大型零件粉末涂裝的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

高曉娟，李月林(天津七所高科技有限公司，天津 300409)

0 引言

表面涂裝的核心作用是提高產(chǎn)品的耐用性和裝飾性。近十年來，由于粉末涂裝具備綠色環(huán)保零VOC排放，涂層堅固耐用耐高溫，生產(chǎn)綜合成本低，安全環(huán)保、利用率高等優(yōu)勢，正在逐步代替油漆涂裝，從工藝技術(shù)角度，粉末涂裝和油漆涂裝僅在噴涂方法，過噴涂料處理方法，固化或烘干溫度等方面有所區(qū)別，但工件從小到大，從薄到厚，從簡單到復(fù)雜的量變過程，對有區(qū)別工藝的實現(xiàn)過程、工件轉(zhuǎn)運的自動化程度乃至整線的生產(chǎn)柔性，產(chǎn)生本質(zhì)影響[1-2]。因此大型零件粉末涂裝從工藝優(yōu)化角度，為涂裝工業(yè)的系統(tǒng)創(chuàng)新與融合發(fā)展提供了新動能。

近幾年，大型零件如物流裝備(如集裝箱)、工程機械、汽車工業(yè)等主要以油漆涂裝為主要噴涂工藝的行業(yè)正在迅速的進行“漆改粉”產(chǎn)線改造提升工程，“漆改粉”工藝已經(jīng)是大勢所趨，不可逆轉(zhuǎn)[3-4]。

1 大型零件粉末涂裝工藝與特點

1.1 大型零件粉末噴涂工藝

大型零件自動化粉末涂裝生產(chǎn)線的常規(guī)工藝主要由自動上件→拋丸→補拋→人工清理→前處理(高壓清洗→預(yù)脫脂→脫脂→水洗2 →純水洗1 →硅烷→水洗3 →純水洗2) →人工吹水→水分烘干→強冷1 →噴粉→粉末固化→強冷2 →自動下件等組成，此外，該類型生產(chǎn)線還含有中控系統(tǒng)、廢氣處理設(shè)備、廢水處理設(shè)備等[5-6]。

各設(shè)備的功能如下：(1)拋丸設(shè)備用于清除工件表面的銹蝕和焊渣，是工件表面達到要求的粗糙度并清理工件表面的丸料和粉塵。(2)噴淋式前處理設(shè)備，它的功能是將金屬零件表面清洗干凈，使之無油、無銹并形成一層細密的保護化膜。(3) 水分烘干設(shè)備是將金屬零件表面的水分烘干，為粉末噴涂做好準備。(4) 強冷設(shè)備是將烘干和固化后的高溫工件進行快速冷卻，以達到粉末噴涂和下件的要求。(5)粉末噴涂設(shè)備，在50～60 kV 的電壓下，使粉末帶電，在壓縮空氣和靜電引力的雙重作用下，令粉末吸附在工件上。(6)粉末固化爐，在烘箱高溫的作用下(約 200 ℃，持續(xù)20 min)，使粉末固結(jié)，形成光潔堅固的涂層。(7)懸掛輸送系統(tǒng)，作為粉末涂裝線的輸送設(shè)備，承載工件依次完成前處理、水分烘干、自動噴粉和粉末固化等工藝過程。(8) 電氣控制系統(tǒng)為生產(chǎn)線各設(shè)備供電并完成各設(shè)備的自動控制。(9) 廢氣處理設(shè)備將生產(chǎn)線產(chǎn)生的固化高溫廢氣經(jīng)過處理，達到可以有組織排放到空氣中的一種環(huán)保設(shè)備。(10)廢水處理設(shè)備是將生產(chǎn)線前處理產(chǎn)生的廢水經(jīng)過有效處理，達到當?shù)丨h(huán)保要求排放標準的設(shè)備。

1.2 大型零件粉末涂裝特點

(1)大型零件粉末噴涂零揮發(fā)，相比于液體油漆高達70%的溶劑含量，具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢[7]。

(2)大型零件粉末噴涂便于實現(xiàn)自動化，節(jié)省人工。粉末涂料可直接使用，不需要用溶劑稀釋油漆； 自動化粉末噴涂系統(tǒng)的覆蓋率高，所需要的手工補噴量較少。大型零件工件具有體積大、重量高的特點，一方面考慮安全生產(chǎn)、一方面考慮生產(chǎn)效率，生產(chǎn)線最小化人工操作和人工轉(zhuǎn)運，達到較高的自動化水平[8-9]。

(3)大型零件粉末噴涂涂料利用率高，現(xiàn)有粉末噴涂設(shè)備均采用噴粉房或流化床的結(jié)構(gòu)形式，所有粉末均在封閉的空間內(nèi)循環(huán)流動，不會排放到周圍環(huán)境中，再利用率達95%以上。同時粉末噴涂經(jīng)一次噴涂即可形成所需厚度的漆膜，無需重復(fù)多次噴涂，生產(chǎn)效率更高[10-11]。

(4)大型零件粉末涂裝柔性化程度高，大型工程零件往往具有訂單化生產(chǎn)和成套生產(chǎn)的特征，導致噴涂的工件種類多、數(shù)量少，且尺寸、結(jié)構(gòu)、厚度有較大變化。大多在一條涂裝線內(nèi)完成全部噴涂任務(wù)，這就要求大型工程零件粉末涂裝線具有極強的柔性生產(chǎn)能力。

(5)大型零件粉末涂裝與液體油漆涂裝相比更安全，在運輸、存儲、噴涂和設(shè)備未清理干凈或者使用不當時候極大地減少火災(zāi)發(fā)生的可能性[12-13]。

2 大型零件粉末涂裝的應(yīng)用現(xiàn)狀

大型零件如工程機械部件、農(nóng)用機械部件、集裝箱等的粉末涂裝生產(chǎn)線，因工件、產(chǎn)量、場地、能源、環(huán)保政策等實際因素影響，充分體現(xiàn)了非標定制化特點。目前，我國在涂料生產(chǎn)和消費上均處于世界第一，但是在涂裝新材料、新工藝的研發(fā)上，依然與美、日等國存在較大差距，尤其是在環(huán)保工藝、自動化裝備等領(lǐng)域，很難達到發(fā)達經(jīng)濟體的標準，限制了我國涂裝產(chǎn)業(yè)的國際化步伐。

2.1 涂裝設(shè)備非標化程度高

大型零件的涂裝設(shè)備非標化程度很高，行業(yè)標準不太完善，很多設(shè)備無法標準化配套。比如輸送設(shè)備、前處理、水分烘干、強冷、粉末固化、廢水等設(shè)配套設(shè)備的靈活度很高，這些對生產(chǎn)廠家的設(shè)計、制造以及對使用廠家的選擇、管理等都帶來了極大的不便。近幾年，像除塵設(shè)備、噴槍、回收系統(tǒng)、純水等逐步趨于標準化，系列化，使整個大型零件涂裝線的標準化配套程度有了一定的提升。

2.2 環(huán)保技術(shù)與體系處于起步階段

不同于其他行業(yè)，涂裝裝備的出口必須滿足目標國家環(huán)保法規(guī)的要求，然而目前，我國涂料與工藝的環(huán)保標準還處于起步階段，相關(guān)行業(yè)環(huán)保投入低，導致現(xiàn)有涂裝設(shè)備普遍缺乏有效的污染物控制手段，這極大地減緩了我國涂裝設(shè)備走出國門，與國際化接軌的進程，使我國在新時代大國競爭中處于不利地位[14]。粉末噴涂生產(chǎn)線得益于其循環(huán)利用的特點，產(chǎn)生固廢、廢氣、廢水的量較油漆涂裝線有極大降低，但仍不能做到零污染零排放。粉末涂裝線的污染源主要體現(xiàn)在前處理溢流水的藥劑排放和水蒸氣的藥劑逸散，粉末固化的廢氣排放，多處燃燒機的碳排放。在保證涂裝品質(zhì)的前提下，減少“三廢”，對主要污染源廢氣、廢水進行有效處理，實現(xiàn)低污染、低排放的綠色生產(chǎn)型涂裝線，是需要進一步加強技術(shù)開發(fā)力度。

2.3 涂裝設(shè)備自動化程度高

大型零件工件具有體積大、重量高的特點，工件輸送、噴丸除銹、前處理清洗、水分烘干、強制冷卻、粉末固化對應(yīng)的設(shè)備模塊已經(jīng)實現(xiàn)自動化。噴粉、上件、下件設(shè)備模塊已經(jīng)實現(xiàn)主體功能自動化，人工少量輔助。目前國內(nèi)生產(chǎn)線已實現(xiàn)智能識別工件，智能噴涂系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)等可全線實現(xiàn)自動控制、自動運行，各工藝參數(shù)實時檢測，超限報警，保證生產(chǎn)線安全、可靠、高效、低成本運行，自動化程度較以往有了較大幅度的提高。丸渣清理、刮膩子、膩子打磨、工裝屏蔽等勞動密集設(shè)備模塊還沒有特別有效的替代方法，這些需要進一步提升其自動化水平。

2.4 涂裝設(shè)備節(jié)拍快

現(xiàn)代化涂裝車間的生產(chǎn)方式一般采用流水線生產(chǎn)方式，節(jié)拍是生產(chǎn)線的節(jié)奏，也是連續(xù)生產(chǎn)的重要參數(shù)。中國各種機械行業(yè)都在要求生產(chǎn)線進行節(jié)拍提升，因此車間場地、輸送設(shè)備往往成為節(jié)拍的瓶頸點，提高車間場地的利用率，減小設(shè)備的體積和投資規(guī)模是所有涂裝生產(chǎn)線乃至所有非標設(shè)備的共性需求。輸送系統(tǒng)是集約用地、柔性生產(chǎn)和自動化的基本保障。輸送系統(tǒng)根據(jù)不同工件大小和不同的表面噴涂的要求，可以靈活設(shè)計工藝路線和工藝參數(shù)，保證物流通暢和較高的生產(chǎn)效率，滿足多樣化的生產(chǎn)需要。這些都要求設(shè)備生產(chǎn)廠家具備較高的方案設(shè)計水平來滿足節(jié)拍的要求，我國目前涂裝生產(chǎn)線生產(chǎn)企業(yè)大多數(shù)是中小企業(yè)，其中部分企業(yè)存在技術(shù)水平低、研發(fā)能力弱等問題，大型涂裝設(shè)備高設(shè)計水準、高制作水平的企業(yè)欠缺，因此需要大力提升涂裝行業(yè)整體設(shè)計水準，使我國實現(xiàn)從涂裝大國到涂裝強國的轉(zhuǎn)變。

3 大型零件粉末涂裝的發(fā)展趨勢

“十四五”以來，智能制造與高端裝備制造逐步成為裝備制造業(yè)發(fā)展的潮流與未來；物聯(lián)網(wǎng)，云制造，邊緣計算，數(shù)字孿生等新技術(shù)，將車間、工廠、供應(yīng)鏈與用戶連接成一個有機的整體，構(gòu)建虛實融合、知識驅(qū)動、動態(tài)優(yōu)化、安全高效、綠色低碳的智能制造系統(tǒng)引領(lǐng)著大型零件粉末涂裝朝著智能化、高效、高質(zhì)、低耗、節(jié)能、減少乃至消除環(huán)境污染、提高車間有效利用率等方向發(fā)展。

3.1 高自動化

大型零件粉末涂裝線已具有較高的自動化程度。目前仍有兩方面仍有提升空間，其一，研究靈活的多軸噴粉執(zhí)行器和智能粉末厚度識別系統(tǒng)，替代人工完成補粉噴涂工作；其二，研究與上下件專機接駁的自動轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，替代人工完成大型工件的接序和轉(zhuǎn)序。上述工作對安全生產(chǎn)、職業(yè)健康有重大意義，同時可提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)穩(wěn)定性[15-16]。

3.2 高智能化

產(chǎn)品智能化是當今工業(yè)發(fā)展的趨勢，目前國內(nèi)在控制策略、智能識別、狀態(tài)檢測、大數(shù)據(jù)分析等方面的工作已促進裝備向智能化方向邁進。實現(xiàn)全設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，建立完善的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)故障診斷和養(yǎng)護提醒；在線體數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上建立橫向連接，與涂裝線上下游設(shè)備間互通互連，實現(xiàn)工廠生產(chǎn)全過程智能化管理，提升生產(chǎn)柔性和容錯率，是未來發(fā)展的必然趨勢[17-19]。

3.3 節(jié)能環(huán)保

涂裝過程中會產(chǎn)生廢氣、廢水以及固體廢物。因此，涂裝工藝的選擇不僅要滿足涂層功能、質(zhì)量的要求，必須滿足環(huán)保要求。涂裝生產(chǎn)的最終排放不僅取決于工藝，還取決于涂裝廢水和廢氣的治理。隨著國家環(huán)保法規(guī)的日益嚴格，要求涂裝行業(yè)從工藝到設(shè)備都必須有較大提升，因此有效減少VOC 排放，進一步提高能源的利用效率、回收質(zhì)量和回收效率等節(jié)能減排措施是未來涂裝的必然趨勢[20-22]。

3.4 高端化涂裝線

大型工程零件由于其體積大、質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為達到基本工藝需求，保證噴涂質(zhì)量，保證生產(chǎn)節(jié)拍對于線體設(shè)計水準、制作水準要求均較高，需要滿足使用廠家集約用地、柔性生產(chǎn)、智能化等方面的諸多要求，因此更高效的噴淋、加熱、強冷、噴粉等工藝方 法和設(shè)備模塊，同時兼顧投入產(chǎn)出比，是未來涂裝發(fā)展的必然趨勢。

4 結(jié)語

涂裝技術(shù)水平的提高極大地提高了各機械行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，隨著大型零件粉末噴涂需求的不斷增加，在生產(chǎn)實踐中，還需要不斷在高端化、自動化、智能化、綠色化等方面進行技術(shù)創(chuàng)新，在優(yōu)化涂裝材料和涂裝工藝的基礎(chǔ)上，突破大型復(fù)雜零件高端涂裝生產(chǎn)工藝中的技術(shù)關(guān)鍵，提高大型零件粉末涂裝水平，以滿足時代的發(fā)展需求，提供強勁的動力促進我國涂裝工業(yè)的發(fā)展。