汽車涂裝面臨的新挑戰(zhàn)及發(fā)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(shù)等多而復雜，自動化程度和控制標準高，涂裝生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)問題，排查、消除也相對困難，對生產(chǎn)系統(tǒng)造成的影響較大。通常，涂裝工廠建設投入大，周期長，投產(chǎn)后運營管理比其它三大工藝難度更大，但生產(chǎn)柔性相對比較好。在車型尺寸、質(zhì)量、涂裝面積、涂層標準差異不大時，涂裝的質(zhì)量、成本、效率基本不受生產(chǎn)柔性影響。如果車型尺寸、質(zhì)量、涂裝面積和涂層標準差異大，要實現(xiàn)柔性涂裝，需承受成本、效率甚至質(zhì)量方面損失?？梢姡趥鹘y(tǒng)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(chǎn)方面具有一定優(yōu)勢，但在某些必要前提出現(xiàn)大的變化時，質(zhì)量效率很難保證。全球范圍新一輪工業(yè)革命的興起，正促使汽車制造從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、使用到服務全生命周期的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和商業(yè)模式變革，汽車涂裝面臨諸多新挑戰(zhàn)，如何應對新挑戰(zhàn)，適應新的需求，將成為發(fā)展的重中之重。

2 車涂裝面臨的新挑戰(zhàn)

在能源、互聯(lián)、智能三大革命的驅(qū)動下，汽車產(chǎn)業(yè)迎來全面深刻的巨變，汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向“綠色低碳、智能網(wǎng)聯(lián)”轉(zhuǎn)型，汽車產(chǎn)業(yè)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(gòu)成的新挑戰(zhàn)突出體現(xiàn)在以下3個方面。

2.1產(chǎn)品材料多樣化、結(jié)構(gòu)復雜化和開發(fā)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(zhì)量、節(jié)約能源、節(jié)省使用成本已經(jīng)成為全球性的可持續(xù)發(fā)展要求，相關法規(guī)日趨完善和苛刻。無論是提高傳統(tǒng)汽車的燃油經(jīng)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(zhì)量[2]。為滿足用戶不斷提高的新需求，多品種短開發(fā)周期已經(jīng)成為主流車企的戰(zhàn)略選擇。

汽車輕量化最主要的技術(shù)路線是采用輕質(zhì)材料和優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，全鋁車身、碳纖維車身技術(shù)已經(jīng)成熟，也有商業(yè)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(yè)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(jié)能與新能源汽車技術(shù)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(jié)構(gòu)，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(zhì)量高效率的柔性生產(chǎn)要求。產(chǎn)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(chǎn)）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(xiàn)在縮短至24個月，一般生產(chǎn)準備（模具/工裝研制、工藝驗證、工廠建設及試生產(chǎn)）周期約24個月，現(xiàn)在縮短至15個月?？s短涂裝工藝驗證、涂裝線建設（技術(shù)改造）周期，必須提高涂裝在產(chǎn)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(chǎn)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(shù)增長已成常態(tài)，出現(xiàn)產(chǎn)能過剩，全行業(yè)進入發(fā)展的轉(zhuǎn)型調(diào)整期，以往按預測計劃生產(chǎn)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(chǎn)，即時交付，是生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型的新模式。汽車涂裝生產(chǎn)方式要轉(zhuǎn)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(huán)境友好及高質(zhì)量發(fā)展要求

節(jié)能環(huán)保、持續(xù)減少涂裝的資源占用和消耗，提高質(zhì)量和效率，降低成本，一直是涂裝技術(shù)進步的驅(qū)動力，節(jié)能環(huán)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(guī)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(xiàn)碳中和”，產(chǎn)品生命周期管理對汽車的設計、生產(chǎn)、使用、報廢回收各階段進行評估，相關法規(guī)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(jié)能環(huán)保和提高資源效率的難度，這都構(gòu)成對汽車涂裝的嚴峻挑戰(zhàn)。就目前我國汽車涂裝發(fā)展的水平而言，這方面暫無成熟的經(jīng)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(zhàn)的必由之路

基于信息物理系統(tǒng)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(yè)競爭的戰(zhàn)略制高點，國家制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略（中國制造2025）的核心就是實施智能制造，其中節(jié)能與新能源汽車是重點發(fā)展的十大領域之一，中國汽車工程學會制定發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。智能制造模式為我國汽車制造業(yè)突破增長瓶頸，實現(xiàn)設計、制造和服務一體化，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，提供了重要途徑”。顯然，上述諸多挑戰(zhàn)是在追求質(zhì)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(chuàng)造條件，成為汽車涂裝應對新挑戰(zhàn)和高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。

3.1 基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)是應對挑戰(zhàn)的必然選擇

智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合，貫穿于設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產(chǎn)方式。其特征體現(xiàn)為以智能工廠為載體，以關鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以網(wǎng)絡互聯(lián)為支撐，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎，實施智能制造，將進一步提升質(zhì)量效益，助推制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[1]?？傮w來看，智能制造就是構(gòu)建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physi?cal）空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)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(xiàn)資源優(yōu)化[3]。

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

工業(yè)4.0的發(fā)起者西門子在市場上提出“數(shù)字孿生（DigitalTwins）”概念，及基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實企業(yè)，包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“設備數(shù)字孿生”，三個層面又高度集成為一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價值鏈，為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實現(xiàn)“工業(yè)4.0”構(gòu)筑了一條自下而上的切實之路，見圖2?；跀?shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)如圖3所示[4]。

顯然，基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)可以同時滿足保障涂裝質(zhì)量、提高涂裝生產(chǎn)效率、縮短新產(chǎn)品生產(chǎn)準備時間和增加涂裝生產(chǎn)靈活性的需求，為全面實現(xiàn)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(zhì)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(yè)快速發(fā)展，汽車行業(yè)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(jīng)投入使用。盡管起步實施成效還沒有廣泛顯現(xiàn)，但基于數(shù)字孿生的智能涂裝技術(shù)可以為應對（品種多樣化/復雜化、生產(chǎn)隨機排序、流程短時化、更高的質(zhì)量效率等）挑戰(zhàn)提供完美的解決方案，已經(jīng)具備推廣實施的條件。

產(chǎn)品數(shù)字孿生同生產(chǎn)設備、生產(chǎn)過程等數(shù)字孿生高度集成，可實現(xiàn)工藝過程定義、虛擬涂裝評估（人機/機器人仿真、生產(chǎn)過程仿真等）、關鍵指標監(jiān)控和過程能力評估、設備運行優(yōu)化、可預測性維護/維修/保養(yǎng)。在產(chǎn)品設計階段，同步開展基于模型的虛擬驗證（三維動態(tài)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(guī)劃（產(chǎn)品數(shù)據(jù)瀏覽、工藝結(jié)構(gòu)建立、工序模型建立、工序內(nèi)容建立、工序卡片生成、數(shù)控編程、工廠規(guī)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(gòu)建，進行虛擬調(diào)試等；批產(chǎn)運營時，基于模型的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)（高級排產(chǎn)、執(zhí)行管理、質(zhì)量管理、設備數(shù)據(jù)采集）和基于模型的涂裝質(zhì)量檢測（關鍵參數(shù)及質(zhì)量檢測編程、檢測執(zhí)行、檢測數(shù)據(jù)輸出應用、檢測報告生成、檢測數(shù)據(jù)集成關聯(lián)）等在提高質(zhì)量和效率、降低成本方面持續(xù)發(fā)揮改善提升的作用。

目前，高度集成的統(tǒng)一“數(shù)字孿生”模型，可通過數(shù)字化整合縱向橫向價值鏈，實現(xiàn)從產(chǎn)品設計、工廠生產(chǎn)到產(chǎn)品實際使用等過程的分析反饋和持續(xù)改善閉環(huán)。

4 實施涂裝智能化的必要基礎前提

涂裝智能化技術(shù)應用不同于我國過去幾十年的涂裝新技術(shù)推廣，對所有實施企業(yè)而言，都是開創(chuàng)性的，涉及技術(shù)、商業(yè)模式、組織體系創(chuàng)新，需要構(gòu)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(tǒng)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(shù)變革到組織制度變遷的演進，這一轉(zhuǎn)變是不斷持續(xù)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(shù)積累、充分的生產(chǎn)線柔性、關鍵的技術(shù)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(shù)積累標準化、在線化

汽車生產(chǎn)的社會化程度高，生產(chǎn)規(guī)模大，技術(shù)要求復雜，分工細，生產(chǎn)協(xié)作廣泛，必須在技術(shù)上保持高度的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)，以使生產(chǎn)正常進行；所以，標準化是汽車涂裝現(xiàn)代化生產(chǎn)的基礎，更是涂裝智能化的必要前提。雖然國家和行業(yè)的智能制造基礎標準體系可共享，但企業(yè)自身標準更重要。涉及涂裝技術(shù)、產(chǎn)品、裝備、工藝、材料、生產(chǎn)、質(zhì)量、采購、管理等各個方面，必須確?；鶞式y(tǒng)一，協(xié)調(diào)一致，體系運行規(guī)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(shù)和管理上，都要有標準（規(guī)范），用標準（規(guī)范），并持續(xù)改進提高。這方面，普遍存在表里不一現(xiàn)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(yè)實際。因此，實施涂裝智能化，必須確保相關標準（規(guī)范）數(shù)據(jù)庫健全，并處于實際應用不斷完善狀態(tài)，即涂裝的基礎技術(shù)積累標準化、在線化。確保標準實用且適時更新，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)準確可靠，這是智能系統(tǒng)內(nèi)嵌已有知識的前提。基礎技術(shù)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(xiàn)在，絕大多數(shù)涂裝線建成投產(chǎn)后，涂裝工藝和涂裝的產(chǎn)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(chǎn)線進行停產(chǎn)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(chǎn)能靈活性，才能較好地實施智能涂裝，滿足未來的發(fā)展要求。目前已經(jīng)有多種創(chuàng)新技術(shù)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(shù)路線詳見表2。通過新技術(shù)的應用和矩陣式的平面布置，實現(xiàn)涂裝車間的工藝柔性、作業(yè)柔性、機械化輸送柔性、產(chǎn)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(shù)突破及應用創(chuàng)新

汽車涂裝自動化程度高，涂裝智能化技術(shù)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(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎等工業(yè)基礎能力上，涂裝有較豐富的世界級技術(shù)資源可用，自主技術(shù)積累也躋身世界先進水平。但由于涂裝線工序多，控制參數(shù)多，參數(shù)間、工序間關聯(lián)度高，處理過程伴隨著化學反應，對涂裝質(zhì)量影響大，實施智能涂裝在技術(shù)上仍然存在瓶頸。

《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》提出的17項智能制造關鍵技術(shù)（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(shù)。盡管其中某些方面技術(shù)已經(jīng)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(tǒng)級（例如涂裝車間能源管控系統(tǒng)）應用。

由圖6智能制造系統(tǒng)架構(gòu)可見，涂裝智能化發(fā)展的終極目標是逐步形成智能涂裝生態(tài)，單元級或單一系統(tǒng)級智能只是發(fā)展的初級階段，冰山一角。現(xiàn)階段涂裝智能化技術(shù)應用在質(zhì)量、成本、效率提升方面有效果，但投入產(chǎn)出比方面的優(yōu)勢并不明顯，據(jù)筆者不完全的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分已建成投產(chǎn)的汽車智能化生產(chǎn)線，主要是智能裝備的應用，系統(tǒng)智能化應用尚處于起步或探索階段，表現(xiàn)在，要么是智能化新技術(shù)應用不多，要么是智能化應有的賦能還沒有實現(xiàn)。之所以如此，除4.1和4.2方面的缺失外，往往是技術(shù)應用的盲目性所致，造成智能技術(shù)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(lián)要素）新技術(shù)應用研究驗證至關重要，技術(shù)或裝備的提供方、相關方與最終用戶充分協(xié)同合作，聯(lián)合攻關是成功的必要前提。

5 結(jié)語

綜上所述，汽車產(chǎn)品開發(fā)趨于多樣化、復雜化和短周期，滿足用戶個性化、高質(zhì)量需求的定制生產(chǎn)方式將成為主流，汽車涂裝面臨諸多新挑戰(zhàn)；涂裝智能化是應對新挑戰(zhàn)的理想路徑，必將成為汽車涂裝的新一輪發(fā)展趨勢；盡管涂裝智能化已經(jīng)具備實施條件，但涂裝的基礎技術(shù)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(shù)突破及行業(yè)相關方協(xié)同的應用創(chuàng)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(tǒng)的集成、體系的重構(gòu)、模式的再造，是一個循序漸進的發(fā)展完善過程，只有起點，沒有終點。

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