新型水性阻尼材料在汽车涂装中的应用

12月19日  周三

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                                                                            启飞设计


摘要


        为减轻汽车行驶过程中的振动噪音, 提高轿车的舒适性, 使轿车噪声值满足法规要求, 需在车身内部采用防声、防震、吸声材料。本文叙述了新型水性阻尼材料 (LASD) 的特点, 介绍了LASD的汽车涂装工艺和设备, 对LASD涂装应用的难点问题提供了预防及解决方法。


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一、LASD材料介绍

    阻尼减振降噪技术是有效控制汽车行驶过程中产生振动和噪声的方法之一, 在汽车上得到了广泛应用。汽车上应用阻尼减振材料的部件主要有:发动机罩、前围板、车门、车顶板、车底板、后备箱、轮毂等。水性阻尼材料是一种以高分子树脂聚合物为基本成膜物, 以水为分散介质, 辅以填料和助剂等制备的水性高分子减振降噪阻尼材料, 其在汽车涂装中的应用情况见图1。传统热熔型阻尼材料以沥青为主要基材并辅以无机填料, 制成的阻尼垫利用汽车涂装烘房烤漆工序使该材料熔融并粘贴在车身上, 传统汽车沥青阻尼片隔音降噪应用见图2。

图1 LASD的涂装应用

图2 传统沥青阻尼材料的涂装应用


    水性阻尼材料相比传统阻尼材料, 其一是质量轻, 可降低汽车油耗, 单车约可减质量1.5 kg (不同厂家减震降噪的要求不同, 单车减质量数据会有所不同) ;其二, 单条涂装生产线增加机器人喷涂设备的投资约1 800万元 (人民币, 下同) , 节省人工安装工时约0.3 min;其三, 水性阻尼材料价格较高, 较传统沥青阻尼材料单车材料成本约增加25元 (不同的涂装生产线需根据实际情况具体分析, 采用LASD增加材料及设备投资和维护费用也略有差异) 。

1.LASD的特性及主要成分

    LASD以聚合物乳液为基料并配以各种填料 (材料组成见表1) , 制成的阻尼涂层具有温域宽、阻尼因子值高、减振降噪、隔热隔音效果明显、力学性能好、阻燃性能优等特点。但LASD也存在缺点, 如易干结, 干结过程为不可逆过程, 干结后难清洗;应用过程中, 遇高压、高温、用量过少或接触空气、细菌、污染物等都将使其过早固化, 并导致涂层缺陷。

2.LASD的阻尼机理

    阻尼材料也称为振动衰减材料, 当高分子聚合物与振动物体接触时, 将一部分机械振动能转变为热能耗散掉, 从而使振动衰减下来, 控制振动和噪音。LASD涂层的阻尼性能与材料本身的结构密切相关, 其将机械能换转为热能的方式主要有3种:①高分子链之间的内摩擦;②高分子链与颜填料之间的摩擦;③颜填料与颜填料之间的摩擦。当产生振动时, 高分子材料内部链段之间的摩擦贡献阻尼性能, 颜填料与高分子链段间的摩擦及颜填料与颜填料间的摩擦均可提高材料的阻尼性能。LASD涂层的阻尼性能优于传统沥青阻尼材料, 以厚度为2~3 mm的LASD涂层取代传统沥青阻尼垫后, 通过仿真模拟分析, 轿车噪声值达到法规要求的78 d B以下。

表1 材料主要成分



二、LASD的施工条件及公用动力要求

    LASD主要采用机器人喷涂施工。虽然在低节拍生产线上存在手工喷涂水性阻尼材料的工艺, 但手工施工喷涂环境不好、操作不方便, 因此本研究主要探讨LASD的机器人喷涂工艺。LASD对涂装施工应用材料的要求及对工厂公用动力的要求分别如表2和表3所示。

表2 LASD材料要求



三、LASD的施工设备

    LASD施工采用的喷涂机器人与车身内涂胶密封机器人相同, 一般选择6轴机器人, 另加外部附加直线运动导轨 (也称第7轴) , 机器人的选择还需要考虑机器人的可达性以及其手部负质量能力。LASD喷涂机器人应用系统效果模拟见图3。

表3 LASD施工公用动力要求

图3 LASD机器人应用模拟


1.机器人系统主要结构

    机器人应用系统主要结构见图4。温控系统的有无取决于涂胶枪的类型。

2.机器人应用系统主要设备设计及维护管理要点

2.1泵系统的设计与选择

    泵系统设计需要根据所需的流量和压力来选择合适的压力比。泵需要安装防空打保护, 空打的泵会引入空气和过多的热量进入系统。泵需要有安装桶位检测功能, 保证桶在泵/压盘下的合适位置, 桶的空液位必须设置比桶底部高45~60 cm, 这样可以保证没有空气通过压盘进入系统, 并确保泵不会空打。泵站需要安装泄压系统/阀, 当系统不工作时, 可将压力释放。

图4 LASD机器人应用系统构成


2.2过滤器系统

    LASD机器人应用系统在计量泵之前需要设计安装过滤器, 宜使用流通型的过滤器, 采用30目的过滤单元。根据材料的用量、流量、过滤器尺寸和材料特性等制定过滤器更换流程 (至少3个月1次) , 每次更换时, 需检查压降 (可接受的压降由设备供应商制定) 。更换过滤器造成的气泡必须通过冲洗排出系统, 否则会造成材料在系统中干燥。

2.3管道输送系统

    管道输送系统设计需要考虑合适的管径和走向 (由喷涂材料的种类、用量、流量、压力和材料黏度决定) , 管路系统中不能有死角和盲端。管路系统可以使用碳钢, 但是接头配件必须使用不锈钢。机器人的软管必须使用较粗的软管, 尽量少用90°接头 (最好使用45°接头或直接) , 手工软管也须较粗、较短, 供胶软管的内径应较大, 以降低压损。

四、LASD涂装系统管理要点及常见问题解决方案

1.LASD输送供给系统使用前准备

    新安装的LASD输送系统使用前管路必须预先清洗和保护, 并进行泄露测试。管道输送系统须冲洗至没有杂质, 过滤单元要在系统冲洗完成后进行安装;所有的泵装入管道系统前也须先进行冲洗, 以清除油和杂质;泄压管路和阀门也必须冲洗, 以清除油、杂质和空气。整个系统冲洗后须泄压, 包括供胶、枪站、挤胶设备和机器人。

2.LASD的存储

    LASD在存储和使用过程中应避免材料提前固化。LASD必须密封保存, 避免与空气接触, 存储温度18~32℃, 存储环境、管路内、泵内温度均不能过高, 不可将其直接暴露在阳光直射、高温、高湿、雨雪冰冻等环境下。LASD在车间内存储时 (尤其在寒冬) , 材料结冻会造成不可逆转的负面影响。若LASD在喷涂系统内固化, 则物料难以清洗, 导致滤袋更换频次增加。LASD在物流运输过程中, 若环境条件恶劣, 则须用控温车运输。LASD料桶运达现场后, 应先在储料间或线旁存放2 d后使用, 以保证其与室温度一致。此外还应遵循物料先进先出的原则, 避免过多的存货量。

3.机器人仿型程序

    根据车身阻尼材料应用的产品定义要求及车身3D数模, 完成机器人离线仿型轨迹编程, 利用调试车进行上线试验验证, 优化出最佳的喷涂轨迹和参数, 消除胶雾、过喷、漏喷等质量缺陷。LASD喷涂机器人枪头喷涂应用见图5。

图5 LASD喷涂应用


    机器人涂胶轨迹应垂直于施工表面, 避免使用极端的推/拉角度。在喷涂平面时, 所有的应用角度须保持平滑和连续。对于曲面, 机器人旋转时, 将不可避免地改变轨迹运行速度, 但是机器人旋转应沿曲面延展。仿型轨迹程序应考虑机器人导引路径, 以便于在喷涂前预调压力, 喷涂同一区域时, 机器人程序应保持一致的枪距。枪头在急转前应先关枪, 重新定位机器人并开始喷涂相邻区域, 避免因机器人没有关枪而直接扫过曲线造成膜厚堆积。编程最好采用长喷涂轨迹, 避免采用较多的平行短仿形, 以达到精确的流量和耗量, 从而得到均匀的涂膜。此外, 仿型编程应充分考虑关枪后, 防止材料飞溅到车身外观表面 (外观面飞溅物颗粒需后续打磨工序进行返修处理;非外观面无需处理, 不影响涂装质量) , 避免给车身涂膜质量带来不良影响。

4.机器人喷涂LASD时的厚度控制

    LASD涂层在保证汽车舒适性的同时其厚度要适中, 若涂层过厚, 涂层与总装安装零件会相互干涉;而涂层过薄, 则抗噪阻尼性能不达标。通常, 传统性能汽车产品的定义膜厚为3 mm, 反转面和垂直面上的膜厚须保持2 mm。膜厚调试是所有调试的基础, 需要不断优化喷涂轨迹和参数。机器人在喷涂过程中, 须减少快速开枪状态, 避免在开关枪时点胶滴落造涂层厚薄不均。流量控制器要求控制精度误差在5%以内, 但流量控制器离喷枪距离较远, 需几百毫秒增压时间, 因此应采用恒定的流量以保证快速响应, 从而得到厚度均匀的涂层。

五、结语

    水性阻尼材料以聚合物乳液为基料配以各种填料制成, 成膜后涂层耐水、耐酸碱性好, 是一种新型环保的汽车降噪阻尼材料。LASD喷涂在汽车车体上, 固化后可起到优异的抑制车体振动和降低噪声的目的, 具有很好的应用前景。LASD机器人喷涂应用系统在全球主流汽车厂已得到很好的应用, 由于各汽车厂家设计理念和生产线的不同, 需具体问题具体分析, 并进一步探讨和研究, 希望本研究能给同行一些借鉴和启发。


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作者:何彬 肖其弘 李旋 李黎明 佘璐琳   来源:涂料工业

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文章来源: 启飞汽车设计。

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