Robot phun sơn tĩnh điện cao áp được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động sơn ô tô. Một trong những chỉ số kỹ thuật cốt lõi để đánh giá hiệu suất của chúng là hiệu suất truyền tải trong quá trình phun. Hiện nay, việc sơn các bộ phận bằng nhựa trên cản xe gặp phải vấn đề về độ dẫn điện thấp của vật liệu nhựa và hình dạng không đều, dẫn đến độ bám dính lớp phủ thấp và lãng phí vật liệu trong quá trình sơn các bộ phận bằng nhựa. Bắt đầu từ những cải tiến và ứng dụng thực tiễn tại nhà máy, bài báo này giới thiệu định nghĩa và phương pháp đo hiệu suất truyền tải đối với việc phun sơn tĩnh điện các bộ phận bằng nhựa, nghiên cứu các công nghệ phun sơn tĩnh điện tiên tiến và các thông số kỹ thuật chính được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô, đồng thời xác định các công nghệ chủ chốt và phương pháp tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất truyền tải, đưa ra các đề xuất nhằm xây dựng một xã hội tiết kiệm tài nguyên và thân thiện với môi trường.

Từ khóa: phun tĩnh điện cao áp, hiệu suất truyền tải, các bộ phận nhựa cản xe

Robot là một lĩnh vực phát triển ưu tiên được xác định trong chiến lược "Sản xuất tại Trung Quốc 2025". Trong ngành công nghiệp sơn phủ, so với thiết bị phun sơn thông thường, robot phun sơn tĩnh điện dần trở thành một trong những loại robot công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất - đặc biệt là trong sản xuất ô tô - bởi vì chúng có thể giảm thiểu lượng sơn sử dụng, giảm lượng khí thải và cắt giảm chi phí sản xuất một cách hiệu quả.

01 Phương pháp phun sơn tĩnh điện bằng cốc quay

Phun sơn tĩnh điện bằng robot là một phương pháp phun hiệu quả dựa trên các đặc tính cơ bản của lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu và lực hút giữa các điện tích trái dấu. Vật cần sơn thường được nối đất và đóng vai trò là cực dương, trong khi vòi phun của súng phun mang điện áp âm cao. Khi các hạt sơn tích điện khi đi qua súng phun, chúng trở thành các hạt mang điện và dưới tác động của trường tĩnh điện cao áp, di chuyển về phía và bám dính vào bề mặt vật mang điện tích trái dấu, tạo thành một lớp phủ đồng đều.

02 Nguyên lý phun sơn tĩnh điện bằng cốc quay và cấu tạo thiết bị

Để đảm bảo độ bóng bề mặt trên ô tô và nâng cao hiệu quả truyền tải, ngành công nghiệp sơn ô tô gần đây đã phát triển một loại robot phun sơn tĩnh điện xoay cốc đa năng mới. Bằng cách kiểm soát các thông số chính trong quá trình phun, nó đạt được cả chất lượng trang trí cao và hiệu quả truyền tải cao. Sự quay tốc độ cao làm phân tán sơn thành các hạt mịn, và lực tĩnh điện làm cho các hạt này bám dính vào bề mặt chi tiết. So với phun khí nén, điều này có thể làm tăng đáng kể hiệu quả truyền tải. Robot phun sơn tĩnh điện xoay cốc chủ yếu bao gồm đầu phun xoay (cốc), ổ trục quay tốc độ cao (động cơ khí nén), vòi phun sơn (đường cấp sơn), bộ phận khí nén để điều khiển kiểu phun, máy phát điện cao áp, v.v. Các chuyển động phun thường được điều khiển chính xác bởi robot sáu trục và phù hợp với các chi tiết lớn và có hình dạng phức tạp.

03 Phương pháp đo hiệu suất truyền tải

Hiệu suất truyền tải là một chỉ số kỹ thuật cốt lõi để đánh giá hiệu năng của robot phun sơn tĩnh. Hiệu suất truyền tải là tỷ lệ giữa lượng sơn thực tế bám dính vào phôi và lượng sơn được sử dụng trong quá trình phun. Việc đo hiệu suất truyền tải đối với các bộ phận cản xe bị ảnh hưởng bởi dụng cụ đo và môi trường, dẫn đến sự biến động đáng kể trong các điều kiện khác nhau. Công thức tính toán như sau:

Hiệu suất chuyển giao = (khối lượng màng phủ khô trên phôi (B − A) g / lượng sơn sử dụng C g × độ pha loãng NV) × 100

Hiệu suất truyền tải vật liệu đơn lẻ đối với các bộ phận bằng nhựa có thể khác nhau; thông thường, người ta thực hiện 3-5 phép đo và sử dụng kết quả trung bình để xác định hiệu suất phun điển hình cho sản phẩm.

3.1 Tình trạng hiện tại của hiệu quả truyền tải

Các xưởng sơn ô tô cao cấp trong và ngoài nước – như Mercedes-Benz, Volkswagen, Great Wall và Geely – thường sử dụng robot phun sơn tĩnh điện dạng cốc xoay có thể điều chỉnh độ rộng quạt ABB RobotBe1951. Kết hợp dữ liệu sản xuất tại nhà máy và các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm so sánh hiệu suất truyền tải của súng phun sơn tĩnh điện dạng cốc xoay, người ta nhận thấy rằng với cùng các thông số thiết bị, hiệu suất truyền tải khác nhau rất nhiều giữa thân xe và cản xe bằng nhựa.

04 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải của các tấm cản bằng nhựa và hướng cải tiến

4.1 Điều kiện tiếp đất của phôi

Phun sơn tĩnh điện dựa trên lực hút tĩnh điện: phôi được nối đất đóng vai trò là điện cực dương, trong khi bộ phun sơn (cốc hoặc đĩa phun) được nối với điện áp âm cao. Chất lượng nối đất của phôi ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phun sơn. Trong sản xuất công nghiệp, việc nối đất kém thường gây ra các khuyết tật về bề mặt và chất lượng không đạt yêu cầu.

Do việc tiếp đất kém ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất truyền tải của các bộ phận cản bằng nhựa, nên điều kiện tiếp đất của các bộ phận cản cần được xem xét toàn diện trong quá trình thiết kế để đảm bảo tiếp đất tốt. Thông thường, các kẹp dẫn điện hoặc tấm dẫn điện được sử dụng để kết nối các bộ phận cản bằng nhựa với các thiết bị cố định nhằm cải thiện hiệu suất truyền tải. Tình trạng của các kẹp hoặc tấm dẫn điện cần được theo dõi thường xuyên trong quá trình sản xuất và đo điện trở khi cần thiết để đảm bảo tiếp đất đúng cách. Tại một số nhà máy, do sự bất tiện khi phải tự tay gắn các kẹp tiếp đất, các giải pháp tự động hóa như tán đinh bằng robot đang được áp dụng; những giải pháp này vừa đảm bảo tiếp đất vừa giảm thiểu lao động thủ công, cải thiện tự động hóa trong khi vẫn duy trì chất lượng.

4.2 Các thông số kỹ thuật chính

Khi tối ưu hóa các thông số phun, mục tiêu là đảm bảo bề ngoài của các chi tiết nhựa – độ dày màng đồng đều, nhất quán – đồng thời đáp ứng tốc độ sản xuất và mục tiêu hiệu suất truyền tải. Các thông số chính ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải trong phun tĩnh điện bằng cốc quay là: áp suất tĩnh điện cao áp, khoảng cách súng phun, tốc độ súng phun, áp suất khí quạt, lưu lượng (đầu ra) và độ rộng quạt – sáu chỉ số kỹ thuật quan trọng.

Khi tối ưu hóa các thông số này để tăng tốc độ truyền tải, người ta nên đánh giá chúng cùng nhau chứ không phải riêng lẻ. Ví dụ, điện áp tĩnh điện cao hơn thường làm tăng hiệu quả truyền tải, nhưng vì các bộ phận cản bằng nhựa có khả năng dẫn điện nối đất thấp, việc tăng điện áp cao có thể tạo ra dòng điện quá mức giữa súng phun và bộ phận cản, gây ra nguy cơ phóng điện. Thông thường, cài đặt điện áp tĩnh điện cao cho các bộ phận cản bằng nhựa là khoảng -60 kV. Các thử nghiệm về tốc độ truyền tải dưới các tổ hợp khác nhau của sáu thông số cho thấy cách hiệu quả nhất để cải thiện hiệu quả truyền tải—trong khi vẫn duy trì điện áp, tốc độ và khoảng cách—là tối ưu hóa ba thông số: chiều rộng quạt, áp suất không khí của quạt và lưu lượng. Áp suất không khí cao của quạt tạo ra các xoáy trên bề mặt bộ phận cản, làm phân tán các hạt sơn vào không khí, làm giảm hiệu quả truyền tải (xem Hình 4); giảm áp suất không khí của quạt nên là một cải tiến được ưu tiên.

4.3 Tối ưu hóa quỹ đạo cho các cạnh và khe hở

Các mẫu súng phun hiện có chủ yếu phù hợp cho việc phun vuông góc. Khi lập kế hoạch quỹ đạo phun cho bề mặt cản xe có hình dạng cạnh không đều, ngoài góc nghiêng phun, người ta phải xem xét chiều cao phun, độ rộng quạt phun và tốc độ súng cùng với các thông số có thể điều khiển khác. Việc bỏ qua các hình dạng biên cong trong thiết kế quỹ đạo dẫn đến hiện tượng phun quá mức. Cải tiến góc nghiêng và vị trí điểm phun (xem Hình 5) có thể làm tăng đáng kể hiệu quả truyền tải ở các khu vực mở trong khi vẫn duy trì chất lượng độ dày màng sơn. Phân bố độ dày màng sơn ở góc nghiêng 40° được thể hiện trong Hình 6.

Khi phun sơn ở các cạnh, cần xem xét độ trễ bật/tắt súng phun. Thiết kế quỹ đạo phun cần tính đến tầm phun của súng và giảm thiểu chu kỳ bật/tắt thường xuyên để giảm thiểu ảnh hưởng của độ trễ và từ đó cải thiện hiệu quả phun.

4.4 Độ dẫn điện của sơn

Trong sản xuất, sự khác biệt về độ dẫn điện của sơn ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả phun và chất lượng lớp phủ. Độ dẫn điện của sơn phụ thuộc vào độ dẫn điện của màng khô của chính sơn và độ dày màng khô của lớp sơn lót. Lớp phủ dày hơn làm tăng độ dẫn điện và do đó cải thiện hiệu quả phun tĩnh điện; tuy nhiên, lớp sơn lót dày hơn làm tăng chi phí sản xuất và tăng nguy cơ bị chảy xệ. Vì vậy, việc tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa hiệu quả kinh tế sản xuất và chất lượng là rất quan trọng.

05 Kết luận

Trong bối cảnh ngành công nghiệp ô tô phát triển nhanh chóng, cần phải xem xét cả yêu cầu về hình thức, độ dày lớp sơn và chi phí sản xuất. Cải thiện hiệu suất truyền tải trong phun sơn là một trong những biện pháp kỹ thuật hiệu quả nhất để tiết kiệm tài nguyên, giảm chi phí, giảm phát thải chất thải nguy hại và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường. Ví dụ, trên một dây chuyền sản xuất với công suất hàng năm là 100.000 bộ linh kiện nhựa sơn, trong đó sơn chiếm khoảng 70% chi phí vật liệu và chi phí trên mỗi bộ là 300 CNY, việc tăng hiệu suất truyền tải lên 20% sẽ tiết kiệm được khoảng 6 triệu CNY mỗi năm chỉ riêng chi phí sơn – chưa bao gồm chi phí xử lý VOC – điều này cho thấy tầm quan trọng rất lớn trong việc giảm chi phí và nâng cao hiệu quả.