ฮีทปั๊มในกระบวนการสีโรงงานผลิตรถยนต์และชิ้นส่วนรถยนต์

กระบวนการสีมีความสำคัญต่อการผลิตรถยนต์และชิ้นส่วนรถยนต์ เพื่อป้องกันการผุกร่อนจากสภาพการใช้งานซึ่งมีทั้งความเปียกชื้น ฝุ่น โคลน และทราย กระบวนการสีของโรงงานผลิตรถยนต์มีความซับซ้อนและมีต้นทุนสูง ฮีตปั๊มสามารถใช้เพื่อการประหยัดพลังงาน ลดต้นทุนการผลิต และลดปัญหาสิ่งแวดล้อมได้ในหลายกระบวนการ แต่ก่อนทำโครงการฮีทปั๊มจะต้องศึกษากระบวนการสีของโรงงานผลิตรถยนต์และชิ้นส่วน เพื่อให้เลือกใช้ฮีทปั๊มได้ถูกต้อง

กระบวนการสีในโรงงานประกอบรถยนต์

โรงงานประกอบรถยนต์โดยทั่วไปมีกระบวนการทำสีดังในรูปที่ 1. ซึ่งในแต่ละผู้ผลิตอาจเปลี่ยนแปลงไปบ้างในรายละเอียด จากปริมาณการผลิต และเทคโนโลยี่ของผู้ผลิตแต่ละราย

รูปที่ 1. แผนภูมิกระบวนการทำสีในโรงงานประกอบรถยนต์

สามารถสรุปขั้นตอนในการทำสีได้ดังต่อไปนี้

· การเตรียมผิว ได้แก่ การทำความสะอาดขั้นต้นและการทำฟอสเฟตหลายขั้นตอน(Multistage Phosphate Pretreatment)

· การชุบสีรองพื้น(Electro-Deposition Coating)

· การพ่นสีพีวีซีใต้โครงรถและการยาแนว

· การเติมรองพื้นปรับผิว(Primer surfacer)

· การทำสี

· การลงแว็กซ์

การเตรียมผิว

การเตรียมผิวในแต่ละโรงงานมีการออกแบบแตกต่างกันไปตามความเหมาะสม แต่มีเป้าหมายการออกแบบวิธีการเตรียมผิวเหมือนกันดังต่อไปนี้

· ลดการใช้น้ำ

· ลดการปนเปื้อนสารเคมีในขั้นตอนต่อไป

· เพิ่มคุณภาพของการทำฟอสเฟต

· ลดปริมาตรตะกอนและแยกตะกอนอย่างมีประสิทธิภาพ

· ใช้พลังงานน้อย

การเตรียมผิวเริ่มจากการทำความสะอาดขั้นต้นซึ่งทำได้หลายวิธีได้แก่ การฉีดด้วยน้ำความดันสูง ใช้แปรงและสารเคมีทำความสะอาด ใช้การฉีดน้ำทั้งที่ความดันปกติและความดันสูงโดยอัตโนมัติ หรือทุกอย่างที่กล่าวมาร่วมกันเพื่อไล่สิ่งแปลกปลอมจากการเชื่อมโครงรถเช่นสิ่งสกปรก ขยะจากการประกอบที่อาจค้างอยู่ในโครงรถตั้งแต่ชิ้นส่วนเหลือใช้ไปจนถึงถุงมือเชื่อม

การเคลือบฟอสเฟตเริ่มด้วยการล้างไขมันหรือน้ำมัน(Degrease)และทำความสะอาดโครงรถ ซึ่งอาจใช้ด่างเพื่อทำความสะอาด บางโรงงานก็มี 2ขั้นตอน(Pre-degrease, Degrease) จากนั้นจึงล้างด่างหรือกรดที่ค้างอยู่ออกด้วยน้ำ Demin.สารฟอสเฟตจะทำปฏิกริยากับผิวเหล็ก ทำให้เกิดชั้นผลึกที่ผิวทำให้สีสามารถติดกับเหล็กได้แน่นและป้องกันการผุกร่อน ในโรงงานบางแห่งก็ชุบโครงรถเพียงส่วนล่างและใช้วิธีฉีดสารฟอสเฟตที่ส่วนบนของโครงรถ สุดท้ายคือการฉีดด้วยน้ำ Demin.

การทำฟอสเฟตหลายขั้นตอน(Multistage Phosphate Pretreatment) ทำได้ 4 วิธีตามรูปที่ 2. ได้แก่

1. ด้วยกำลังคน โดยใช้สายฉีดและเครื่องสูบความดันสูง สำหรับเมื่อการผลิตน้อย

2. โดยอัตโนมัติด้วยการฉีดเป็นจังหวะหรือต่อเนื่อง เมื่อพื้นที่น้อย ใช้พลังงานมาก ส่วนทีฉีดไม่ถึงมีมากและมีโอกาสที่ผลงานไม่ได้มาตรฐานมีความสูญเสียมาก

3. โดยอัตโนมัติด้วยการชุบลงในบ่อส่วนหนึ่ง(ประมาณขอบหน้าต่างรถ)และฉีดเป็นจังหวะพร้อมกันที่ส่วนที่ไม่ชุบ ซึ่งใช้พื้นที่มากขึ้น และใช้สารเคมีมากขึ้นกว่าการฉีดอย่างเดียว

4. โดยอัตโนมัติด้วยการชุบทั้งคันในแนวราบหรือในแนวดิ่ง บ่อใหญ่ขึ้นใช้สารเคมีมากขึ้นแต่ใช้พลังงานน้อยลง บ่อที่ใช้ชุบในแนวดิ่งใช้เนื้อที่น้อยกว่า ปริมาตรบ่อน้อยกว่า ใช้พลังงานน้อยกว่า แต่การใช้สารเคมีเท่ากัน

และในบางแห่งก็จะทำซ้ำตั้งแต่ทำความสะอาด ฟอสเฟต และล้าง เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพสีและลดความสูญเสียในกระบวนการสี ก่อนที่จะส่งไปชุบสีรองพื้นแบบคาโทดิก (Cathodic electro-deposition)

รูปที่ 2. วิธีการเตรียมผิว

แนวทางการลดพลังงานในการเตรียมผิวได้แก่ การลดอุณหภูมิของบ่อฟอสเฟตซึ่งจะลดค่าใช้จ่าย และลดปริมาณตะกอน การล้างหลังแต่ละขั้นตอนเพื่อไม่ให้สารเคมีปนเปื้อนในขั้นตอนต่อไป วิธีชุบแล้วฉีดพบว่าได้ผลดีกว่าแบบฉีด 2ครั้ง และพบว่าหลังชุบฟอสเฟตใช้วิธี ชุบแล้วฉีดแล้วฉีดแล้วชุบทั้งหมด 4ครั้งจะทำให้ประหยัดน้ำ DM(De-mineralized water) ได้มาก การควบคุมสารเคมีในบ่อ การกรอง การถ่ายตะกอนออก จะช่วยรักษาคุณภาพการเตรียมผิวทำให้สีรถยนต์มีคุณภาพ

ตารางที่ 1. สรุปขั้นตอนต่างๆที่ใช้ในการเตรียมผิว

การชุบสี(Electro-Deposition Coating)

หลังจากเตรียมผิว ส่งต่อเนื่องไปกระบวนการสีรองพื้น Electro-Deposition(E-coating) หรือ Electrophoretic coating ที่บ่อสีนี้จะมีประจุไฟฟ้าปล่อยโดยให้โครงรถเป็นขั้วลบ และสีเป็นขั้วบวกซึ่งเป็นคุณสมบัติคาโทดิกเรียกว่า Cathodic Electro-Deposition (CED) เพื่อให้สีติดผิวโลหะแน่น เหมาะสำหรับรถยนต์ อีกแบบหนึ่งใช้คุณสมบัติอาโนดิกเรียกว่า Anodic Electro-Deposition (AED) ปล่อยประจุบวกใช้ชิ้นส่วนและประจุลบให้สี วัสดุจะสูญเสียอนุภาคเล็กน้อยและมีปฏิกริยาทำให้การเคลือบสีถูกจำกัดจึงเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ใช้ภายในเนื่องจากมีราคาถูก บ่อสีมีประจุไฟฟ้าทำให้เกิดความร้อนในบ่อ จึงต้องมีน้ำเย็นสำหรับการระบายความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิในบ่อที่อุณหภูมิ 25-27c

รูปที่ 3. บ่อ E-Coating

หลังจากชุบสี โครงรถจะถูกนำมาชุบบ่อน้ำกรอง (Ultra Filtrate, UF dip) และฉีดทำความสะอาดด้วยน้ำกรอง (UF spray) ซึ่งสีที่ไม่เป็นฟิลม์ที่ผิวโลหะจะถูกล้างออกจากฟิลม์สีและถูกกรองออกและส่งกลับมาที่บ่อชุบเพื่อการประหยัดสี รูปที่ 4.เป็นแผนภูมิของระบบชุบสี ผู้ผลิตบางรายแนะนำให้ใช้น้ำที่อุณหภูมิ 45cล้างเพราะจะล้างสีที่ไม่ติดโลหะได้ดีกว่า

รูปที่ 4. แผนภูมิระบบชุบสีรองพื้น

หลังจากการล้าง โครงรถจะต้องอบแห้งสี ด้วยอุณหภูมิทางเข้าเตา 120c ให้แห้งเร็วเพื่อลดสีย้อยจากชิ้นส่วนที่ประกบกัน ลดการขัดกระดาษทราย และลดไอสารที่จะเกิดจากการแห้งช้าๆ ความร้อนจากกระบวนการนี้จะนำไปอบสีในอีกกระบวนการหนึ่งจึงไม่มีความร้อนสูญเสีย

รูปที่ 5. แผนภูมิห้องอบสีรองพื้น

ตารางที่ 2. สรุปขั้นตอนในการชุบสีรองพื้น

การพ่นสีพีวีซีใต้ท้องรถและการยาแนว

ด้านล่างของรถจะต้องทนต่อสภาพแวดล้อม รวมทั้งหินและทราย จึงต้องยารอยเชื่อมและพ่นด้วยสีพีวีซี จากนั้นต้องอบแห้งที่อุณหภูมิประมาณ 160c ก่อนส่งไปทำสี

การทำสี

การทำสีมี 2 แบบได้แก่แบบ 3 coat-3 bakeการทำสี 3ชั้น ประกอบค้วยสีรองพื้นปรับผิว(Surfacer) สีพื้น(base coat) และสีจริง(top coat)และอบ 3ครั้ง อีกแบบคือ 2 coat-2 bake ทำสี 2ชั้น ประกอบด้วยสีพื้นปรับผิว และสีจริง และอบ 2ครั้ง โดยที่การพ่นสีจะทำในห้องพ่นสี จากห้องพ่นสีในแต่ละชั้นก็จะเข้าห้องอบสี

สีรองพื้นปรับผิวใช้เพื่อไล่สิ่งแปลกปลอมและประจุไฟฟ้าสถิตย์ เสริมความทนทานต่อเศษหินใต้ตัวถัง หลังจากสีรองพื้นโครงรถจะอบในห้องอบที่อุณหภูมิ 170c ประมาณ 30นาที แล้วจึงแต่ง ขัดกระดาษทรายน้ำ ล้าง ทำให้แห้ง ใช้อากาศอัดเป่า จึงเข้าไปทำสีต่อไป ขึ้นกับจะเป็นสีระบบใดแล้วจึงอบ ตรวจสอบ ซ่อมสี

ห้องพ่นสี

ห้องพ่นสีจะต้องควบคุมสภาวะอากาศภายในให้เหมาะสมกับข้อกำหนดทางเทคนิกของสีนั้นๆ ได้แก่อุณหภูมิ ความชื้น ความสะอาด อุณหภูมิอากาศที่แนะนำคือระหว่าง21-24c ความชื้นสัมพัทธ์50% เนื่องจากพนักงานพ่นสีแต่งตัวมิดชิด ถึงแม้อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้สีแห้งเร็วขึ้น อากาศภายนอกจะผ่านที่กรองอากาศ การปรับอากาศทั้งความเย็นและความร้อน และผ่านที่กรองอากาศที่เพดานของห้องพ่นสีไล่ไปทางอากาศออกจากห้องพ่นสีด้วยความเร็ว 0.5เมตร/วินาที อากาศจะพาละอองสีไปที่ด้านล่างใต้ห้องพ่นสีซึ่งจะถูกน้ำชะ น้ำและสีลงไปที่บ่อตะกอน สีจะแยกชั้นลอยอยู่ด้านบนทำให้สามารถแยกสีออกได้ ส่วนน้ำจะนำกลับไปใช้

รูปที่ 6. รูปตัดห้องพ่นสี

รูปที่ 7. การใช้น้ำจับสีแบบต่างๆที่ด้านล่างของห้องพ่นสี

อากาศที่ออกจากห้องพ่นสี จะต้องควบคุมปริมาณของไอสีโดยผ่านที่กรองคาร์บอน(activated carbon) หรือเผาด้วยอุณหภูมิสูง หรือใช้สารเร่งปฏิกิริยาแปรสภาพที่อุณหภูมิต่ำ

ห้องอบ

ห้องอบออกแบบตามประเภทของสีที่ใช้ ในกระบวนการสีรถยนต์มีห้องอบดังนี้

· อบแห้งก่อนทำสีเพื่อให้แน่ใจว่าผิวโครงรถแห้งสนิท จะให้ความร้อนโครงรถที่อุณหภูมิ 125-150cเป็นเวลาพอสมควรเพื่อให้แน่ใจว่าน้ำระเหยหมด การระบายอากาศต้องมีปริมาณพอเพียงเพื่อเอาไอน้ำที่ระเหยออกจากห้องอบ

· อบเพื่อให้สีแข็งตัว จะแบ่งออกเป็น 2ส่วน ส่วนแรกเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้ได้ค่าที่ต้องการอย่างรวดเร็ว และส่วนที่ 2 เพื่อรักษาอุณหภูมิไว้ตามเวลาที่ต้องการ

รูปที่ 8. ห้องอบสี

การให้ความร้อนในห้องอบประกอบด้วย

· แบบพาความร้อนด้วยอากาศร้อน อากาศร้อนจะเข้าห้องอบทางด้านล่างให้ความร้อนโครงรถและออกจากห้องอบที่เพดาน

· แบบแผ่รังสีโดยไม่ใช้อากาศเป็นตัวกลาง แต่จะเกิดอากาศเคลื่อนที่โดยธรรมชาติที่แผงความร้อนทำให้อากาศส่วนบนร้อนกว่า จึงต้องหมุนเวียนอากาศเพื่อให้อุณหภูมิสม่ำเสมอ

· แบบแผ่รังสีให้ความร้อนได้เร็วกว่าจึงใช้สำหรับห้องอบส่วนที่ใช้เพิ่มอุณหภูมิ และใช้การพาความร้อนสำหรับส่วนรักษาอุณหภูมิ

ในรูปที่ 8. ท้ายสุดของห้องอบสี จะลดความร้อนเของโครงรถที่ออกจากห้องอบ ไม่ให้ความร้อนออกมาในโรงงาน โดยใช้อากาศภายนอกมารับความร้อนจากโครงรถแล้วจึงไปแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่ออุ่นอากาศที่จะใช้กับห้องอบ

ระบบบำบัดน้ำ บำบัดน้ำเสียและอากาศ

การทำสีรถต้องการน้ำที่คุณภาพต่างๆกันในปริมาณมาก น้ำจากการเตรียมผิวและบริเวณขัดกระดาษทรายน้ำสามารถนำกลับมาใช้ ด้วยการกรอง(Ultrafilter) การปรับใช้ประจุไฟฟ้า และอื่นๆเช่น Reverse osmosis และการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

สำหรับน้ำเสียได้แก่ ของเสียจากการกรอง ของเสียมีพิษ สารตกตะกอน ตะกอน รูปที่ 8. สรุปของเสียและการบำบัดของเสียทั้งน้ำและอากาศจากกระบวนการสีของรถยนต์

รูปที่ 9. ของเสียและการบำบัดในกระบวนการทำสีรถยนต์

ระบบช่วย(Auxiliaries system)

จากการศึกษากระบวนการสีทั้งหมดสามารถสรุปการใช้พลังงานความร้อนได้ตามตารางที่ 3. ถ้าเป็นโรงงานขนาดใหญ่จะรวมระบบช่วยเป็นระบบรวมเพื่อความสะดวกในการดูแลรักษาและการเพิ่มประสิทธิภาพ ซึ่งจากอุณหภูมิที่ระบุสามารถใช้หม้อไอน้ำขนาดใหญ่ และใช้เครื่องทำน้ำเย็นรวมเพื่อส่งไอน้ำและน้ำเย็นไปแต่ละจุดใช้งานการทำระบบใหญ่ทำให้สามารถแลกเปลี่ยนความร้อมกลับมาใช้ได้ ในโรงงานอื่นอาจเลือกแหล่งพลังงานแตกต่างออกไปเพื่อลดการลงทุนตามความเหมาะสมเช่นใช้เชื้อเพลิงเผาไหม้โดยตรง แยกใช้หม้อน้ำร้อนแทนหม้อไอน้ำเป็นต้น

ตารางที่ 3.สรุปการใช้พลังงานความร้อนและความเย็นในโรงงานผลิตรถยนต์

การใช้ฮีทปั๊มในกระบวนการทำสีรถยนต์

ฮีทปั๊มสามารถทำน้ำร้อนที่อุณหภูมิสูงสุดไม่เกิน 80c และทำอากาศร้อนได้สูงสุดที่ 70c มีประสิทธิภาพด้านร้อน (COP heating) = 3.0 เท่าของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ และมีประสิทธิภาพด้านเย็น (COP cooling) = 3.0 จากอุณหภูมิที่ใช้ในตารางที่ 3.สามารถใช้ฮีตปั๊มแทนการใช้ไอน้ำได้เกือบทั้งหมด สำหรับเตาอบต่างๆสามารถใช้ฮีตปั๊มทำอากาศร้อน 70c แล้วจึงใช้ไอน้ำหรือเชื้อเพลิงทำอุณหภูมิเพิ่มตามอุณหภูมิใช้งาน

ฮีตปั๊มให้ความเย็นฟรีเป็นผลพลอยได้จึงลดการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็นได้ในทุกจุดที่ใช้น้ำเย็น การที่ใช้ไฟฟ้าเพียง 1หน่วย ลดการใช้หม้อไอน้ำและเครื่องทำน้ำเย็นลงได้อย่างละ 3หน่วยพร้อมกันทำให้ลดค่าใช้จ่ายพลังงานลงได้มหาศาล และลดปัญหาสิ่งแวดล้อมด้วยอย่างมาก โครงการฮีตปั๊มสำหรับโรงงานผลิตรถยนต์จึงคุ้มค่าการลงทุนเร็วมาก

รูปที่ 10.ฮีทปั๊มโรงงานธนบุรีประกอบยนต์สามารถยกเลิกหม้อน้ำร้อนซึ่งใช้น้ำมันดีเซล และลดการทำงานของเครื่องทำน้ำเย็น ทำให้ประหยัดค่าน้ำมันดีเซลสำหรับหม้อน้ำร้อนและค่าไฟฟ้าสำหรับเครื่องทำน้ำเย็นได้ 680,590 บาท/ปี รูปที่ 11. ฮีทปั๊มโรงงานไทยออโต้เวิร์ค สามารถประหยัดค่าก๊าซสำหรับหม้อน้ำร้อนและค่าไฟฟ้าสำหรับเครื่องทำน้ำเย็นได้ 1,248,000 บาท/ปี รูปที่ 12. ฮีทโรงงานไทยฮอนด้าแมนูแฟคเจอร์ริ่ง สามารถประหยัดค่าก๊าซสำหรับหม้อน้ำร้อนและค่าไฟฟ้าสำหรับเครื่องทำน้ำเย็นได้ 5,325,090 บาท/ปี การลงทุนของโรงงานทั้ง 3 แห่งมีระยะเวลาคุ้มทุนประมาณ 2 ปี

รูปที่ 10. ฮีทปั๊มโรงงานธนบุรีประกอบยนต์ติดตั้งแล้วเสร็จ พ.ศ.2549

รูปที่ 11. ฮีทปั๊มโรงงานไทยออโต้เวิร์ค ผลิตรถโตโยต้า ฟอร์จูนเนอร์ ติดตั้งแล้วเสร็จ พ.ศ.2551

รูปที่12. ฮีทปั๊มโรงงานไทยฮอนด้าแมนูแฟคเจอร์ริ่ง ติดตั้งแล้วเสร็จ พฤษภาคม 2553

บทส่งท้าย

ศึกษารายละเอียดของกระบวนการสีโรงงานผลิตรถยนต์และชิ้นส่วนรถยนต์ได้จาก Painting Makes the Difference โดย Mr. I.R. Shama โรงงานที่ออกแบบใช้ฮีตปั๊มตั้งแต่เริ่มต้นจะได้ประโยชน์สูงสุดทั้งด้านการลงทุนและค่าพลังงานทำให้ต้นทุนการผลิตและผลคอบแทนสูงสุด การทำโครงการฮีตปั๊มในโรงงานที่กำลังผลิตนั้นถึงแม้จะคืนทุนเร็วแต่โดยรวมแล้วลงทุนมากกว่าเพราะระบบช่วยเดิมได้ลงทุนไปแล้วและพื้นที่ที่เหมาะสมสำหรับติดตั้ง ระบบไฟฟ้าและอื่นๆก็ไม่ได้เตรียมไว้ก่อน รายละเอียดของแต่ละระยยจะอธิบายในภายหลัง