大型零件粉末涂装的应用现状与发展趋势

高晓娟，李月林(天津七所高科技有限公司，天津 300409)

0 引言

表面涂装的核心作用是提高产品的耐用性和装饰性。近十年来，由于粉末涂装具备绿色环保零VOC排放，涂层坚固耐用耐高温，生产综合成本低，安全环保、利用率高等优势，正在逐步代替油漆涂装，从工艺技术角度，粉末涂装和油漆涂装仅在喷涂方法，过喷涂料处理方法，固化或烘干温度等方面有所区别，但工件从小到大，从薄到厚，从简单到复杂的量变过程，对有区别工艺的实现过程、工件转运的自动化程度乃至整线的生产柔性，产生本质影响[1-2]。因此大型零件粉末涂装从工艺优化角度，为涂装工业的系统创新与融合发展提供了新动能。

近几年，大型零件如物流装备(如集装箱)、工程机械、汽车工业等主要以油漆涂装为主要喷涂工艺的行业正在迅速的进行“漆改粉”产线改造提升工程，“漆改粉”工艺已经是大势所趋，不可逆转[3-4]。

1 大型零件粉末涂装工艺与特点

1.1 大型零件粉末喷涂工艺

大型零件自动化粉末涂装生产线的常规工艺主要由自动上件→抛丸→补抛→人工清理→前处理(高压清洗→预脱脂→脱脂→水洗2 →纯水洗1 →硅烷→水洗3 →纯水洗2) →人工吹水→水分烘干→强冷1 →喷粉→粉末固化→强冷2 →自动下件等组成，此外，该类型生产线还含有中控系统、废气处理设备、废水处理设备等[5-6]。

各设备的功能如下：(1)抛丸设备用于清除工件表面的锈蚀和焊渣，是工件表面达到要求的粗糙度并清理工件表面的丸料和粉尘。(2)喷淋式前处理设备，它的功能是将金属零件表面清洗干净，使之无油、无锈并形成一层细密的保护化膜。(3) 水分烘干设备是将金属零件表面的水分烘干，为粉末喷涂做好准备。(4) 强冷设备是将烘干和固化后的高温工件进行快速冷却，以达到粉末喷涂和下件的要求。(5)粉末喷涂设备，在50～60 kV 的电压下，使粉末带电，在压缩空气和静电引力的双重作用下，令粉末吸附在工件上。(6)粉末固化炉，在烘箱高温的作用下(约 200 ℃，持续20 min)，使粉末固结，形成光洁坚固的涂层。(7)悬挂输送系统，作为粉末涂装线的输送设备，承载工件依次完成前处理、水分烘干、自动喷粉和粉末固化等工艺过程。(8) 电气控制系统为生产线各设备供电并完成各设备的自动控制。(9) 废气处理设备将生产线产生的固化高温废气经过处理，达到可以有组织排放到空气中的一种环保设备。(10)废水处理设备是将生产线前处理产生的废水经过有效处理，达到当地环保要求排放标准的设备。

1.2 大型零件粉末涂装特点

(1)大型零件粉末喷涂零挥发，相比于液体油漆高达70%的溶剂含量，具有显著的环保优势[7]。

(2)大型零件粉末喷涂便于实现自动化，节省人工。粉末涂料可直接使用，不需要用溶剂稀释油漆； 自动化粉末喷涂系统的覆盖率高，所需要的手工补喷量较少。大型零件工件具有体积大、重量高的特点，一方面考虑安全生产、一方面考虑生产效率，生产线最小化人工操作和人工转运，达到较高的自动化水平[8-9]。

(3)大型零件粉末喷涂涂料利用率高，现有粉末喷涂设备均采用喷粉房或流化床的结构形式，所有粉末均在封闭的空间内循环流动，不会排放到周围环境中，再利用率达95%以上。同时粉末喷涂经一次喷涂即可形成所需厚度的漆膜，无需重复多次喷涂，生产效率更高[10-11]。

(4)大型零件粉末涂装柔性化程度高，大型工程零件往往具有订单化生产和成套生产的特征，导致喷涂的工件种类多、数量少，且尺寸、结构、厚度有较大变化。大多在一条涂装线内完成全部喷涂任务，这就要求大型工程零件粉末涂装线具有极强的柔性生产能力。

(5)大型零件粉末涂装与液体油漆涂装相比更安全，在运输、存储、喷涂和设备未清理干净或者使用不当时候极大地减少火灾发生的可能性[12-13]。

2 大型零件粉末涂装的应用现状

大型零件如工程机械部件、农用机械部件、集装箱等的粉末涂装生产线，因工件、产量、场地、能源、环保政策等实际因素影响，充分体现了非标定制化特点。目前，我国在涂料生产和消费上均处于世界第一，但是在涂装新材料、新工艺的研发上，依然与美、日等国存在较大差距，尤其是在环保工艺、自动化装备等领域，很难达到发达经济体的标准，限制了我国涂装产业的国际化步伐。

2.1 涂装设备非标化程度高

大型零件的涂装设备非标化程度很高，行业标准不太完善，很多设备无法标准化配套。比如输送设备、前处理、水分烘干、强冷、粉末固化、废水等设配套设备的灵活度很高，这些对生产厂家的设计、制造以及对使用厂家的选择、管理等都带来了极大的不便。近几年，像除尘设备、喷枪、回收系统、纯水等逐步趋于标准化，系列化，使整个大型零件涂装线的标准化配套程度有了一定的提升。

2.2 环保技术与体系处于起步阶段

不同于其他行业，涂装装备的出口必须满足目标国家环保法规的要求，然而目前，我国涂料与工艺的环保标准还处于起步阶段，相关行业环保投入低，导致现有涂装设备普遍缺乏有效的污染物控制手段，这极大地减缓了我国涂装设备走出国门，与国际化接轨的进程，使我国在新时代大国竞争中处于不利地位[14]。粉末喷涂生产线得益于其循环利用的特点，产生固废、废气、废水的量较油漆涂装线有极大降低，但仍不能做到零污染零排放。粉末涂装线的污染源主要体现在前处理溢流水的药剂排放和水蒸气的药剂逸散，粉末固化的废气排放，多处燃烧机的碳排放。在保证涂装品质的前提下，减少“三废”，对主要污染源废气、废水进行有效处理，实现低污染、低排放的绿色生产型涂装线，是需要进一步加强技术开发力度。

2.3 涂装设备自动化程度高

大型零件工件具有体积大、重量高的特点，工件输送、喷丸除锈、前处理清洗、水分烘干、强制冷却、粉末固化对应的设备模块已经实现自动化。喷粉、上件、下件设备模块已经实现主体功能自动化，人工少量辅助。目前国内生产线已实现智能识别工件，智能喷涂系统，智能控制系统等可全线实现自动控制、自动运行，各工艺参数实时检测，超限报警，保证生产线安全、可靠、高效、低成本运行，自动化程度较以往有了较大幅度的提高。丸渣清理、刮腻子、腻子打磨、工装屏蔽等劳动密集设备模块还没有特别有效的替代方法，这些需要进一步提升其自动化水平。

2.4 涂装设备节拍快

现代化涂装车间的生产方式一般采用流水线生产方式，节拍是生产线的节奏，也是连续生产的重要参数。中国各种机械行业都在要求生产线进行节拍提升，因此车间场地、输送设备往往成为节拍的瓶颈点，提高车间场地的利用率，减小设备的体积和投资规模是所有涂装生产线乃至所有非标设备的共性需求。输送系统是集约用地、柔性生产和自动化的基本保障。输送系统根据不同工件大小和不同的表面喷涂的要求，可以灵活设计工艺路线和工艺参数，保证物流通畅和较高的生产效率，满足多样化的生产需要。这些都要求设备生产厂家具备较高的方案设计水平来满足节拍的要求，我国目前涂装生产线生产企业大多数是中小企业，其中部分企业存在技术水平低、研发能力弱等问题，大型涂装设备高设计水准、高制作水平的企业欠缺，因此需要大力提升涂装行业整体设计水准，使我国实现从涂装大国到涂装强国的转变。

3 大型零件粉末涂装的发展趋势

“十四五”以来，智能制造与高端装备制造逐步成为装备制造业发展的潮流与未来；物联网，云制造，边缘计算，数字孪生等新技术，将车间、工厂、供应链与用户连接成一个有机的整体，构建虚实融合、知识驱动、动态优化、安全高效、绿色低碳的智能制造系统引领着大型零件粉末涂装朝着智能化、高效、高质、低耗、节能、减少乃至消除环境污染、提高车间有效利用率等方向发展。

3.1 高自动化

大型零件粉末涂装线已具有较高的自动化程度。目前仍有两方面仍有提升空间，其一，研究灵活的多轴喷粉执行器和智能粉末厚度识别系统，替代人工完成补粉喷涂工作；其二，研究与上下件专机接驳的自动转运系统，替代人工完成大型工件的接序和转序。上述工作对安全生产、职业健康有重大意义，同时可提高生产效率和生产稳定性[15-16]。

3.2 高智能化

产品智能化是当今工业发展的趋势，目前国内在控制策略、智能识别、状态检测、大数据分析等方面的工作已促进装备向智能化方向迈进。实现全设备的状态监控，建立完善的数据分析系统，实现故障诊断和养护提醒；在线体数据库基础上建立横向连接，与涂装线上下游设备间互通互连，实现工厂生产全过程智能化管理，提升生产柔性和容错率，是未来发展的必然趋势[17-19]。

3.3 节能环保

涂装过程中会产生废气、废水以及固体废物。因此，涂装工艺的选择不仅要满足涂层功能、质量的要求，必须满足环保要求。涂装生产的最终排放不仅取决于工艺，还取决于涂装废水和废气的治理。随着国家环保法规的日益严格，要求涂装行业从工艺到设备都必须有较大提升，因此有效减少VOC 排放，进一步提高能源的利用效率、回收质量和回收效率等节能减排措施是未来涂装的必然趋势[20-22]。

3.4 高端化涂装线

大型工程零件由于其体积大、质量高、结构复杂，为达到基本工艺需求，保证喷涂质量，保证生产节拍对于线体设计水准、制作水准要求均较高，需要满足使用厂家集约用地、柔性生产、智能化等方面的诸多要求，因此更高效的喷淋、加热、强冷、喷粉等工艺方 法和设备模块，同时兼顾投入产出比，是未来涂装发展的必然趋势。

4 结语

涂装技术水平的提高极大地提高了各机械行业的技术发展，随着大型零件粉末喷涂需求的不断增加，在生产实践中，还需要不断在高端化、自动化、智能化、绿色化等方面进行技术创新，在优化涂装材料和涂装工艺的基础上，突破大型复杂零件高端涂装生产工艺中的技术关键，提高大型零件粉末涂装水平，以满足时代的发展需求，提供强劲的动力促进我国涂装工业的发展。