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(fù)雜，自動(dòng)化程度和控制標(biāo)準(zhǔn)高，涂裝生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)問題，排查、消除也相對(duì)困難，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成的影響較大。通常，涂裝工廠建設(shè)投入大，周期長(zhǎng)，投產(chǎn)后運(yùn)營(yíng)管理比其它三大工藝難度更大，但生產(chǎn)柔性相對(duì)比較好。在車型尺寸、質(zhì)量、涂裝面積、涂層標(biāo)準(zhǔn)差異不大時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)差異大，要實(shí)現(xiàn)柔性涂裝，需承受成本、效率甚至質(zhì)量方面損失?？梢?，在傳統(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(shì)，但在某些必要前提出現(xiàn)大的變化時(shí)，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(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用到服務(wù)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(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)，適應(yīng)新的需求，將成為發(fā)展的重中之重。

2  汽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(dòng)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(jià)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(guān)。對(duì)涂裝構(gòu)成的新挑戰(zhàn)突出體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

2.1產(chǎn)品材料多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和開發(fā)的短周期趨勢(shì)

汽車作為交通運(yùn)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(guān)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(jì)性，還是普及電動(dòng)汽車，面臨的一個(gè)共同課題就是必須進(jìn)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(yīng)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(guó)，可接受的成本不會(huì)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(diǎn)關(guān)注了“多目標(biāo)設(shè)計(jì)+多材料混合應(yīng)用”[1]。車身采用多種材料和（局部加強(qiáng)的）復(fù)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(huì)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(tái)化設(shè)計(jì)是一種先進(jìn)理念，被廣泛采用，車身涂裝的模塊化、零部件化比重會(huì)越來越大，涂裝的管理也會(huì)越來越復(fù)雜。

新車誕生周期（從項(xiàng)目啟動(dòng)到批量投產(chǎn)）是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)志。以往一般換代新車誕生周期是36個(gè)月左右，現(xiàn)在縮短至24個(gè)月，一般生產(chǎn)準(zhǔn)備（模具/工裝研制、工藝驗(yàn)證、工廠建設(shè)及試生產(chǎn)）周期約24個(gè)月，現(xiàn)在縮短至15個(gè)月?？s短涂裝工藝驗(yàn)證、涂裝線建設(shè)（技術(shù)改造）周期，必須提高涂裝在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的工藝驗(yàn)證水平，即同步化驗(yàn)證。否則，不僅不能縮短涂裝的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，還可能因?yàn)榍捌隍?yàn)證不充分，造成反復(fù)而拖期。

2.2 用戶需求的個(gè)性化和訂單的即時(shí)交付趨勢(shì)

我國(guó)汽車市場(chǎng)的個(gè)位數(shù)增長(zhǎng)已成常態(tài)，出現(xiàn)產(chǎn)能過剩，全行業(yè)進(jìn)入發(fā)展的轉(zhuǎn)型調(diào)整期，以往按預(yù)測(cè)計(jì)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(gè)性化定制，按訂單順序生產(chǎn)，即時(shí)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(yīng)（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(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力，節(jié)能環(huán)保和資源效率水平是汽車涂裝先進(jìn)性的重要標(biāo)志。我國(guó)“十四五規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要”中明確，“要制定2030年前碳排放達(dá)峰行動(dòng)方案，錨定努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，產(chǎn)品生命周期管理對(duì)汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、報(bào)廢回收各階段進(jìn)行評(píng)估，相關(guān)法規(guī)將更加完善，限值標(biāo)準(zhǔn)會(huì)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(duì)汽車涂裝的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。就目前我國(guó)汽車涂裝發(fā)展的水平而言，這方面暫無成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，面臨的是全球共性課題。

3  涂裝智能化是應(yīng)對(duì)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(lǐng)制造方式變革，智能制造已成為全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，國(guó)家制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略（中國(guó)制造2025）的核心就是實(shí)施智能制造，其中節(jié)能與新能源汽車是重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)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(dòng)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(guó)汽車制造業(yè)突破增長(zhǎng)瓶頸，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)一體化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，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(gè)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(yīng)對(duì)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(yīng)對(duì)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(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)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(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，實(shí)施智能制造，將進(jìn)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(dòng)流動(dòng)的狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化[3]。

以上表述可能比較費(fèi)解，其本質(zhì)是在制造系統(tǒng)中，應(yīng)用人造的（類比于人腦的認(rèn)知和行為能力的）智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)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(chǎng)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(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)，包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“設(shè)備數(shù)字孿生”，三個(gè)層面又高度集成為一個(gè)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(jià)值鏈，為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”構(gòu)筑了一條自下而上的切實(shí)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(shí)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(zhǔn)備時(shí)間和增加涂裝生產(chǎn)靈活性的需求，為全面實(shí)現(xiàn)汽車涂裝的同步工程、涂裝工廠建設(shè)/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(shí)施

2015年開始，智能制造啟動(dòng)實(shí)施以來，在各個(gè)行業(yè)快速發(fā)展，汽車行業(yè)從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用各個(gè)層面，都有項(xiàng)目在實(shí)施，有的示范項(xiàng)目（包括汽車涂裝工廠）已經(jīng)投入使用。盡管起步實(shí)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(yīng)對(duì)（品種多樣化/復(fù)雜化、生產(chǎn)隨機(jī)排序、流程短時(shí)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(shí)施的條件。

產(chǎn)品數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等數(shù)字孿生高度集成，可實(shí)現(xiàn)工藝過程定義、虛擬涂裝評(píng)估（人機(jī)/機(jī)器人仿真、生產(chǎn)過程仿真等）、關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控和過程能力評(píng)估、設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、可預(yù)測(cè)性維護(hù)/維修/保養(yǎng)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，同步開展基于模型的虛擬驗(yàn)證（三維動(dòng)態(tài)涂裝工藝仿真、人機(jī)工程仿真、機(jī)械化輸送仿真等）；進(jìn)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(shè)計(jì)等）；與工廠設(shè)計(jì)同步開展基于模型的涂裝車間/工廠構(gòu)建，進(jìn)行虛擬調(diào)試等；批產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)，基于模型的閉環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)（高級(jí)排產(chǎn)、執(zhí)行管理、質(zhì)量管理、設(shè)備數(shù)據(jù)采集）和基于模型的涂裝質(zhì)量檢測(cè)（關(guān)鍵參數(shù)及質(zhì)量檢測(cè)編程、檢測(cè)執(zhí)行、檢測(cè)數(shù)據(jù)輸出應(yīng)用、檢測(cè)報(bào)告生成、檢測(cè)數(shù)據(jù)集成關(guān)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(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工廠生產(chǎn)到產(chǎn)品實(shí)際使用等過程的分析反饋和持續(xù)改善閉環(huán)。

4  實(shí)施涂裝智能化的必要基礎(chǔ)前提

涂裝智能化技術(shù)應(yīng)用不同于我國(guó)過去幾十年的涂裝新技術(shù)推廣，對(duì)所有實(shí)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(yīng)的制度和管理新模式，是一個(gè)涉及多領(lǐng)域的極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是一個(gè)從局部到整體的拓展、從點(diǎn)線到面的延伸、從技術(shù)變革到組織制度變遷的演進(jìn)，這一轉(zhuǎn)變是不斷持續(xù)演進(jìn)的過程[3]，可以說是只有起點(diǎn)，沒有終點(diǎn)，要確保涂裝智能化的成功實(shí)施，良好的基礎(chǔ)技術(shù)積累、充分的生產(chǎn)線柔性、關(guān)鍵的技術(shù)突破是前提，否則，即使應(yīng)用了智能裝備，也很難達(dá)到預(yù)期效果。

4.1 涂裝的基礎(chǔ)技術(shù)積累標(biāo)準(zhǔn)化、在線化

汽車生產(chǎn)的社會(huì)化程度高，生產(chǎn)規(guī)模大，技術(shù)要求復(fù)雜，分工細(xì)，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(jìn)行；所以，標(biāo)準(zhǔn)化是汽車涂裝現(xiàn)代化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，更是涂裝智能化的必要前提。雖然國(guó)家和行業(yè)的智能制造基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系可共享，但企業(yè)自身標(biāo)準(zhǔn)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(gè)方面，必須確?；鶞?zhǔn)統(tǒng)一，協(xié)調(diào)一致，體系運(yùn)行規(guī)范、有效，汽車涂裝的基礎(chǔ)知識(shí)及標(biāo)準(zhǔn)類別詳見表1。

涂裝的所有相關(guān)方面和所有活動(dòng)，在技術(shù)和管理上，都要有標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范），用標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范），并持續(xù)改進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)缺乏最佳實(shí)踐基礎(chǔ)或充分的驗(yàn)證，不切合本企業(yè)實(shí)際。因此，實(shí)施涂裝智能化，必須確保相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）數(shù)據(jù)庫健全，并處于實(shí)際應(yīng)用不斷完善狀態(tài)，即涂裝的基礎(chǔ)技術(shù)積累標(biāo)準(zhǔn)化、在線化。確保標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用且適時(shí)更新，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，這是智能系統(tǒng)內(nèi)嵌已有知識(shí)的前提?；A(chǔ)技術(shù)積累標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shí)，要在工藝和車型方面進(jìn)一步提高柔性，必須對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行停產(chǎn)改造，或者新建涂裝線，周期都比較長(zhǎng)。如前所述，涂裝線必須具有多工藝、多車型適應(yīng)性和產(chǎn)能靈活性，才能較好地實(shí)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(yīng)用或即將應(yīng)用，例如，適應(yīng)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(yīng)用和矩陣式的平面布置，實(shí)現(xiàn)涂裝車間的工藝柔性、作業(yè)柔性、機(jī)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(guān)鍵技術(shù)突破及應(yīng)用創(chuàng)新

汽車涂裝自動(dòng)化程度高，涂裝智能化技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)較好，在核心基礎(chǔ)零部件和元器件、先進(jìn)基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)等工業(yè)基礎(chǔ)能力上，涂裝有較豐富的世界級(jí)技術(shù)資源可用，自主技術(shù)積累也躋身世界先進(jìn)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(guān)聯(lián)度高，處理過程伴隨著化學(xué)反應(yīng)，對(duì)涂裝質(zhì)量影響大，實(shí)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(xiàng)智能制造關(guān)鍵技術(shù)（圖5）中，除智能機(jī)床外，其它幾乎全部涉及涂裝，且每項(xiàng)之中都包含若干相關(guān)技術(shù)。盡管其中某些方面技術(shù)已經(jīng)有應(yīng)用，也基本是設(shè)備功能單元級(jí)（例如前述的模塊化噴涂站）或某方面系統(tǒng)級(jí)（例如涂裝車間能源管控系統(tǒng)）應(yīng)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(biāo)是逐步形成智能涂裝生態(tài)，單元級(jí)或單一系統(tǒng)級(jí)智能只是發(fā)展的初級(jí)階段，冰山一角。現(xiàn)階段涂裝智能化技術(shù)應(yīng)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(shì)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(yīng)用，系統(tǒng)智能化應(yīng)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(yīng)用不多，要么是智能化應(yīng)有的賦能還沒有實(shí)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(yīng)用的盲目性所致，造成智能技術(shù)應(yīng)用的賦能不足或不切實(shí)際的功能浪費(fèi)，所以問題導(dǎo)向的全維度（實(shí)際應(yīng)用的所有關(guān)聯(lián)要素）新技術(shù)應(yīng)用研究驗(yàn)證至關(guān)重要，技術(shù)或裝備的提供方、相關(guān)方與最終用戶充分協(xié)同合作，聯(lián)合攻關(guān)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(fù)雜化和短周期，滿足用戶個(gè)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(yīng)對(duì)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(shì)；盡管涂裝智能化已經(jīng)具備實(shí)施條件，但涂裝的基礎(chǔ)技術(shù)積累標(biāo)準(zhǔn)化、在線化，涂裝車間/工廠工藝的柔性化，智能涂裝關(guān)鍵技術(shù)突破及行業(yè)相關(guān)方協(xié)同的應(yīng)用創(chuàng)新是成功的必要前提；基礎(chǔ)扎實(shí)，實(shí)施涂裝智能化會(huì)立竿見影，否則將欲速不達(dá)。智能涂裝不單純是設(shè)備改造，也不是簡(jiǎn)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(gè)循序漸進(jìn)的發(fā)展完善過程，只有起點(diǎn)，沒有終點(diǎn)。

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