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            工程機械之靜電粉末噴涂應用與發展
            2023年02月13日    閱讀量:     新聞來源:粉末涂料與涂裝  |  投稿


            0 引言


            廣義上凡土石方施工工程、路面建設與養護、流動式起重裝卸作業和各種建筑工程所需的綜合性機械化施工工程所必需的機械裝備均可稱之為工程機械。

            近年來,受國家政策導向、下游基建需求拉動、存量設備更新等因素驅動,工程機械行業龍頭2019年年度業績普遍超預期,三一重工歸母凈利潤為112.07億元,同比增長88.23%;2019年中聯重科歸母凈利潤為43.71億元,同比增長116.42%;2019年徐工機械歸母凈利潤為36.21億元,同比增長76.89%。尤其是2020年新冠疫情影響下工程機械旺季后移,3月份開始釋放旺季需求,單月挖掘機銷量更是創下歷史新高,實現超預期復蘇涂料在線coatingol.com。隨后4月份,三一重工、徐工機械等龍頭公司陸續發布提價通知,挖機、混凝土機、起重機等各機型供不應求,迎來漲價潮。

            中長期來看,基礎建設仍然蓬勃,中國的工業化和城鎮化尚未完成,仍處在一個加速發展的過程之中,加之鐵路、公路、機場、城市軌道交通、水利、地下管廊等基礎設施投資增加。另外“一帶一路”帶來的國際化機會,將為國內工程機械行業注入新動力。

            從行業發展趨勢看,有兩類工程機械細分產品值得關注:小型挖掘機和高空作業平臺。從日本等發達國家的發展經驗來看,小型挖掘機適用場景更廣,替代人工性更高,其未來市場滲透率可能進一步提升。高空作業平臺在中國仍處于導入期,其施工效率遠高于腳手架,隨著施工場景中維系占比的增加,高空作業平臺有望快速發展。

            下文就以挖掘機為例來詳細闡述。展望未來,預計2020年挖機需求中新增需求的仍會持續增長,而2020~2022年行業的主要驅動力依然為更替需求,預計2020~2022年國內挖機銷量有望達到22.97萬臺、23.49萬臺、24.20萬臺,同比增速分別為增長10%、2%、3%。


            1 粉末的發展


            1.1 靜電粉末噴涂的發展歷史

            出于簡單滿足外觀審美和低成本需求,工程機械制造商最初采用單層液體涂裝方式,但實際應用中,各地氣候千差萬別,工程機械需暴露于各種溫度和濕度環境中,光照強度和鹽度也各不相同。作為保護層,單層液體涂料無法兼具長期UV耐久性和耐腐性,于是為了將基材防護與外觀審美要求相結合,產生了多層涂料工藝。盡管多層液體涂料工藝提升了工程機械的環境適應性,但是涂層工藝復雜程度增加,效益降低,企業成本明顯上升,更嚴重的問題是,涂裝過程中VOCs成倍增加。在《“十三五”揮發性有機物污染防治工作方案》中,工程機械制造行業被列為重點整治對象之一,其改造目標和路徑非常明確:推廣使用粉末等高固體分涂料;積極采用機器人噴涂、靜電噴涂等先進涂裝技術;有機廢氣收集率不低于80%;在2020年底前,全國1300家工程機械制造企業完成低揮發性涂料替代,低VOCs排放涂裝工藝改造及末端治理工程建設。


            1.2 粉末的優異性能

            為了響應國家政策號召及滿足市場對涂層性能的需求,粉末涂裝技術在這樣的大環境下快速發展,使得粉末噴涂在各個方面的表現均能優于油漆噴涂。

            (1)粉末完好的邊角覆蓋:經過對不同工藝噴涂的工件外觀進行檢測對比,我們發現,在膜厚和光澤度方面,粉末具備明顯優勢。

            表1 粉末與其他涂料膜厚和光澤度對比


            粉末

            水性漆

            油性漆

            膜厚(均值)

            114

            84

            73

            光澤度(均值)

            93

            87

            90

            (2)粉末杰出的防腐性和耐候性:基于復雜苛刻的作業環境,防腐性和耐候性對工程機械涂層至關重要:

            表2 各類粉末鹽霧、耐光、耐候性試驗值

            樹脂體系

            產品特色

            鹽霧試驗

            耐光和耐候性試驗


            聚酯

            單涂層

            500~1000Hrs

            500~2000Hrs

            超耐候

            1000~1500Hrs

            2000Hrs

            包邊性能兩涂一烤

            1000~1500Hrs

            1000~2000Hrs

            環氧

            出色的防腐性能

            500~1000Hrs


            聚氨酯

            優異的防腐性能,耐候性能

            1000Hrs

            1000Hrs

            有機硅

            高溫性能穩定

            優異的外觀效果

            耐溫300~700℃

            1000Hrs

            1000Hrs

            (3)對三種涂料進行了對比,粉末涂料更環保

            表3 粉末與各類涂料環保性對比


            傳統溶劑型涂料

            水基涂料

            粉末涂料

            職業健康衛生

            毒性大

            毒性小

            基本沒有毒性

            溶劑

            >40%(苯、甲苯、二甲苯)劇毒

            10%(水)

            0

            VOC廢氣

            100(超過清潔生產35要求)

            <30

            0

            噴漆廢水廢渣

            次品率%

            10

            10

            1


            1.2 靜電粉末噴涂工藝技術的更新發展

            工程機械行業對零部件的邊角、孔洞、焊縫部位耐腐蝕性要求較高,因此粉末涂裝工藝最初在該領域應用較少。但是工程機械液壓鋼管的粉末涂裝是一個特例,鋼管是圓柱狀體,邊角孔洞縫部位少,應用也較為成功。對于工程機械這類耐腐蝕要求較高的產品,別說要求較高的零部件A級面的涂裝,就連要求較低的零部件的B、C級面的涂裝,在邊角孔洞縫的耐腐蝕性都不能達到腐蝕防護要求,實際使用時存在很大的問題。

            現有的一般粉末涂料噴涂時,涂覆到工件外邊角表面的粉末顆粒不會少,但由于粉末涂料的熔融黏度太低或者熔融流動性太大,固化后常常造成邊角部位的粉末涂層較??;工件內邊角會因為法拉第屏蔽效應導致粉末很難覆蓋這些位置。

            在一定條件下,涂料的邊角覆蓋率和流平性是相互矛盾的。對于大面積涂層的裝飾性,要求涂料具有良好的流平性,以獲得最佳光澤、平整度、豐滿度和鮮映性等;但對于邊角特殊的部位,涂料的流平性就造成了邊角的覆蓋不良。反之,要想減少邊角覆蓋不良的缺點,必須提高粉末涂料固化時的黏度,減弱固化前的流動性;但這種情況對于大面積涂層需要的流平性又有很大的影響。

            為了解決現有一般粉末涂裝產生的邊角孔洞縫的腐蝕問題,一種新的“兩涂一烤(2C1B)”粉末系統誕生。將新研制的粉末涂料分為2種類型,一種是底粉,在邊角孔洞縫部位附著力好且有優良的耐腐蝕性,烘烤流平時能夠保證足夠的厚度,另一種是面粉,有優良的流平性和裝飾性,適合于工件的大面積涂裝涂層,并與底粉有很好的配套性。兩層特殊配方的粉末涂層涂覆于零部件上,然后進行一次固化過程,這不需要在涂覆面層前進行底層固化,使涂裝過程節省大量能源、操作成本和時間。

            粉末兩涂一烤工藝流程:底粉噴涂,面粉噴涂,面粉固化。為提高涂層固化速度,加快生產節拍,使用天然氣觸媒紅外輻射加熱(220 ℃),即可固化并達到粉末涂層的外觀要求,同時節能40%左右。對于復雜的工件(結構復雜或厚度差別較大),后續還需要進行熱風循環固化,才能達到最佳效果。


            2 噴粉設備的基本要求及其新技術的發展


            噴粉區域的設備主要包含以下部分:粉房、大旋風、后過濾、往復機、噴槍、控制系統等,為達到最佳的噴涂效果,每套設備都有相應的標準及要求。

            2.1 粉房是靜電粉末涂裝的重要施工場所,需要滿足以下要求:

            1、 粉房設計需維持內部平穩的空氣流動,保證較佳的噴涂環境;

            2、 粉房材質選用PVC材質(阻燃材質,符合國標要求),高電阻,不易積粉,便于換色;

            3、 根據粉房開口選擇合適的抽風量,保證粉房微負壓,開口處風速控制在0.7m/s~0.8m/s;

            4、 粉房內的粉末濃度應其低于粉末爆炸下限的50%;

            5、 噴涂區域要有足夠的光線,照度大于800lux,便于檢查和手補。

            2.1.1 粉房抽風量的計算公式如下:

            ??= ?? ??????3600

            ?? = 粉房抽風量 [m3/h]

            ?? = 粉房總開口面積 [m2]

            ?? = Σ ????

            Σ ?? = 每個單獨開口的總和

            • ?  工件進出粉房開口

            • ?  槍槽開口

            • ?  粉房手補位開口

            • ?  傳輸鏈開口

            ???? = 所有開口的風速 [m/s]

            2.1.2 粉末濃度計算:

            工程機械之靜電粉末噴涂應用與發展 涂料在線,coatingol.com

            ?? = 粉末濃度 [g/m3]

            ?? = 使用槍的總數 [-]

            ?????????? = 每把槍最大出粉量 [200g/min]

            ?? = 粉房抽風量 [m3/h]

            2.2 大旋風是隨著市場對快速換色需求日益提高應運而生,而后經過大量的實踐應用發現大旋風系統除了可以實現快速換色,還可以提高噴涂品質。以挖掘機為例,其底粉的顏色種類較少,換色需求不大,但是通過大旋風系統可以篩選分離出較難帶電的超細粉末顆粒,確?;厥辗壅w的帶電性,提高噴涂效率及品質。

            2.3 噴槍及控制器是否能滿足對噴涂品質的控制,需要符合以下技術要求:

            1、  較高的上粉率,較高的噴涂效率;

            2、  柔和穩定的出粉量,膜厚均勻,可以節約粉末使用成本;

            3、  現在市場上噴槍大部分可以達到100kV高壓,而以后對更高電壓的應用需求也會越來越多,例如一些進口品牌的噴槍使用更高性能的高壓塊可以達到110kV高壓,更好的提高了上粉率;

            4、  噴槍需要堅固耐用,且能勝任在任何地點,使用任何粉末,用于噴涂任何工件,降低因噴槍種類過多引起的額外費用。

            2.4 在歐洲工程機械市場上,密相閥輸送技術(又稱為智能直排技術)的應用非常廣泛,市場使用率達90%以上。相較于傳統文丘里發射器,它能保證恒定的粉末輸出曲線,細膩均勻的粉末輸送分配,膜厚保持均勻穩定;在不停開關時候也可以保持大且恒定輸出;卓越的粉末節省表現,最高可達15%,而且對粉管長度沒有限制;維護周期較長,維護保養綜合成本較低。

            2.5 近年來,供粉中心配合大旋風系統實現了快速換色需求,現今各類產品主流技術都在往模塊化、集成化、輕量化方向發展。因此一種新的All-in-One供粉中心技術誕生,將供粉中心與噴槍控制器集成一體,結構更緊湊,取消了文丘里發射器和控制器之間的紅黑氣管,保證恒定壓力且更高的觸發精度和準確度,更快的觸發響應速度。相較于傳統供粉中心敞開式的流化粉箱結構,且需要人工倒粉,這樣粉末會存在較高被污染的風險,而且現場環境對工人極為不友好,新供粉中心則將這些環節均設計成相對封閉的,杜絕了粉末污染,提高了環境友好度。另外傳統供粉中心會單獨配一套抽風,而新供粉中心則利用粉房系統后過濾的抽風量,可以為工廠節省2.2Kw的能耗。

            2.6 工業4.0的快速發展,使得串聯所有設備需要更強大的PLC控制系統,除了對噴槍、往復機、粉房系統等設備的傳統功能性控制外,為對接工業4.0、遠程訪問支持、數據管理、在線查看系統和操作數據(包括每天/月/年的換色時間,噴涂作業時間,粉末消耗量及易損件情況,預防性維修計劃等)。

            2.7 機器人代替人工是智能工廠必不可少的一部分,但是隨著產品種類多元化,零部件種類呈幾何倍數增長,機器人編程的工作量急劇上升,對企業控制成本極為不利。動態輪廓掃描技術的應用,其目的是為了對已知物體的補充識別,配合機器人完成高效的自動化。

            ?   自動檢測物體的前后輪廓

            ?   自動調整每一個軸向

            ?   沒有轉換時間,無需編程

            ?   在傳統的高度/寬度檢測和輪廓檢測之間自由轉換


            3 挖掘機靜電粉末噴涂實際應用分析

            挖掘機零部件粉末噴涂分為三大類,部分制造廠商僅要求底粉無需全覆蓋,僅需覆蓋邊角處,而面粉則需達到全覆蓋且有膜厚要求。

            工程機械之靜電粉末噴涂應用與發展 涂料在線,coatingol.com工程機械之靜電粉末噴涂應用與發展 涂料在線,coatingol.com工程機械之靜電粉末噴涂應用與發展 涂料在線,coatingol.com工程機械之靜電粉末噴涂應用與發展 涂料在線,coatingol.com(1)動臂、斗桿件的吊掛方式均為兩件組成一掛,噴涂的難點是兩個工件之間的上下面。因懸掛鏈高度是固定的,故可以布置一把固定頂槍用于噴涂工件頂面。又因動臂外輪廓的特殊彎角,需要用機器人對上層工件底面及下層工件的頂底面,根據實際驗證證明可以通過以上方式實現95%的自動化水平。

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            (2)底盤和車架件:其噴涂難點是有大量腔體和凹槽,可使用機器人先對死角位、腔體部分定點噴涂,然后通過往復機進行大面覆蓋,根據實際驗證證明可以通過以上方式實現90%的自動化水平。

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            (3)油箱件結構相對簡單:通過布置固定頂槍和可以上下調節位置的底槍,再配合往復機大面覆蓋,,根據實際驗證證明可以通過以上方式實現100%的自動化水平。

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            4 靜電粉末噴涂在防火防爆方面的要求

            近兩年隨著國家對企業安全生產監管工作日益嚴格,安監局針對靜電粉末噴涂區域設備也提出了許多要求:

            1、粉房區域的探火及管道的滅火,進口品牌設備商一直將其作為標配,且符合歐洲ATEX認證;

            2、安監局要求設備與設備之間需要有隔爆裝置,除塵器上需要配備抑爆裝置或者泄爆裝置;

            3、美資性質企業則需以上兩項基礎上,額外符合FM標準的要求。


            5 結語


            隨著國內外工程機械市場的蓬勃發展,產品的種類更加的多樣化,對表面涂裝的要求日益嚴格。這對靜電粉末噴涂領域的伙伴們增添了大量的挑戰,然而在這么多艱巨的挑戰之中卻給我們新技術的發展帶來了更廣闊的的應用空間!



            來源:粉末涂料與涂裝 / 編制人:吉順林(金馬涂裝(上海)有限公司)



            標簽:工業涂料,今日頭條,涂裝應用,技術中心,粉末涂料,汽車漆,防火涂料
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