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[涂装] 国内客车行业涂装的现状及未来的发展趋势

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发表于 2020-3-3 08:43:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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国内客车行业涂装的现状及未来的发展趋势

黄熠*,刘学渊
(金龙联合汽车工业(苏州)有限公司,江苏 苏州 215026)
【中国汽车材料网】摘要:从客车生产的特点,车身用材料、涂料、腻子,以及涂装施工方法、设备、环境等方面介绍了国内客车行业的涂装现状,讨论了铝材、碳纤维、电脑喷绘和喷涂机器人在客车车身及其涂装中的应用情况,分析了客车涂装中应用高固体分、水性和无溶剂型涂料存在的问题,指出了客车涂装未来的发展趋势。
关键词:客车;铝合金;碳纤维;涂装;机器人

经过几代客车人的不懈努力,中国已成为世界第一大客车产销王国,越来越多的中国造客车驰骋在全球各地,形成了一道道亮丽的风景。
客车涂装虽然也隶属于汽车涂装,但相比于乘用车行业,客车具有车体较大、车型多、产量小、工艺复杂、装备水平较低、涂装施工条件差、客户定制化图案复杂等特点,因此在涂装技术、工艺流程、自动化程度、涂装材料、涂装设备等方面有着很大的差距。


1 国内客车行业涂装的现状
1.1 客车行业生产的特点

[size=1em](1) 大中型客车的生产与乘用车的最大区别是以销定产。乘用车可以按照同一配置、同一颜色先批量生产,再投放到市场供客户选购,而客车因为造型、配置、图案、颜色等客户个性化需要不一,无法提前排产,只能等客户个性化需求确定后才能安排生产。

[size=1em](2) 客车产量相对较小,目前全球客车行业排行第一位的企业年产销量也就6 万多辆;而乘用车一线生产线的年产量大都超过10 万辆。

[size=1em](3) 客车车型多(每个主流客车厂家的车型估计都超过300 种),典型的小批量多品种。

[size=1em](4) 客车生产以手工操作为主,自动化程度低,属于劳动密集型产业。

[size=1em](5) 客车生产订单极不均衡,决定了生产线安排生产计划的不均衡:节前(特别是春节前)是传统的生产旺季,往往来不及生产和交付客户,而淡季时可能没活干。


1.2 客车车身用材料

[size=1em]客车车身用原材料品种丰富,有冷轧板(主要用于有造型的部位,如前后围)、镀锌板(如侧围、顶盖及行李舱封板蒙皮)、铝板(如乘客门、侧舱门门板)、玻璃钢(如前后围)、塑料件(如后视镜)等,这些车身材料的混线生产对客车涂装来说是一个挑战,所选用的涂料体系(特别是底漆)必须能同时满足这些基材涂装的需求。


1.3 客车用涂料

[size=1em]客车所用涂料大都属于低温固化双组分涂料(电泳底漆除外),可以自干也可以低温(不高于80 °C)烘干,目前基本上都是中低固体分溶剂型涂料,VOC(挥发性有机化合物)含量高,对环境和操作员工不友好,不能适应日趋严格的环保政策法规要求。


1.4 客车用腻子

[size=1em]客车生产由于车型多、产量小、体积大,投入模具不经济,因此白皮车身蒙皮平整度差,只有靠大量的腻子填平。原子灰腻子因干燥快、硬度高、可打磨性优、一次性可刮涂厚度相对较厚等优点而被各客车厂家广泛采用。

[size=1em]原子灰腻子系不饱和聚酯树脂、苯乙烯通过添加大量的填充料混合而成,是一种含填充料较多的涂料,只能填平表面,提高工件表面平整度。但腻子易起泡、开裂、脱落,对涂层的弊大于利。如何减少腻子用量是客车厂的一大课题。


1.5 客车图案

[size=1em]客户根据企业自身品牌建设需要或者喜好,对图案要求越来越高,图案制作难度加大。笔者曾经做过一台车,喷涂近30 个颜色;也曾花费半个月在车身上做了3 排松树,如图1 所示。客户的个性化需求对生产组织带来很大的影响。

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图1 复杂的客车车身图案

Figure 1 Complex patterns on coach bodies


1.6 客车涂装施工方法

[size=1em](1) 车身底漆除近10 家主流客车厂家采用整车阴极电泳外,其余的大都采用手工溶剂擦洗进行涂前处理,压缩空气罐枪手工喷涂。

[size=1em](2) 腻子刮涂和打磨均为手工操作。

[size=1em](3) 中涂和面漆除个别厂家采用高速旋杯静电喷涂机器人外,其余的大都采用压缩空气罐枪手工喷涂,图案制作以贴刻膜或者拉胶带线条后打磨、清洁、手工喷涂,费时费工,涂料利用率及生产效率低下。


1.7 客车涂装设备

[size=1em](1) 通常情况下,客车涂装的主要设备简陋。

[size=1em](2) 打磨室一般只有排风系统,无送风系统,温度和湿度无法控制。

[size=1em](3) 喷漆室有排风系统和送风系统,冬季可加温,夏季不制冷,湿度无法控制。

[size=1em](4) 烘干室可调温度范围一般是60 ~ 90 °C(电泳底漆烘干室除外)。


1.8 客车涂装的环境

[size=1em]客车涂装车间的环境比较差,没有做到完全封闭,并且打磨、吹灰等产生灰尘的工序与喷漆室和烘干室区域也没有隔离,车间内空气洁净度差,温湿度基本靠天定。


2 新材料、新工艺和新设备在客车涂装中的应用状况
2.1 车身新材料

2.1.1 铝

[size=1em]近年来,出于节能减排、环保等需要,客车轻量化成为炙手可热的技术议题之一,轻量化设计已成主流趋势。全铝车身使车身乃至整车变轻,油耗就会下降,对于纯电动客车来说也就意味着能显著增加续航里程。

[size=1em]铝车身具有五大优点:轻量化、提升安全性、节能环保、防腐蚀性好和高回收利用率。

[size=1em](1) 轻量化:铝的密度远小于铁,相较于传统的铁制车身,铝制车身更轻,且兼具强度更高、抗扭性能好等优良特性。

[size=1em](2) 提升安全性:车身减重可使客车重心降低,防侧翻,有利于提高加速性能,有效缩短刹车距离,降低噪声,以及改善振动,有效提高了客车的安全性 、驾驶性和舒适性。铝材的吸能特性可在碰撞时吸收更多能量,保护乘客。

[size=1em](3) 节能环保:铝制车身带来的轻量化优势也是实现车辆节能减排的重要手段。世界节能与环境协会基于交通运营商的数据显示,整车减重10%,可降低油耗6% ~ 8%,或节省电能6% ~ 9%。

[size=1em](4) 防腐蚀性:因铝合金表面易形成一层致密的氧化膜,可阻止空气中的氧气与铝接触,耐腐蚀性能大大提高,可减少传统钢材的电泳工艺,进一步提高了整车的经济性。

[size=1em](5) 高回收利用率:铝车身件实现了95%以上的材料回收率,并能在较低的温度条件下重熔,可重复再利用,强制报废车残值更高。


2.1.2 碳纤维

[size=1em]碳纤维广泛应用于赛车和飞机,最近几年在汽车零部件上的应用越来越多。汽车碳纤维又称汽车碳化纤维,泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料,特点是高强度、高模量和极强的防腐性能,外柔内刚,质量比铝轻,但强度高于钢铁,抗拉强度可达3 500 MPa 以上。

[size=1em]近年来,客车业界对整车碳纤维车身的研究与探索已有一定成果。该类车型多出现于纯电动客车上,除悬架、转向、行驶等底盘部分系统外,整个车身(含车架)均采用碳纤维包覆结构件的方式设计,车身轻量化已达极致。


2.2 新工艺——电脑喷绘

[size=1em]客户的图案个性化需求必须满足,但复杂图案对生产进度影响很大。客车图案目前施工工艺比较复杂,施工遍数多,喷涂面积小,颜色多,每种颜色的用量小,利用率低,喷房送风浪费大,排风处理设备投入费用高,运行费用高。

[size=1em]用电脑喷绘做出复杂图案,然后贴在喷涂好面漆的车身表面,可大大节约生产时间,但存在贴膜易翘边,长时间刷洗车身会出现贴膜掉落、褪色等问题(有收到此类投诉)。曾经试过在电脑喷涂贴膜的外表面喷涂一遍罩光清漆,但小面积的喷涂贴膜效果尚可,稍微大点的贴膜由于很难贴平整,而且有气泡,喷涂清漆后缺陷更加明显。

[size=1em]参照自行车、家用电器行业的做法,目前正在测试类似贴花的薄膜化贴膜。把设计好的图案制成菲林片,然后通过菲林片制成丝网模具,再用丝网模具印刷油墨在适合的基材上,施工前放在水里浸泡20 s 以上,基材与贴膜自动脱离,然后在客户要求的位置贴上贴膜。由于贴膜背面有水,可轻松地调整位置,也可以把气泡完全赶出,烘干车身表面的水分后撕去表面保护薄膜,直接喷涂清漆后烘干。经过多轮测试,结果面漆、图案贴膜、清漆在干燥后成为一体,层间附着力良好,外观无起泡或毛边,外表面罩有清漆没有贴膜翘边、褪色的隐患,批量车一致性好。后续会测试大面积图案贴膜的施工性能。

[size=1em]目前,该工艺大批量应用的难点是客车图案系客户个性化需求,批量订单中同样图案的数目一般不多,而丝网印刷需要制版费用,数量少的图案制版费用比较高。需要综合比较喷涂图案的涂料、设备运行成本、人工遮蔽和打磨,以及喷漆成本、VOC 末端处理成本。


2.3 新设备——喷涂机器人

[size=1em]喷涂机器人已广泛应用在乘用车工厂。近年来,客车行业紧随其后,国内有几家企业已经开始投入使用。但由于面漆颜色的多样化需求和换色困难,目前喷涂机器人大都只集中用于中涂喷涂。使用喷涂机器人的优点如下:

[size=1em](1) 使用喷涂机器人喷涂的涂层质量稳定,大大降低了人为因素的影响,也降低了对喷漆工的技能要求,在人员流动频繁的现阶段能稳定提升涂层质量。

[size=1em](2) 机器人喷涂采用静电喷涂,其油漆利用率可达75%以上,是空气喷涂的2 倍,大幅节约了涂装材料成本,并可降低环境污染及污水处理、废气排放、漆渣处理、滤棉更换等治污综合费用。

[size=1em](3) 机器人喷涂采用高速旋杯(20 000 ~ 60 000 r/min),油漆的雾化更好且均匀,涂层流平好、橘皮少,更易得到光滑如镜的涂层外观。

[size=1em](4) 涂装机器人能模仿人的手、手腕和手臂,完成复杂动作,并且具备行走功能。其运行轨迹程序通过示教功能进行编制。不同车型运行轨迹及油漆品种/颜色的切换可通过车体识别系统自动完成,或通过操作机器人控制软件手动完成,方便迅速。

[size=1em](5) 机器人喷涂涂膜厚度可通过调整油漆施工固含、喷涂流量、喷枪运行速率、扇面搭接率、喷幅等施工参数进行控制。

[size=1em](6) 喷涂机器人效率更高,12 m 客车可在15 min 内完成喷涂,提高工效并可降低喷漆室的能耗费用。

[size=1em](7) 机器人喷漆室所要求的风速更低,又可以使用循环风,可进一步降低喷漆室的能耗费用,同时进一步减轻VOC 末端处理的压力及能耗。

[size=1em]目前,客车用喷涂机器人要注意解决的问题是:(1)庞大的车身左右和前后定位困难;(2)车型繁多,故需对喷涂施工车型编程及试喷微调;(3)高压静电和高速旋杯所得到的涂层均匀(特别是金属漆,银粉排布非常均匀),而客车在总装过程中不可避免的磕碰划伤造成修补色差;(4)双组分涂料的主剂与固化剂按比例混合超过可用时间后会固化(不像单组分涂料那样需要经过高温烘干才能固化),且喷涂机器人较低的利用率也可能会使混合阀以后的管路堵塞;(5)喷涂机器人属于“高大上”的设备,客车厂家操作及维护人员匮乏。


3 环保标准提升之下客车涂装工艺的应对措施


3.1 环保压力

[size=1em]目前国家相关部门和地方政府都出台了不少环保法规,针对污染源提出了各种限值,客车企业的达标压力颇大。例如,江苏省地方标准DB 32/2862-2016 对排气筒VOC 的最高允许排放浓度要求如下:乘用车30 mg/m3(最高允许排放速率是32 kg/h),其他车型60 mg/m3(最高允许排放速率是60 kg/h)。该标准对汽车涂装生产线单位面积VOC 排放限值的要求是:乘用车35 g/m2(指GB/T 15089 规定的M1 类汽车,即包括驾驶员座位在内,座位数不超过9 座的载客汽车),客汽150 g/m2(指GB/T 15089 规定的M2、M3 类汽车,即包括驾驶员座位在内,座位数超过9 座,且最大设计总质量前者不超过、后者超过5 000 kg 的载客汽车)。因此,客车行业也必须投资建设VOC 末端处理设备。


3.2 涂装原材料

[size=1em]强制汽车行业采用高固体分、水性、无溶剂型等低VOC 含量的涂料替代传统的溶剂型涂料。几种清洁涂料的对比见表1。

[size=1em]目前,无溶剂型涂料还不能满足客车生产的低温烘干、颜色丰富多变等实际需求,仅适合部分零部件涂装,暂时无法应用于客车整车涂装。


3.3 清洁涂料在应用中存在的问题

[size=1em]笔者调研了国内客车厂家使用清洁涂料的情况,与涂料厂家进行了多轮技术交流,也进行了多家清洁涂料的样板测试及样车试喷。就目前掌握的情况而言,客车应用清洁涂料仍有不少问题:

表1 水性涂料、高固体分涂料和无溶剂型涂料的优缺点

Table 1 Advantages and disadvantages of waterborne paints, high-solid-content paints, and solventless paints

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[size=1em](1) 客车颜色种类繁多,而目前清洁涂料在客车行业基本没有应用,面漆颜色开发周期长,供应商开发颜色配方需要投入大量的人力和材料。

[size=1em](2) 客车用水性涂料的主要问题在于“娇贵”:施工窗口窄,要求的环境温湿度比较苛刻,对生产节拍影响大,产品性能有待提升。

[size=1em](3) 客车用高固体分涂料的主要问题在于加入固化剂后可用时间短,金属漆施工困难。

[size=1em]乘用车所用的清洁涂料(水性及高固体分涂料)由于市场用量大,使用厂家多,销售额巨大,涂料厂家及上游原材料厂家都愿意投入并且已经投入大量的人力、物力和财力进行研发和试验验证,目前已经成熟并大面积使用。而客车行业市场较小,销售额不大,并且颜色太多,要求较高,涂料厂家及上游原材料厂家都还没有重点关注客车所用的清洁涂料,而涂料的配方开发、性能测试验证、用户试用和跟踪需要时间较长。同时,地方环保法规要求不一样,使用清洁涂料成本上涨,购车客户不会埋单,客观上也对清洁涂料的应用带来负面影响。


3.4 末端治理

[size=1em]无论使用哪种涂料,客车厂家为了稳定达标排放,都会建VOC 末端处理设备,只不过是根据涂料的VOC 含量高低来选择投资大的、运行成本高的沸石转轮+RTO(蓄热式热力焚化炉),还是相对便宜点的活性炭吸附等其他处理设备。无论是哪一种,这些设备的投入也会使电、天然气等能耗费用大大增加。


3.5 涂装生产线装备

[size=1em]相对于水性涂料来说,高固体分涂料施工窗口较宽,基本上和目前所用的低温溶剂型涂料相同,原有的设备无需改造就能满足涂料的施工要求。而对于水性涂料来说,其施工窗口较窄,对温度和湿度的要求高,所以喷漆室送风空调要增加降温、除湿和加湿功能段,送风管道要改为不锈钢材质;水性涂料以水为稀释剂,其腐蚀性比溶剂型涂料强,喷漆室和烘干室的壁板要改为不锈钢材质;水性涂料的表干速度较慢,要增大车身表面的风速;有些水性涂料还要求两段阶梯式升温,并且烘干时间比溶剂型涂料长。


4 客车涂装未来的发展趋势


4.1 优化车型设计

[size=1em]采用平台化设计,开发模具,大幅度提升白皮车身的平整度,最大限度减少腻子用量。国内客车企业与国外思路不同,每年都会推出多款新车型来迎合市场,车型众多、产量小,客车厂家不可能投入模具,而SCANIA、SETRA、HYUNDAI 等国外客车厂这么多年也就做几种车型,可以开发模具,有利于做成精品白皮车。笔者20 年前曾参观过现代公司全州工厂,那时9 m 车腻子用量是0.3 kg、12 m 车腻子用量是0.86 kg。试问国内客车现在哪个能做到这个水准?刮涂腻子会提高成本、降低劳动效率,更会带来涂层开裂、脱落的隐患。减少甚至杜绝车身用腻子可以大大提升生产效率,降低涂层质量隐患。


4.2 轻量化车身材料涂装工艺的变化

4.2.1 铝合金车身

[size=1em]铝是较活泼金属,虽然暴露于空气中很快在表面形成一层致密的氧化膜(三氧化二铝),能把金属铝和空气隔绝开来,阻止氧气的进一步腐蚀,但仍需要进行防腐处理。再加上客车用户的个性化图案需求,因此铝车身仍要涂装。它与传统铁质车身涂装的区别在于:

[size=1em](1) 客车用铝蒙皮在电泳底漆高温烘干时易变形,因此铝车身客车不采用电泳底漆方式,而是采用涂前处理+喷涂双组分环氧底漆方式。

[size=1em](2) 客车铝车身所用的双组分环氧底漆需要慎重选择,配套不好的双组分环氧底漆在铝车身上的附着力很差,使用前需要做底漆与基材和腻子的大量测试验证工作。

[size=1em](3) 由于铝合金相对于铁较软,为了避免喷涂面漆后显现底层涂前处理的砂纸打磨印,需要提高铝车身蒙皮打磨砂纸的标号。

[size=1em](4) 鉴于铝相对较软,而现场喷涂聚氨酯发泡是一个放热过程,喷涂后呈液体状,虽然起泡时间只有短短的几秒钟,聚氨酯可能会流到铝蒙皮与骨架之间才起泡,从而造成蒙皮变形,导致蒙皮平整度变差,因此顶部发泡而侧围内部不能大面积发泡,采取喷涂隔热阻尼胶+隔热棉的方式。

[size=1em](5) 生产铁质客车时的烘干温度通常设定在80 °C(电泳底漆需160 ~ 190 °C ),而铝较软,为了避免烘干过程蒙皮变形,要求烘干温度设定在60 ~ 70 °C,同时根据各涂料的干燥性能相应地延长烘干时间,确保涂层干透,以免影响下道工序


4.2.2 碳纤维

[size=1em]碳纤维本身因防腐性能极佳而不需要涂装,为了赋予多姿多彩的外观,需要在涂装时重点处理干净表面的脱模剂。该类车型的整体防腐性能极佳,在车身总成装配完成后,表面进行简单处理即可,喷涂色漆、图漆之后也是低温烘烤或晾干即可。整个涂装工序异常简化、基本上“颠覆”了传统的客车涂装理念。同时,由于喷涂工艺的改变,油漆用量大幅降低,涂装VOC 排放极大减少,末端治理的压力随之降低。

[size=1em]但由于碳纤维的产业化能力较低、产品开发周期长、成本高等因素,此类车型的推广尚需时日。


4.3 喷涂机器人和打磨机器人的应用前景

[size=1em]随着国家科技的高速发展和城镇化进程的加快,社会经济飞速进步,人员流动日趋频繁,操作人员的技能呈下降趋势,同时人工成本飙升,智能机器人的应用会越来越多,乘用车市场喷涂机器人的大量应用和少数客车厂家的尝鲜,加上喷涂机器人的优势,预计10 年之内喷涂机器人会在客车行业大量使用。

[size=1em]由于客车品种多、外观形体较大等因素,若人工智能识别技术能与喷漆或者打磨机器人联合起来,则会事半功倍,涂装生产线的柔性化将更加突出。利用人工智能识别技术对客车外形进行识别,确定该车身在喷漆室体中的“即时”三维坐标数据,这些数据被传输到机器人控制系统,控制系统直接用这些数据生成喷涂或者打磨施工程序。这样一方面可以节约不同车型编程所需要的大量人力、物力、财力,另一方面工艺小车支撑车身在喷漆室内前后左右的精准定位要求也相应地降低,增加了生产线的柔性。

[size=1em]目前,某中字号客车企业已经开始尝试使用打磨机器人,主要用于中涂打磨。客车打磨工序工作量大、灰尘多,操作环境恶劣,夏季时打磨室温度高,操作员工流汗多,打磨灰尘粘附在皮肤表面,易引发皮炎等不适,操作员工离职率高,采用机器人打磨是一个趋势。

[size=1em]但打磨机器人在调试过程中通常会遇到的以下问题:(1)像喷涂机器人一样,每种车型也要预先编程,耗费大量的人力(若同时使用打磨和喷涂机器人,估计程序可以相互借鉴);(2)只能打磨侧围蒙皮,大顶蒙皮无法打磨;(3)单车打磨时间约40 min,比手工打磨稍长。


5 结语

[size=1em]客车涂装具有其特殊性,无论是涂装工艺,还是原材料和涂装设备,都不能与乘用车相提并论。随着国家环保法规的要求升级,客车绿色环保涂装迫在眉睫,需要相关方共同付出更大的努力。




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