在汽车制造过程中,车身涂装是工艺流程最长、技术复杂程度最高的环节之一,也是产生三废排放最多的环节之一。在汽车及制造相关法规的驱动下,减少涂装公害、降低涂装成本、提高涂装质量一直是涂装技术发展的主题。近十几年来围绕质量、环保、成本在新材料、新工艺、新技术等诸方面的进步十分显著。除环保材料在典型的三涂层体系涂装工艺中得到全面应用外,从前无法实现的革命性新工艺和新技术也得到应用或即将应用,这预示着汽车车身涂装技术将进人一个新的发展时期。
1、普及环保型涂装材料,VOC排放量大幅度下降
尽管目前在世界范围内,有机溶剂型涂料还在不同程度的使用,但环保型涂装材料近十几年来已经逐渐普及。典型的3C3B涂装工艺在应用环保型涂料前后VOC排放量的对比如图1。从图1可见,VOC排放量从120g/g/m2下降到30g/m2以下,最低可降到12~13g/m2。
环保型涂料正式工业化应用的十几年来,在涂层质量及喷涂技术方面存在的诸多问题已经得到较好的解决,进入了成熟期。为降低涂装CO2的排放,应用紫外光(UV)固化或低温固化涂料进行车身涂装也是各大汽车公司关注的课题,试验研究已经接近工业应用阶段。我国几大汽车公司在漆前处理材料和电泳漆应用方面与国际水平相差不大,但由于应用水性中涂和水性面漆必须使用专用设备,涂装成本会大幅度提高,尽管目前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,但中涂和面漆仍采用传统的中低固体分溶剂型涂料,所以涂装VOC排放远落后于欧洲。为适应未来的发展要求,我国近几年新建的车身涂装线多已考虑应用水性中涂及水性面漆的可能性。据悉,戴姆勒-奔驰汽车公司和丰田汽车公司在北京和天津的合资企业的新工厂投产时将应用水性涂料。
2、涂装线的自动化趋于完美
传统典型的运输机(Power and Free Overhead Conveyer、Pendulum Conveyer、Auto-Motor-Hoist)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。新型多功能穿梭机(Vario-Shuttle)和滚浸运输机(RoDip)诞生后,在解决了这些问题的同时兼备传统运输机的所有优点。多功能穿梭机还具备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。
车身内外焊缝密封及铺放防声隔热片一直是人工劳动最大的环节,目前这两种操作随着新材料及喷涂装备的进步,已经可用机械人实现自动化,图3。
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,且对涂装质量也有不利影响。随着机器人技术的进步,多功能喷涂机器人(VarioRobot)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只减少到6只,标准喷漆室宽度由4.6m减少到3.8m,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4)。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。
我国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、多功能喷涂机器人都已经得到应用。
3、低成本涂装技术开始进入实用阶段
如前所述,水性涂料的涂装成本高于传统溶剂型涂料,从现有水性涂料施工性能和喷涂技术方面的改进降成本潜力有限。为此,从新材料和新工艺的应用角度实现涂装成本的降低,成为涂装技术发展的主要方向。基于车身钢板表面质量的不断提高,使涂装工艺的简化成为可能。值得关注的有以下几个方面。
3.1二次电泳工艺
用两涂层电泳材料,首涂层(1020μm)具有防腐、导电性、泳透力极高的特性;第二层电泳(35-40μm)具有抗石击能力、外观卓越、零VOC、抗紫外线/有足够的遮盖力、无泳透力的特性,完全替代中涂。试验模拟车身各部位二次电泳后的效果如图5.电泳工艺自动化施工稳定可靠,一次合格率高,材料利用率高(98%),设备投资少(不需空调系统),可节省费用48%,减少了维修频次,减少了传统中涂的漆渣和VOC排放。
3.2薄涂层体系(ShortSystems)
3.2.1一体化涂装工艺(3BIC概念)
(3BIC概念)一体化涂装工艺如图6。采用与面漆同色的功能层(15μm)替代中涂,功能层与面漆底色湿碰湿喷涂在面漆线上完成,取消中涂线。该工艺提高了生产效率,降低了成本并进一步减少了三废排放。
3.2.2无中涂工艺(Primerless Paint System)
在板材表面质量不断提高和电泳漆膜外观满足装饰性涂装要求前提下,使取消中涂层的设想成为可能,要做的就是改进电泳底漆或面漆底色,以适应这种两涂层工艺的要求。和以往两涂层工艺稍有不同,无中涂工艺不增加底漆和面漆的膜厚,在减薄漆膜总厚度后,仍能满足对车身的防护和装饰要求。显然,这会大幅度地降低涂装成本。大众汽车公司正考虑在其西亚特系列汽车上使用一种无中涂工艺,德国和意大利的一些工厂已经在某些色系的汽车上使用了无中涂工艺。
4、P2Zero概念及涂装替代技术的应用
P2Zero概念可在几乎无环境污染和满足用户质量要求的前提下,把车身涂装车间工艺简化到只进行2次粉末喷涂。可以说,这是革命性的技术概念,将对汽车车身技术进步产生巨大的影响。
采用敷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。
透明涂层注射成型技术(CCM-ClearCoatMolding)是一种透明聚氨醋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。高级车身内装饰件,一般都是在加工完成后,采用传统的喷涂或刷涂工艺,进行多次涂装,不饱和聚醋漆需要涂6-10道,每道漆之间都需要固化后进行打磨,最后表面往往需要打磨抛光。应用注射成型技术可大大简化工艺过程,提高效率,降低成本;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。
5、结束语
综上所述,目前欧美等发达国家汽车车身涂装在普及应用环保材料方面发展迅速,VOC排放已经远低于最苛刻的法规要求;涂装自动化、涂装生产效率及涂装材料利用率进一步得到提高;进一步降低涂装成本和降低三废排放的新技术已经诞生,并开始得到应用;新技术已经不限于在传统典型的涂装工艺方面的改进,不同的替代涂装技术已经应用于生产或即将得到应用,这些技术的应用在简化车身涂装工艺的同时,对传统的汽车车身的设计和制造的概念也产生着重大的影响,这足以说明,汽车车身涂装技术已经开始进人一个新的发展时期,汽车车身设计及防护装饰会有更多可供选择的技术概念和成套制造方案。我国目前在用的典型车身涂装生产技术除环保材料应用方面相对落后外,其他方面技术应用与欧美差距不大。尽管如此,我国在涂装材料以及涂装相关技术的自主研发方面尚有不小的差距,如何改变这种现状是涂装及其相关行业的共同课题。