漆前表面处理或准备、涂漆、烘干和


后处理。随着相关技术的发展,现在,每种主要工序都有多种选择,不断满足汽车


涂装的各种要求。 

  2.1 车身涂装工艺

   车身涂装历来是汽车涂装的代表。由于汽车车身结构复杂多变,装饰性要求高


,所以其涂装工艺最复杂。经过多年的发展,公认的典型涂装工艺(如图2所示)可


以很好地满足金属车身要求,而且如上所述在德国已经完全实现环保型涂装材料的


应用,VOC排放降到了30g/m2以下[2]。

   然而,以减少涂装公害、提高涂装效率和降低涂装成本为目的的技术进步从来


就没有停止过。上述典型的车身涂装工艺一般被认为使用的是液态溶剂型或水性涂


料,除此之外,国外还有以下几种工艺被应用或即将应用。


 2.1.1 粉末喷涂工艺

   将粉末涂料用作逆过程工艺中的外表底漆中涂、上述典型工艺中的中涂、抗石


击涂层、面漆、罩光等[3]。粉末喷涂突出的优点是:无VOC排放,无喷漆废水产


生,材料利用率高(98%以上),喷漆室空调新鲜空气用量低(只相当于液态涂料喷


涂室的20%,80%的喷涂室排风循环使用),大幅度降低运行费用。以前粉末喷涂的


换色及回收粉的循环使用是个难题,现在已经有圆满的解决方案。粉末底色喷涂要


经过3道工序完成,见图3。回收的过喷粉末与一定比例新粉混合用于第一道喷涂车


身外表面及车底,第二道喷涂纯净色粉于车身内


外表面,第三道喷涂纯净色粉于外表面。这样颜色更换时不必清理喷涂室,系统完


全可以实现回收粉和新粉的平衡,实现多种颜色的喷涂。德国BMW公司自1997年以来


,应用粉末喷涂工艺已经累计生产100万辆车,他们已经陆续在德国和美国的工厂进


一步普及。最近,性能更好的UV固化粉末清漆应用技术也已经趋于成熟,优良的抗


擦伤性能和卓越的流平性,可使清漆厚度从现用的(55—60)μm减少到(30—35)


μm,不但可以克服上一代粉末清漆必须厚涂的问题,而且UV固化工艺效率比加热固


化提高了数十倍。预计2007到2008年将工业化应用。 

   

   2.1.2 二次电泳及耐UV电泳工艺 

   传统的车身电泳工艺主要是用于底漆涂层,本身的耐UV老化性能较差,必须在


底漆上涂中涂层后才能涂面漆。二次电泳工艺最早应用是在一般工业领域的高防腐


和高耐候金属结构上,电泳工艺稳定可靠,一次合格率高,材料利用率高,设备投


资少(不需空调系统),可节省费用48%,减少维修频次,此工艺用于车身涂装,第


二层电泳替代中涂,可减少了传统中涂的漆渣和VOC排放。DC公司曾经进行了车身涂


装试验,证明可行,但在已有的典型工艺涂装线上无法直接应用,所以没有很快推


广。在开发了耐UV厚膜电泳涂料后,使电泳和中涂合二为一成为可能,此工艺在环


保和成本方面具有明显的优势,可以完全节省中涂生产线的投资及中涂涂装涉及的


一切费用,同时提高了涂装的生产效率,可减少涂装生产过程车身占用数量。目前


耐UV电泳工艺在印度尼西亚已经应用于经济型轿车的涂装。 

   

   2.1.3 一体化及无中涂工艺

   (3C1B概念)一体化涂装(Integrated coat)工艺是采用与面漆同色的功能层


(15μm)替代中涂[2],功能层与面漆底色湿碰湿喷涂,在一条线(面漆线)上


完成,生产过程简化,省去了中涂烘干线。在此基础上,又有无中涂工艺


(Primerless Paint System)得到应用[2] 。该工艺与3C1B工艺相比,进一步简


化,将前述的功能层与面漆底色合一,彻底取消了中涂线,与耐UV电泳工艺比可以


节省电泳漆40%。如图4所示,无中涂工艺涂层厚度最低,材料消耗最少。



DC公司Bremen工厂的一条线于2003年1月转换为无中涂工艺,VW、BMW、AUDI、FIAT


等公司也已经开始或准备应用此工艺。我国有的汽车厂也在装饰性要求不高车身上


不用中涂,而没有对使用的底漆或面漆做任何改进,这是以牺牲质量为代价的降成


本,不能称其为应用了无中涂工艺。 

   

   2.2 钢板和塑料制品一体涂装 

   车身的外饰件及部分覆盖件往往使用高分子材料(或高分子复合材料),由于


传统的塑料涂装和金属涂装差异很大,一般不在同条线上进行,这样经常出现同一


辆车不同材质零件的面漆出现色差的问题,多种控制色差的方法都不能彻底解决。


随着材料技术和涂装技术的进步,现在可以在同一条线上进行涂装,从根本上消除


了色差。

  欧美一些汽车公司在某些车型上应用高性能塑料,可将塑料件直接装在白车身上


,同金属车身一起涂装。如图5所示,可耐200℃的塑料翼子板可在电泳前或中涂前


安装到白车身上,中涂面漆一体喷涂。我国有的汽车合资企业已经与国外同步应用


此技术


 另有一种技术路线,是开发可低温(80℃~90℃)固化的高性能中涂和面漆,不


但可以达到上述目的,同时可以取消保险杠涂装线,降低烘干能耗,减少CO2排放。


这条路线在日本处于探索试验阶段。

   

   2.3涂装替代和电镀替代技术 

   模内复膜(Insert Film)技术是为满足电子产品的塑料表面装饰层要求发展


起来的新工艺[4],在汽车上也获得了应用。采用复膜技术制造的塑料覆盖件可直


接装配。戴姆勒-奔驰公司在法国汉巴赫的SMART工厂已经应用这项技术,车身金属


结构可简化到只有底板和框架,这样大大简化车身涂装工艺,在降低涂装成本的同


时,使涂装的VOC排放达到7g/m2左右[2]。该技术在汽车内饰件(如仪表板等)装


饰方面也可广泛应用。

   透明涂层注射成型技术(CCM - Clear Coat Molding)是一种透明聚氨酯树脂


注射反应成型技术。该技术适用于汽车桃木、金属、碳纤维等材质的内饰件涂装和


外饰件涂装,可取代传统涂漆工艺,大大简化工艺过程,提高效率,成本随之降低


;无涂装废料、无气味,利于环保;涂层厚度均匀无缺陷;避免了传统涂装过程中


的零件变形。这项技术在德国已有应用[2]。 

   紧固件电泳工艺是采用一种专用阴极电泳涂料及涂装装置,对汽车紧固件(如


螺栓等)进行涂装的技术,可以替代电镀工艺。在美国已经有应用,开始替代含有


六价铬的达可乐(DACROTIZED),在汽车清洁生产方面有一定的发展潜力。

   

  3 新设备及相关技术应用

   涂装生产自动化是高质量一致性汽车涂装的重要保障要素之一,在不断满足生


产组织方式、发挥应有功能的同时,追求最大限度地提高效率,提高材料利用率,


降低投资和资源消耗及减少公害。近几年涂装设备在诸方面都有显著的进步。

   传统典型的运输机(推杆悬链、摆杆运输链、自行葫芦)对漆前表面处理和电


泳都不同程度地存在难以解决的问题或不利影响(如处理槽体无效容积大、吊具污


染、车身封闭腔排汽不良、带液量大、车身水平面易出现漆膜弊病等)。现在,可


使被处理车身旋转的新型多功能穿梭机(Vario-Shuttle)、滚浸运输机(Ro-Dip)和倒


挂升降运输机诞生后,在解决了这些问题的同时兼具传统运输机的所有优点。多功


能穿梭机可单独控制升降和翻转轨迹,可变处理时间,具有在一条生产线上实现多


品种不同工艺的功能,完全符合自动化柔性涂装生产的要求,如图6、7、8所示。


 应用新型运输机可以使前处理及电泳装置槽体长度缩短,容积减少,这样不仅减


少了首次投槽材料量,同时降低了槽液搅拌和温控能耗,而且可使装置长度大大缩


短,减少车间面积占用和设备投资,减少涂装车身在线时间和数量。

  涂装车间人工劳动量最大、工作环境最差的环节是焊缝密封、车底喷涂、喷漆


和内腔注蜡,这些环节很难实现完全自动化,即使喷漆和注蜡实现全自动化,系统


也十分复杂,且对多品种混流生产方面有局限性。现在,随着材料、机械人和喷涂


设备的技术进步,这些环节可以完全实现自动化,且对混流生产的适应性更强,见


图9、10、11、12。由于新型的PVC喷涂系统喷形准确,没有飞溅,机械人动作重复


精度提高,所以可取消遮蔽,密封及绝热涂料没有浪费,不再需要带供排风的车底


喷涂室,环境空调等也可省去,工位也不像从前那样脏乱。


典型的侧喷加顶喷式中涂和面漆用自动涂装机(ESTA)对多品种生产,尤其是车形


尺寸差别大的情况下,有局限性,顶喷机的喷涂功能局限性更大,且对涂装质量有


不利影响。随着机器人技术的进步,多功能喷涂机器人(Vario-Robot)得到应用,


显示出其功能方面的突出优点。不仅使标准的自动喷涂段喷杯数量由9支减少到6支


,标准喷漆室宽度由4.6米减少到3.8米,可节能17%,而且,取消了顶喷机横梁,


消除了典型自动喷涂机的种种弊端(如图13所示)。使喷涂质量进一步提高,更适


应柔性生产,一次投资和运行成本进一步减少,新车型上线和设备维修更容易。



传统金属底色静电喷涂后必须采用空气喷涂以更好体现金属漆效果,但空气喷涂传


递效率低,浪费涂料。现在旋转雾化技术已发展形成了三种模式,即传统型(2000


~45000转/分,空气量100~400升/分)、软喷型(45000~70000转/分,空气量


150~350升/分)和硬喷型(15000~35000转/分,空气量350~670升/分),采


用软喷型和硬喷型更适合面漆底色喷涂,可实现完全旋杯底色喷涂,消除空气雾化


喷涂的色斑和涂层不均问题,同时喷涂传递效率提高30%左右[5]。

  众所周知,水性涂料静电喷涂需要采用外部接电方式或输漆系统与喷涂机之间


绝缘的内部接电方式。外部接电方式容易实现,设备成本几乎不增加,但喷涂传递


效率比内部接电方式约低10%,内部接电方式必须在喷涂机和输漆系统之间设置绝


缘的中间储漆罐,系统复杂,设备投资要增加,且向中转储罐中补充涂料必须在停


止喷涂时进行,短生产节拍多颜色场合不适用。为解决这些问题,一种弹匣式旋杯


系统(VOLTAGE BLOCK SYSTEM)被开发出来并得到应用。这种系统把涂装机械人和


传统的输漆系统彻底分离,相当于将上述的中转涂料罐和输送管做成独立一体化的


涂料罐(弹匣),弹匣可与旋杯进行快速组合压送涂料,可以把涂装必要的最低量


涂料直接填充给弹匣,弹匣的容积可根据实际需要设计(例如1或2台车身用量),


并专用化,但必须配置向弹匣填充涂料和搬运的装置。此系统的突出优点是:水性


涂料直接带电进行涂装,提高了材料利用率;同时适用于溶剂型涂料和水性涂料;


只要增加弹匣即可实现临时的小批量颜色涂装;换色时只要更换弹匣即可,在短时


间内即可完成;因为换色时不需要清洗弹匣,涂料和溶剂损失为零;换色时只需要


清洗喷杯,与其它系统相比,清洗溶剂消耗减少93%以上,更有利于节省资源和减


少公害;机械人手臂不再需要搭载换色阀和涂料泵送系统,设备简洁易维护。但在


安全性、设备维护保养和一次性投资方面与外部接电方式相比没有优势[6]。欧洲


大多采用外部接电模式,弹匣旋杯系统在日本已经得到应用。

  中国汽车涂装车间设计及制造水平近10年进步很快,涌现出一批专业的涂装设


备及机械化运输设备厂家,尽管综合能力还有较大的差距,但可设计和承建大型涂


装车间的专业公司已经可以与国外专业涂装公司同台竟标,并显示出相当的竞争优


势,国产的自动涂装机已经开始实际应用。在自动化技术应用方面基本与世界先进


水平保持同步。滚浸运输机、多功能穿梭机、多功能喷涂机器人等都已经得到应用


。 

  前处理和电泳装置耗水量和废水排放量最大的环节,围绕减少废水和循环利用


等在设备方面的不断研究探索取得了不少成果并获得应用。如采用膜分离技术(UF


和RO)回收脱脂液,再生清洗水和前处理废水,实现真正意义电泳闭路清洗等。然


而,由此带来了设备增加、系统复杂化、投资和运行成本增加、能耗加大等因素制


约了这些技术的推广应用,要象减少VOC排放那样大幅度地减少直至消除废水排放还


有很长的路要走。

  

  4 涂装管理

  随着涂装自动化程度的提高和涂装材料公司及涂装设备公司服务范围的延伸,


世界汽车涂装生产管理的趋势已经朝着“专业化分包管理”的方向发展。所谓“专


业化分包管理”即汽车厂的涂装车间生产是由汽车厂、涂料厂、涂装设备厂或专门


的管理公司共同管理。最初是系统供货方式,始于上世纪90年代初,发展很快,目


前在欧美已经基本普及。涂料厂深入到涂装生产线服务,直至交付合格漆膜,涂料


价格不再按销售涂料的量计算。设备厂在设备维护和保养方面也可提供越来越多的


服务,三废处理和车间清扫也有专业的管理服务公司。通过涂装生产服务,涂料公


司能够直接获得第一手应用信息反馈,有利于其产品改进,另外按合格涂装成品的


结算方式,促使涂料厂商更关注有针对性地优化涂料性能,降低单车材料消耗和提


高一次合格率。可见无论是涂料供应商还是汽车生产厂都会从涂装生产管理的专业


化分工中受益,减少单车涂料消耗则意味着资源的节省,社会效益不言而喻。

  汽车公司的涂装车间还可以由涂装材料公司或涂装设备公司投资建设,并负责


生产管理,根据汽车公司的整车生产计划进行涂装生产,汽车公司只需制定技术标


准和验收监督涂装产品质量。例如,DC公司在法国的SMART轿车厂的车身涂装车间就


是由德国著名的EISENMANN公司投资建设和生产管理的,按整车生产计划完成车身涂


装,交付合格涂装车身给总装。

  “专业化分包管理”很重要的前提条件是涂装车间自动化程度较高和高度的计


划生产。我国在汽车涂装生产管理上也引入了这种先进的模式,最近几年,各大汽


车厂纷纷以各自的方式进行简化管理的尝试,收效显著,相信“专业化分包管理”


会进一步得到推广。


  5 结束语

  综上所述,近15年来,汽车涂装技术无论在新材料、新工艺、新设备还是在管


理等方面都发生了巨大变化,可以总结为以下几点:

  涂装材料不但实现了自身在涂装过程中少无三废排放,而且在施工性能和涂膜


性能上都有很大的提高,使涂装工艺进一步简化,能耗进一步降低成为可能。 

  预涂钢板应用于车身制造的新概念将使车身涂装简化到只涂一道面漆成为可能


,某些涂装替代技术已经应用于汽车零部件生产。 

  完全可按工艺要求设计动作程序的运输设备和多功能涂装机械人的推广应用,


使车身涂装彻底告别了涂装设备对工艺的制约。不仅有利于提高涂装质量,减少涂


装材料和能源的消耗,降低涂装成本,而且在一条生产线可实现多车型不同工艺生


产。 

  “专业化分包管理”模式将成为汽车涂装管理的发展潮流。 

  中国汽车涂装技术的应用与国际水平的差距在不断缩小。几大汽车公司新的涂


装线已经或接近达到国际水平。汽车涂料生产以国外技术国内生产为主,汽车涂装


生产线关键配套装备也主要依赖进口。所以中国汽车涂装及涂装相关行业自主水平


要与国际接轨还有较长的路要走。


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