汽車涂裝面臨的新挑戰及發展路徑

1  前言

汽車整車制造四大工藝中，涂裝的工序、工藝參數等多而復雜，自動化程度和控制標準高，涂裝生產過程中一旦出現問題，排查、消除也相對困難，對生產系統造成的影響較大。通常，涂裝工廠建設投入大，周期長，投產后運營管理比其它三大工藝難度更大，但生產柔性相對比較好。在車型尺寸、質量、涂裝面積、涂層標準差異不大時，涂裝的質量、成本、效率基本不受生產柔性影響。如果車型尺寸、質量、涂裝面積和涂層標準差異大，要實現柔性涂裝，需承受成本、效率甚至質量方面損失?？梢?，在傳統的整車制造四大工藝中，涂裝工藝十分重要，盡管在柔性生產方面具有一定優勢，但在某些必要前提出現大的變化時，質量效率很難保證。全球范圍新一輪工業革命的興起，正促使汽車制造從產品設計、生產、使用到服務全生命周期的產業結構和商業模式變革，汽車涂裝面臨諸多新挑戰，如何應對新挑戰，適應新的需求，將成為發展的重中之重。

2  汽車涂裝面臨的新挑戰

在能源、互聯、智能三大革命的驅動下，汽車產業迎來全面深刻的巨變，汽車產品結構向“綠色低碳、智能網聯”轉型，汽車產業價值鏈“總量上升、重心后移”[1]。其中“綠色低碳，重心后移”與制造過程的涂裝密切相關。對涂裝構成的新挑戰突出體現在以下3個方面。

2.1產品材料多樣化、結構復雜化和開發的短周期趨勢

汽車作為交通運輸和出行的重要工具，減輕質量、節約能源、節省使用成本已經成為全球性的可持續發展要求，相關法規日趨完善和苛刻。無論是提高傳統汽車的燃油經濟性，還是普及電動汽車，面臨的一個共同課題就是必須進一步減輕汽車質量[2]。為滿足用戶不斷提高的新需求，多品種短開發周期已經成為主流車企的戰略選擇。

汽車輕量化最主要的技術路線是采用輕質材料和優化零部件結構，全鋁車身、碳纖維車身技術已經成熟，也有商業化應用，但由于成本因素，并未普及。歐洲的研究表明，汽車工業可接受的輕量化成本為每減重1kg成本增加2～10歐元，在我國，可接受的成本不會高于歐洲。為此，《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中，重點關注了“多目標設計+多材料混合應用”[1]。車身采用多種材料和（局部加強的）復合結構，不同車型之間有差異的情況下，采用一種涂裝工藝會很困難甚至不可能滿足高質量高效率的柔性生產要求。產品模塊化、平臺化設計是一種先進理念，被廣泛采用，車身涂裝的模塊化、零部件化比重會越來越大，涂裝的管理也會越來越復雜。

新車誕生周期（從項目啟動到批量投產）是市場競爭力的重要標志。以往一般換代新車誕生周期是36個月左右，現在縮短至24個月，一般生產準備（模具/工裝研制、工藝驗證、工廠建設及試生產）周期約24個月，現在縮短至15個月?？s短涂裝工藝驗證、涂裝線建設（技術改造）周期，必須提高涂裝在產品設計階段的工藝驗證水平，即同步化驗證。否則，不僅不能縮短涂裝的生產準備周期，還可能因為前期驗證不充分，造成反復而拖期。

2.2 用戶需求的個性化和訂單的即時交付趨勢

我國汽車市場的個位數增長已成常態，出現產能過剩，全行業進入發展的轉型調整期，以往按預測計劃生產的方式，無論是車型品種還是交付周期都無法滿足用戶的需求。用戶個性化定制，按訂單順序生產，即時交付，是生產方式轉型的新模式。汽車涂裝生產方式要轉型，適應（不同車型、不同處理工藝、不同涂層體系、不同顏色、不同圖案等）按訂單順序、高效率涂裝的要求。

2.3 日趨迫切的環境友好及高質量發展要求

節能環保、持續減少涂裝的資源占用和消耗，提高質量和效率，降低成本，一直是涂裝技術進步的驅動力，節能環保和資源效率水平是汽車涂裝先進性的重要標志。我國“十四五規劃和2035年遠景目標綱要”中明確，“要制定2030年前碳排放達峰行動方案，錨定努力爭取2060年前實現碳中和”，產品生命周期管理對汽車的設計、生產、使用、報廢回收各階段進行評估，相關法規將更加完善，限值標準會不斷提高。另外，2.1和2.2中所述的因素都在增加涂裝節能環保和提高資源效率的難度，這都構成對汽車涂裝的嚴峻挑戰。就目前我國汽車涂裝發展的水平而言，這方面暫無成熟的經驗可供借鑒，面臨的是全球共性課題。

3  涂裝智能化是應對挑戰的必由之路

基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革，智能制造已成為全球制造業競爭的戰略制高點，國家制造業高質量發展戰略（中國制造2025）的核心就是實施智能制造，其中節能與新能源汽車是重點發展的十大領域之一，中國汽車工程學會制定發布的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》中提出，“在新一輪科技革命的推動下，智能制造已成為汽車制造產業發展的戰略方向。智能制造模式為我國汽車制造業突破增長瓶頸，實現設計、制造和服務一體化，實現產業升級，提供了重要途徑”。顯然，上述諸多挑戰是在追求質量、成本、效率這個永恒主題上，汽車涂裝的多樣性和不確定性在增加，涂裝智能化將為突破這些瓶頸創造條件，成為汽車涂裝應對新挑戰和高質量發展的必然選擇。

3.1 基于數字孿生的智能制造系統是應對挑戰的必然選擇

智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節，具有自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能的新型生產方式。其特征體現為以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以網絡互聯為支撐，以端到端數據流為基礎，實施智能制造，將進一步提升質量效益，助推制造業高質量發展[1]?？傮w來看，智能制造就是構建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physi?cal）空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化[3]。

以上表述可能比較費解，其本質是在制造系統中，應用人造的（類比于人腦的認知和行為能力的）智能系統，實現自感知、自學習、自決策、自執行、自適應等功能。智能系統的基本特征如圖1所示[5]。

工業4.0的發起者西門子在市場上提出“數字孿生（DigitalTwins）”概念，及基于模型的虛擬企業和基于自動化技術的現實企業，包括“產品數字孿生”“生產數字孿生”和“設備數字孿生”，三個層面又高度集成為一個統一的數據模型，并通過數字化助力企業整合橫向和縱向價值鏈，為工業生態系統重塑和實現“工業4.0”構筑了一條自下而上的切實之路，見圖2?；跀底謱\生的智能制造系統如圖3所示[4]。

顯然，基于數字孿生的智能制造系統可以同時滿足保障涂裝質量、提高涂裝生產效率、縮短新產品生產準備時間和增加涂裝生產靈活性的需求，為全面實現汽車涂裝的同步工程、涂裝工廠建設/改造及訂單交付的高質量、高效率、短周期鋪平了道路。

3.2 涂裝智能化已開始起步實施

2015年開始，智能制造啟動實施以來，在各個行業快速發展，汽車行業從基礎研究到工程應用各個層面，都有項目在實施，有的示范項目（包括汽車涂裝工廠）已經投入使用。盡管起步實施成效還沒有廣泛顯現，但基于數字孿生的智能涂裝技術可以為應對（品種多樣化/復雜化、生產隨機排序、流程短時化、更高的質量效率等）挑戰提供完美的解決方案，已經具備推廣實施的條件。

產品數字孿生同生產設備、生產過程等數字孿生高度集成，可實現工藝過程定義、虛擬涂裝評估（人機/機器人仿真、生產過程仿真等）、關鍵指標監控和過程能力評估、設備運行優化、可預測性維護/維修/保養。在產品設計階段，同步開展基于模型的虛擬驗證（三維動態涂裝工藝仿真、人機工程仿真、機械化輸送仿真等）；進行基于模型的涂裝工藝、涂裝車間/工廠規劃（產品數據瀏覽、工藝結構建立、工序模型建立、工序內容建立、工序卡片生成、數控編程、工廠規劃設計等）；與工廠設計同步開展基于模型的涂裝車間/工廠構建，進行虛擬調試等；批產運營時，基于模型的閉環執行系統（高級排產、執行管理、質量管理、設備數據采集）和基于模型的涂裝質量檢測（關鍵參數及質量檢測編程、檢測執行、檢測數據輸出應用、檢測報告生成、檢測數據集成關聯）等在提高質量和效率、降低成本方面持續發揮改善提升的作用。

目前，高度集成的統一“數字孿生”模型，可通過數字化整合縱向橫向價值鏈，實現從產品設計、工廠生產到產品實際使用等過程的分析反饋和持續改善閉環。

4  實施涂裝智能化的必要基礎前提

涂裝智能化技術應用不同于我國過去幾十年的涂裝新技術推廣，對所有實施企業而言，都是開創性的，涉及技術、商業模式、組織體系創新，需要構建相適應的制度和管理新模式，是一個涉及多領域的極其復雜的系統工程，是一個從局部到整體的拓展、從點線到面的延伸、從技術變革到組織制度變遷的演進，這一轉變是不斷持續演進的過程[3]，可以說是只有起點，沒有終點，要確保涂裝智能化的成功實施，良好的基礎技術積累、充分的生產線柔性、關鍵的技術突破是前提，否則，即使應用了智能裝備，也很難達到預期效果。

4.1 涂裝的基礎技術積累標準化、在線化

汽車生產的社會化程度高，生產規模大，技術要求復雜，分工細，生產協作廣泛，必須在技術上保持高度的統一和協調，以使生產正常進行；所以，標準化是汽車涂裝現代化生產的基礎，更是涂裝智能化的必要前提。雖然國家和行業的智能制造基礎標準體系可共享，但企業自身標準更重要。涉及涂裝技術、產品、裝備、工藝、材料、生產、質量、采購、管理等各個方面，必須確?；鶞式y一，協調一致，體系運行規范、有效，汽車涂裝的基礎知識及標準類別詳見表1。

涂裝的所有相關方面和所有活動，在技術和管理上，都要有標準（規范），用標準（規范），并持續改進提高。這方面，普遍存在表里不一現象，其根本原因是制定的標準缺乏最佳實踐基礎或充分的驗證，不切合本企業實際。因此，實施涂裝智能化，必須確保相關標準（規范）數據庫健全，并處于實際應用不斷完善狀態，即涂裝的基礎技術積累標準化、在線化。確保標準實用且適時更新，數據庫數據準確可靠，這是智能系統內嵌已有知識的前提?；A技術積累標準化、在線化程度，決定涂裝智能化的起步水平。

4.2 涂裝車間/工廠工藝的柔性化

現在，絕大多數涂裝線建成投產后，涂裝工藝和涂裝的產品基本固定（一般是通用工藝，4～6個車型），只在噴涂的顏色方面有較高的選擇柔性，在白車身底材種類相同的情況下，工藝可以滿足智能涂裝要求。若白車身底材種類不同，處理工藝不可通用時，要在工藝和車型方面進一步提高柔性，必須對生產線進行停產改造，或者新建涂裝線，周期都比較長。如前所述，涂裝線必須具有多工藝、多車型適應性和產能靈活性，才能較好地實施智能涂裝，滿足未來的發展要求。目前已經有多種創新技術可應用或即將應用，例如，適應多種材料車身的前處理材料和工藝、模塊化噴涂站、智能輸送AGV等，如圖4所示，可提高涂裝線柔性的技術路線詳見表2。通過新技術的應用和矩陣式的平面布置，實現涂裝車間的工藝柔性、作業柔性、機械化輸送柔性、產能柔性等，滿足智能涂裝的功能要求。

4.3 智能涂裝關鍵技術突破及應用創新

汽車涂裝自動化程度高，涂裝智能化技術基礎相對較好，在核心基礎零部件和元器件、先進基礎工藝、關鍵基礎材料、產業技術基礎等工業基礎能力上，涂裝有較豐富的世界級技術資源可用，自主技術積累也躋身世界先進水平。但由于涂裝線工序多，控制參數多，參數間、工序間關聯度高，處理過程伴隨著化學反應，對涂裝質量影響大，實施智能涂裝在技術上仍然存在瓶頸。

《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》提出的17項智能制造關鍵技術（圖5）中，除智能機床外，其它幾乎全部涉及涂裝，且每項之中都包含若干相關技術。盡管其中某些方面技術已經有應用，也基本是設備功能單元級（例如前述的模塊化噴涂站）或某方面系統級（例如涂裝車間能源管控系統）應用。

由圖6智能制造系統架構可見，涂裝智能化發展的終極目標是逐步形成智能涂裝生態，單元級或單一系統級智能只是發展的初級階段，冰山一角?，F階段涂裝智能化技術應用在質量、成本、效率提升方面有效果，但投入產出比方面的優勢并不明顯，據筆者不完全的調研發現，大部分已建成投產的汽車智能化生產線，主要是智能裝備的應用，系統智能化應用尚處于起步或探索階段，表現在，要么是智能化新技術應用不多，要么是智能化應有的賦能還沒有實現。之所以如此，除4.1和4.2方面的缺失外，往往是技術應用的盲目性所致，造成智能技術應用的賦能不足或不切實際的功能浪費，所以問題導向的全維度（實際應用的所有關聯要素）新技術應用研究驗證至關重要，技術或裝備的提供方、相關方與最終用戶充分協同合作，聯合攻關是成功的必要前提。

5  結語

綜上所述，汽車產品開發趨于多樣化、復雜化和短周期，滿足用戶個性化、高質量需求的定制生產方式將成為主流，汽車涂裝面臨諸多新挑戰；涂裝智能化是應對新挑戰的理想路徑，必將成為汽車涂裝的新一輪發展趨勢；盡管涂裝智能化已經具備實施條件，但涂裝的基礎技術積累標準化、在線化，涂裝車間/工廠工藝的柔性化，智能涂裝關鍵技術突破及行業相關方協同的應用創新是成功的必要前提；基礎扎實，實施涂裝智能化會立竿見影，否則將欲速不達。智能涂裝不單純是設備改造，也不是簡單的軟件堆疊，而是涂裝系統的集成、體系的重構、模式的再造，是一個循序漸進的發展完善過程，只有起點，沒有終點。

參考文獻：

[1]中國汽車工程學會.節能與新能源汽車技術路線圖2.0[M].2版.北京：機械工業出版社，2020[2]吳濤.汽車車身涂裝工藝發展趨勢前瞻[J].汽車工藝與材料，2015(10)：1-4.[3]中國信息物理系統發展論壇.信息物理系統白皮書[M].2017.[4]梁乃明,方志剛,李榮躍,等.數字孿生實戰[M].北京：機械工業出版社，2020.[5]胡虎,趙敏,寧振波,等.三體智能革命[M].北京：機械工業出版社，2016.