摘要：為提高車身涂裝上漆率，降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高生產(chǎn)效率，首先介紹了傳統(tǒng)汽車噴涂技術(shù)以及提高上漆率的必要性，然后闡述了涂料霧化的技術(shù)方向，詳細(xì)闡述了幾種使用靜電霧化、超聲波霧化和微孔霧化的高上漆率噴涂技術(shù)，包括基本原理、技術(shù)特點(diǎn)及目前的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)度等，并對(duì)以上技術(shù)路線在指標(biāo)和適用范圍上進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞：車身噴涂 上漆率 噴墨打印 超聲波噴涂

中圖分類號(hào)：TQ639.3 " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B " "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240091

Brief Analysis of Development of High Paint Transfer Rate Car Body Painting Technology

Kong Fei， Lin Tao， Han Jun， Huang Peng， Feng Rihua， Han Junjie

（Automotive Engineering Corporation， Tianjin 300113）

Abstract： To increase the paint transfer efficiency， reduce production costs， minimize environmental pollution， and enhance production efficiency， this paper first introduces traditional automotive painting technology and the necessity of increasing the pain transfer efficiency， then elaborates the technical direction of paint atomization， and provides a detailed overview of several high paint transfer efficiency technologies， including electrostatic atomization， ultrasonic atomization， microporous atomization. It also elaborates fundamental principle， technical features and current development and application progress of these high print transfer technologies. After that， this paper compares the index and range of application of the above technical approaches as well.

Key words： Car body painting， Lacquering rate， Inkjet printing， Ultrasonic painting

1 前言

在汽車制造過程中，車身噴涂是不可或缺的環(huán)節(jié)，它不僅關(guān)系到汽車的外觀質(zhì)量，還直接影響生產(chǎn)成本和環(huán)境。傳統(tǒng)的汽車車身噴涂方式為空氣噴槍和靜電旋杯噴涂，上漆率僅有35%～75%，造成了大量的材料浪費(fèi)，同時(shí)，為處理飄逸的漆霧，需提高空調(diào)送風(fēng)量，噴房下方需配備漆霧分離設(shè)備。因此，提高汽車噴涂過程中的上漆率具有重要的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)意義。隨著科技的發(fā)展，越來越多的主機(jī)廠開始研究高上漆率噴涂技術(shù)，以提高生產(chǎn)效率、降低成本、減少環(huán)境污染，且高上漆率車身噴涂技術(shù)能使汽車涂裝過程更加智能。

2 傳統(tǒng)汽車車身噴涂技術(shù)

2.1 汽車車身噴涂技術(shù)的發(fā)展

汽車車身工業(yè)化的表面噴涂最初為手工噴槍噴涂，20世紀(jì)80年代，靜電旋杯噴涂技術(shù)逐漸成熟并開始在汽車制造業(yè)中應(yīng)用，目前發(fā)展為全自動(dòng)車身內(nèi)外表面噴涂線。近年來，新建的車身噴涂線通常采用內(nèi)外表面機(jī)器人旋杯噴涂，早期建設(shè)的部分噴涂線采用空氣噴槍噴涂[1]。

2.1.1 空氣噴槍噴涂

空氣噴槍噴涂的工作原理是利用壓縮空氣流過噴槍的噴嘴孔，形成負(fù)壓，從而吸取漆料并通過噴嘴噴出，形成漆霧。這些漆霧最終沉積在被涂飾的零部件表面，形成均勻細(xì)膩的漆膜，如圖1所示。

2.1.2 靜電旋杯噴涂

靜電旋杯噴涂的工作原理是通過壓縮空氣驅(qū)動(dòng)渦輪馬達(dá)帶動(dòng)杯頭高速旋轉(zhuǎn)，涂料從杯頭中心部位噴涂到防漸板上，防濺板將涂料均勻分配至杯頭內(nèi)壁。在離心力的作用下，涂料在杯頭內(nèi)壁中加速，到達(dá)杯頭邊緣后被邊緣處的細(xì)齒切割成細(xì)絲，最后被高速甩出，涂料甩出后在邊緣被空氣霧化。在被霧化的涂料顆粒后部添加成型空氣，通過控制旋杯周圍的成型空氣來控制漆霧扇面的大小，達(dá)到精確控制噴涂形狀的目的，如圖2所示。

2.2 上漆率

2.2.1 上漆率計(jì)算方式

上漆率（Paint Transfer Efficiency，TE）是指在噴涂過程中，涂料實(shí)際被噴涂到物體表面的比例可用于衡量噴涂過程中涂料的利用效率和噴涂質(zhì)量。理論上，應(yīng)噴涂的涂料量可通過噴涂操作中設(shè)置的噴涂參數(shù)（如噴涂厚度、噴涂面積）和涂料的覆蓋率來計(jì)算[2]：

[TE=QbodyQatomizer×100]% （1）

式中：TE為上漆率，Qbody為實(shí)際噴涂到車身上的涂料量，Qatomizer為同一時(shí)間段內(nèi)霧化器噴涂出的涂料量。

2.2.2 傳統(tǒng)噴涂技術(shù)的上漆率

空氣噴槍噴涂的上漆率通常在35%～50%范圍內(nèi)，靜電旋杯噴涂的上漆率通常在40%～75%范圍內(nèi)。2種技術(shù)上漆率低的主要原因?yàn)殪F化后的漆霧顆粒由成型空氣射流提供動(dòng)力帶到車身表面，但由于空氣的不可壓縮性，氣流在碰撞車身表面后會(huì)發(fā)生反彈或向四周擴(kuò)散，一些粒徑小的顆粒就會(huì)被帶走飄散至四周成為過噴漆霧?？諝饬髁吭酱蠡蚩諝馍淞魉俣仍娇欤瑒t上漆率越低。目前的噴槍和霧化器的結(jié)構(gòu)決定了成型空氣的重要性，為涂料顆粒增加靜電對(duì)上漆率的提升有限，實(shí)際測(cè)算的整車上漆率最高約為75%。

2.2.3 提高上漆率的必要性

提高上漆率可減少油漆成本和能源消耗，降低整個(gè)生產(chǎn)過程的碳排放，減少過噴油漆的產(chǎn)生，從而減少?gòu)U棄物的處理量。

3 高上漆率噴涂技術(shù)的進(jìn)展

3.1 霧化原理

霧化是將液體轉(zhuǎn)化為細(xì)小液滴或顆粒的過程。在霧化過程中，液體被分散為微小的顆粒，形成霧狀。這些細(xì)小的液滴或顆?？蓱腋≡诳諝庵?，形成可見的霧或煙。

霧化通常通過某種能量作用實(shí)現(xiàn)，例如壓縮空氣、超聲波、旋轉(zhuǎn)力、噴嘴噴射等[3]，如表1所示。

由表1可知，提高上漆率的更好霧化方式是靜電力、壓力/微孔或超聲波霧化，或?qū)⒃撿F化方式組合使用。本文對(duì)幾種最新高上漆率技術(shù)的特點(diǎn)及進(jìn)展進(jìn)行說明。

3.2 無成型空氣噴涂霧化器

豐田汽車公司開發(fā)了一種新型的噴涂霧化器（無氣噴涂霧化器），使用靜電代替成型空氣，取代了傳統(tǒng)空氣噴涂霧化器。該霧化器上漆率最高達(dá)到95%，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的成型空氣霧化器。

該霧化器原理如圖3所示，無氣噴涂霧化器的杯頭為圓柱形。大約600個(gè)特殊的凹槽被插入到尖端，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，引導(dǎo)油漆流入凹槽并通過靜電霧化。車身的不均勻性使圓柱頭與車身之間的距離產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定。無氣噴漆霧化器能夠不斷監(jiān)測(cè)電流的變化，并自動(dòng)控制電壓，使圓柱形頭部和車身之間保持約10 cm的距離[4-5]。因此，靜電霧化和靜電噴涂能夠保持穩(wěn)定的電流，保證油漆顆粒大小均勻，從而提高噴涂質(zhì)量，如圖4所示。

目前，豐田汽車公司已經(jīng)在日本高岡和堤工廠部署了新型無氣噴涂霧化器，并逐步向其他工廠推廣，預(yù)計(jì)可以減少約7%的二氧化碳排放量[6]。

3.3 超聲波噴涂技術(shù)

3.3.1 超聲激勵(lì)和吸氣霧化器

ESS Engineering Software Steyr GmbH公司開發(fā)了一種使用超聲波作為霧化能源的新型霧化器，涂料被輸送到低速旋轉(zhuǎn)的金屬膜片前端，在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下，涂料均勻分布在膜片表面，形成一層涂料薄膜。在金屬膜片后端安裝有超聲波發(fā)生器，發(fā)出的超聲波通過空氣傳遞至金屬膜片并激勵(lì)膜片上的涂料使其霧化。同時(shí)，為防止脫離的霧化顆粒產(chǎn)生渦流，影響噴涂效果，在金屬膜片上開有狹長(zhǎng)的孔，在膜片內(nèi)部流道內(nèi)通過吸氣消除渦流。超聲波激勵(lì)和吸氣交替執(zhí)行，保證膜片上霧化出的顆粒均勻地向外流動(dòng)至工件上，產(chǎn)生均勻一致的涂膜[7]，如圖5所示。

經(jīng)過測(cè)試，該霧化器的上漆率大于90%，且單車能耗僅為傳統(tǒng)靜電旋杯霧化器能耗的27%，大幅降低能源成本[8]。

3.3.2 超聲陣列霧化器

自2019年起，福特汽車公司申請(qǐng)了一系列有關(guān)超聲陣列霧化器的專利。該超聲陣列霧化器包括一系列微型超聲霧化器，通過環(huán)形或直線陣列構(gòu)成能夠大面積涂覆的霧化器。每個(gè)微型霧化器包括一個(gè)涂料腔室，后端有涂料入口。腔室前方開口邊緣安裝有超聲換能器，在換能器上安裝有微孔板，微孔板上開有若干微孔。當(dāng)涂料從入口進(jìn)入腔室后，超聲換能器開始工作，激勵(lì)微孔板振動(dòng)，并將涂料從微孔中噴射形成霧化液滴。從大量微孔中噴射出的霧化液滴平行行進(jìn)到工件表面，形成均勻的涂膜[9]，如圖6所示。由于沒有氣流的干擾，絕大部分的霧化液滴可以轉(zhuǎn)移到工件表面，預(yù)計(jì)上漆率在95%～99%范圍內(nèi)，如增加靜電，會(huì)進(jìn)一步提高上漆率。

3.4 噴墨打印技術(shù)

3.4.1 微型壓電打印技術(shù)

Sames Kremlin公司開發(fā)的EPJet噴墨打印頭包含大量微型氣動(dòng)閥組成的執(zhí)行陣列，微型閥均通過由高頻壓電執(zhí)行器控制的微膜運(yùn)動(dòng)控制先導(dǎo)氣流釋放涂料液滴[10]，如圖7所示。最高噴涂速度可達(dá)1 m/s，定位精度在0.1 mm以內(nèi)。出口端口的尺寸范圍為100～500 μm，非常適合所有類型的單組分或雙組分涂料的噴涂，可繪制垂直條紋、方格圖案、圓圈等。

微型壓電打印技術(shù)上漆率可達(dá)到100%，減少了油漆消耗和揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）排放，消除了掩蔽材料，也消除了過度噴霧捕獲產(chǎn)生的廢物。此外，空調(diào)風(fēng)量降低了2/3。車頂套色工藝的測(cè)試和驗(yàn)證[11]結(jié)果如圖8所示。

3.4.2 無過噴技術(shù)

DURR公司開發(fā)了一種全新的無過噴噴涂技術(shù)，可用于大面積噴涂或簡(jiǎn)單圖案噴涂，且能夠確保邊界清晰，不會(huì)產(chǎn)生油漆過噴。該噴涂技術(shù)核心組件為噴嘴板，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，噴嘴板有約50個(gè)肉眼不可見的孔，孔直徑約為0.1 mm，從距離工件30 mm的平行線上通過這些孔噴射出油漆，這些噴嘴可在任一時(shí)刻開啟或關(guān)閉，控制設(shè)備為一系列的微型電磁閥[12]，如圖9所示。與噴槍或高速旋轉(zhuǎn)霧化器的噴涂工藝不同，此過程不需要任何霧化空氣，因此，無需從噴房空氣中過濾掉漆霧。

在雙色噴涂工藝中，無過噴噴涂技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

a. 上漆率可達(dá)到100%，節(jié)省涂料消耗和漆霧處理成本；

b. 高度精確且涂層邊界分明，無需遮蔽車身；

c. 縮短套色工藝過程，減少噴房工藝風(fēng)量，降低碳排放。

目前，無過噴噴涂技術(shù)已在大眾汽車和寶馬汽車的生產(chǎn)線上進(jìn)行測(cè)試和應(yīng)用[13-14]，如圖10所示。

3.4.3 噴墨打印技術(shù)

當(dāng)前，個(gè)性化車身定制噴漆的需求不斷上升，追求套色噴漆、啞光等不同漆面或特殊圖案設(shè)計(jì)。為了滿足市場(chǎng)要求，ABB推出了新一代的零過噴技術(shù)。

ABB零過噴技術(shù)參考了傳統(tǒng)的噴墨打印機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖11所示，使用了微型壓電擠壓噴墨技術(shù)，通過微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanic System，MEMS）在基板上加工大量的微型噴頭墨倉(cāng)，在壓電陶瓷不致動(dòng)時(shí)，涂料從供給通道流過加壓室并返入回流通道。向壓電陶瓷施加電壓后，壓電陶瓷產(chǎn)生形變，向加壓室的涂料施加擠壓壓力，液滴被從噴嘴處擠出[15]，通過控制電壓大小可以靈活控制噴出墨滴的大小。

ABB開發(fā)的噴墨打印頭有1 000多個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴均可單獨(dú)控制，能夠按每秒1 000多個(gè)液滴的速度進(jìn)行噴涂，液滴大小為20～50 μm，從而精確控制厚度和重疊率，同時(shí)能夠?qū)⒂推岚淳_用量噴涂在指定區(qū)域，從而確保以最高的質(zhì)量打印圖像，減少油漆浪費(fèi)。

ABB零過噴技術(shù)可與2臺(tái)ABB IRB 5500機(jī)器人配合組成一個(gè)工作站。該無過噴技術(shù)使用打印式噴頭將油漆直接印到目標(biāo)區(qū)域，而非傳統(tǒng)的霧化器噴射，從而使上漆率達(dá)到100%。由于無需遮蔽和遮蔽拆除作業(yè)，定制化噴涂能夠一次完成，節(jié)拍時(shí)間可以縮短約50%[16]，如圖12所示。

3.5 技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

針對(duì)以上各種技術(shù)路線，在上漆率、應(yīng)用范圍、設(shè)備投資等方面進(jìn)行了對(duì)比，如表2所示。

4 結(jié)束語

以降低碳排放為目的的高上漆率噴涂技術(shù)正在快速發(fā)展。經(jīng)過分析得出以下結(jié)論：

a. 上漆率的提高目標(biāo)通常為95%～100%，與傳統(tǒng)噴涂技術(shù)上漆率（35%～75%）相比，可大幅度降低生產(chǎn)成本和生產(chǎn)過程中的碳排放量；

b. 噴墨打印技術(shù)上漆率最高，但此類設(shè)備精密度高，生產(chǎn)節(jié)拍較低，目前僅適用于車身外表面部分區(qū)域的套色生產(chǎn)。

c. 優(yōu)化后的超聲波噴涂技術(shù)的上漆率高于95%，且適用于車身內(nèi)外表面噴涂，生產(chǎn)節(jié)拍高，是最有希望實(shí)現(xiàn)整車內(nèi)外表面噴涂的高上漆率噴涂技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張培倫. 機(jī)器人靜電旋杯噴涂關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 天津： 天津大學(xué)， 2019.

[2] 張慧， 華云， 郭雅莉. 汽車涂裝噴漆上漆率研究[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝， 2021， 24（12）： 61-63+66.

[3] MURAI Y， KONDO T， TANI S， et al. Super High Transfer Efficiency Application for Body Coating[J]. SAE International Journal of Advances and Current Practices in Mobility， 2020， 2（6）： 3398-3405.

[4] 豐田自動(dòng)車株式會(huì)社. 靜電微?；酵垦b裝置以及靜電微粒化式涂裝方法： CN201910938314.9[P]. 2021-05-18[2024-03-14].

[5] 豐田自動(dòng)車株式會(huì)社， 得立鼎工業(yè)股份有限公司， 日本蘭氏公司. 涂裝裝置： CN201910823233.4[P]. 2022-03-29[2024-03-14].

[6] TOYOTA MOTOR CORPORATION. Toyota Develops New Paint Atomizer with Over 95 percent Coating Efficiency， Highest in the World[EB/OL]. （2020-3-12） [2024-03-14]. https：//global.toyota/en/newsroom/corporate/31587468.html.

[7] 斯泰爾控股有限公司. 用于涂層劑的霧化裝置： CN202180056148.5[P]. 2023-05-30[2024-03-14].

[8] ESS ENGINEERING SOFTWARE STEYR Gmbh. Sonar amp; Suction Top Coating Applicator[EB/OL]. [2024-03-14]. https：//etsteyr.com/ets-media/patents/ets_sonar_and_suc-tion_paper.pdf.

[9] 福特汽車公司. 超聲材料涂敷器及其使用方法： CN201910092289.7[P]. 2019-01-30[2024-03-14].

[10] 埃克塞爾工業(yè)公司. 包括微氣動(dòng)控制單元的打印頭： CN202110414353.6[P]. 2021-04-16[2024-03-14].

[11] SAMES KREMLIN. Paint Application via Printing： With Printec?， Sames Kremlin Makes Unlimited Customization Available to Industry [EB/OL].（2021-01-06） [2024-03-14]. https：//emag.directindustry.com/2021/01/06/sponsored-paint-application-via-printing-with-printecsam?

es-kremlin-makes-unlimited-customization-available-

to-industry-by-sames-kremlin/.

[12] 杜爾系統(tǒng)股份公司. 用于將涂覆劑施涂到部件上的噴印頭： CN201780077460.6[P]. 2017-12-01[2024-03-14].

[13] Durr Group. Overspray-Free Painting at Audi[EB/OL]. （2019-12-17） [2024-03-14]. https：//www.durr-group.com/en/duerrmore/2019/overspray-free-painting-at-au?

di.

[14] BMW Group. Sustainably Produced and Highly Individual： BMW M4 Small Series Takes Shape Using New Paint Process[EB/OL]. （2021-01-10） [2024-03-14].

https：//www.press.bmwgroup.com/global/article/detail/T0346092EN/sustainably-produced-and-highly-individ?

ual：-bmw-m4-small-series-takes-shape-using-new-paint-process.

[15] ABB瑞士股份有限公司. 涂裝機(jī)： CN201980087350.7[P]. 2019-08-09[2024-03-14].

[16] 上海ABB工程有限公司. ABB’s New PixelPaint Solution[EB/OL]. （2020-10-21） [2024-03-14]. https：//search.abb.com/library/Download.aspx？DocumentID=9AKK107991A4127amp;DocumentPartId=amp;DocumentRevisionId=B.