基于Plackett Burman筛选因子设计的乘用车新颜色工艺自主开发应用.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.021 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.021 基于 Plackett Burman 筛选因子设计的乘用车 新颜色工艺自主开发应用 何 旭，田邱霞，张国赟，许瑆琥，杨海毅（上汽通用汽车有限公司，上海 201201）摘要：为了提高中国乘用车行业新颜色自主开发能力，通过对中国乘用车外观颜色色彩需求进行分析，结合近年来在车身涂装领域的新颜色、新效果涂料、新工艺的研究及应用，从新颜色全生命周期角度，以自主开发新颜色为切入点，探讨 Plackett Burman 筛选因子设计在乘用车颜色自主开发应用，为中国乘用车新颜色开发，提供一种科学的分析方法。关键词：Plackett Burman；筛选因子设计；颜色开发；实验设计 中图分类号：U461.99 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-104-05 Body Color Development and Application for Passenger Vehicles Based on Plackett Burman Screening Factor Design HE Xu,TIAN Qiuxia,ZHANG Guoyun,XU Xinghu,YANG Haiyi(SIAC General Motor Company Limited,Shanghai 201201,China)Abstract:In order to improve the independent development ability of new colors in Chinese passenger vehicle industry,through the analysis of the color demand for the appearance color of Chinese passenger vehicles,combined with the research and application of new colors,new effect coatings and new processes in the field of body coating in recent years,this paper discusses the application of Plackett Burman screening factor design in the independent development of new process color of passenger vehicles from the perspective of the whole life cycle of new colors and the way and method of independently developing new colors.It can provide a scientific analysis method for the development of new colors for passenger vehicles in China.Keywords:Plackett Burman;Screening factor design;Color development;Design of experiment 近年来，随着汽车市场竞争日益激烈，汽车车身涂装质量控制在新工艺、新颜色开发过程中越来越受到国内外汽车生产厂家的重视，但是国内大部分主流整车厂基本不具备全新颜色工艺开发能力，都是基于国外技术进行的微调。齐淑娥1在降低冷轧产品锈蚀缺陷不良改进项目中，引入六西格玛 DMAIC 模型，即定义（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、改进（Improve）、控制（Control），应用帕累托图识别了锈蚀发生的主要类型，通过应用通用电气作者简介：何旭（1988），男，硕士，研究方向为汽车涂装规划、整车涂装，E-mail:xu_hesaic-。第 16 期 何 旭，等：基于 Plackett Burman 筛选因子设计的乘用车新颜色工艺自主开发应用 105 分析法、鱼骨图、变异源、全生命周期管理、回归分析等工具，筛选和查找出了对锈蚀缺陷影响显著的因子。改进阶段针对平整液浓度与压缩空气两个因子开展了试验设计，并确定了最终对策方案，使产品锈蚀缺陷大幅下降。针对六西格玛DMAIC 模型在质量改进过程中的应用，在任务各阶段工具和分析方法的使用应该以解决实际问题为导向，进行灵活选取和应用。王贝等2针对汽车保险杠涂装合格率提升项目，按照六西格玛 DMAIC 模型，应用因果图从人、机、料、法、环五个方面进行了影响因素分析，应用潜在失效模式以及后果分析进行了涂装质量因素分析，确定了影响汽车保险杠涂装合格率的三个关键要素，并应用试验设计工具明确了改善对策的最佳因子组合，提升了涂装合格率并带来经济效益。SONI 等3应用六西格玛 DMAIC 模型对焊接工艺造成的缺陷不良进行了改进。通过应用高端流程图方法，对焊接工艺进行了系统梳理，并将客户的声音转化为关键质量特性。通过帕累托图、why-why 分析、头脑风暴、因果图等多种工具和方法确定了需要改善的关键因子，并通过应用试验设计方法确定了需改善因子的水平，对策导入后，不良质量成本降低了 50%。但是从整体内容以及具体技术选择上，基本没有针对涂装颜色开发按照具体试验设计的深入研究。本文通过对车身新工艺、新颜色开发应用需求分析，同时结合近十年来在整车涂装开发以及现场的研究及应用，从前期实验设计着手来探讨如何用科学的实验方法，进行新颜色工艺开发。为解决新颜色的自主开发过程能力，采用了Plackett Burman 筛选因子设计，经过前、中、后期试验，得到与现场相符的数据结果，提高了自主开发的能力。汽车涂装工艺经历了约 40 年的发展，涂装颜色发展主要可以分为以下几个阶段：1）第一阶段：1989 年以前为起步阶段。汽车涂装以大批量单一颜色为主，其中代表为福特 T型车，彼时只是提供黑色单一颜色。2）第二阶段：19891999 年为初步发展阶段。以通用为代表的汽车制造企业开始生产不同颜色的车身，供消费者选择。在此期间，客户可以按需选择自己喜欢的颜色。虽然客户可以选择，但是也只能够在一些单色漆如黑、白、蓝、绿、黄等简单颜色中选择。3）第三阶段：19992009 年为跨越式发展阶段。此阶段，随着越来越多的新效果颜料的使用，越来越多的颜色，包括金属效果色、亚光色等特殊颜色在汽车厂流水线大规模生产下线，供客户选择。同期也出现了双色车、多色车等全新的颜色选型。各主流汽车厂纷纷展现自身的喷涂施工能力，市场上乘用车的颜色五花八门，达到了汽车颜色多样性的顶峰。4）第四阶段：20092018 年为稳定阶段。在此阶段，汽车制造公司的涂装工艺，由于环保的要求和成本的考量，重点聚焦技术改进，如由溶剂型漆改为水性漆，由传统的三涂两烘工艺改为集成工艺等，主流整车厂并没有专注于为消费者提供更多样化、更具个性的汽车涂装产品。整车厂的柔性化能力也只是小幅进步，没有跨越式更新。5）第五阶段：2018 年后为柔性化发展提升阶段。近一两年来，主流整车厂商纷纷推出更新颜色，更炫酷、更具个性，如马自达的魂动红、雷克萨斯的 Sonic 银、日产的珠光白、通用的炫丽紫等。汽车涂装的多样化、个性化已经进入了一个全新阶段。当前正处于发展的第五阶段，主流整车厂以及新型电动车厂纷纷推出更符合市场的个性化车型，通用的绚丽紫等高彩度，高饱和度新颜色的真正的自主开发是接下来汽车涂装行业面临的巨大挑战4。基于此背景，本文选择了具体的 Plackett Burman 筛选因子实验设计，进行新颜色的开发。1 Plackett Burman 筛选因子设计的特点分析及适用场景 在开发乘用车涂装的过程中，行业内一直持续进行着多方面的探索。试验是构成开发学习过程的一个要素。根据不同的研究内容，可以对实验设计进行多种方法的分类，如根据试验的因子个数，可以分为单因子和多因子；根据试验目的，可以分为因子设计和回归设计。整个试验是一个循序渐进的过程，一般来说，要先根据已有的知识提出某种设想，设计一个试验去验证或否定它，从试验中获取数据并验证或修正初始设想，然后提出一个更新更深入的设想，再设计新的试验。这个反复的过程会一直持续下106 汽 车 实 用 技 术 2023 年 去，直到形成较为完善的理论结果。Plackett Burman 设计法是一种两水平的试验设计方法，它试图用最少的试验次数，尽可能精确地估计因素的主效果，适用于从众多的考察因素中快速有效地筛选出最为重要的几个因素，以供进一步研究用。对于 N 次实验至多可研究 N-1个因素，但实际因素应该要少于 N-1 个，至少要有 1 个虚构变量用以估计误差。每个因素取两个水平：低水平为原始培养条件，高水平约取低水平的 1.25 倍。但对某些因素高低水平的差值不能过大，以防掩盖了其他因素的重要性，应依实验条件而定。对实验结果进行分析，得出各因素的 t值和置信度水平（采用回归法）。一般选择可信度大于 90%（或 85%）以上的因素作为重要因素。Plackett Burman 筛选设计对比常规的部分因子实验设计，可以减少试验次数的同时筛选出尽量重点的影响因子。同时对比田口正交实验，也具备相应的优势（减少实验次数，同时筛选出重点影响因子），在整车油漆颜色的开发中，实验经费非常昂贵，节 省每一次试验都是有价值的，这时就可以使用试验次数更少的方法。2 引入 Plackett Burman 筛选因子设计的原因 汽车涂装颜色开发，是基于试验数据，把概念颜色呈现在整车车身的过程，其中喷涂工艺、参数等都会对颜色有相应的影响。如何衡量喷涂参数，如旋杯转速、电压、吐出量、成型空气等，对于颜色的影响，传统做法是 OFAT（One Factor at A Time）法，其程序如下：1）选择一个因子水平的组合作基线；2）在各因子的变化范围每次改变一个因子的水平；3）选定各因子的最佳水平。但是 OFAT 有两个明显的缺点：1）未能考虑交互作用；2）OFAT 总是比统计学试验设计效率差。所以当前部分业内会使用部分因子或响应曲面来进行颜色开发探索，如图 1 所示。图 1 响应曲面示例 但是在部分因子或响应曲面分析中，不得不需要更多的试验次数。根据以往经验，过少的实验次数不能够表征合格的颜色开发结果。所以需要一套合适的方法来帮进行颜色开发，Plackett Burman筛选因子设计就是当前最为合适的全新颜色开发的指导方法。根据目前行业整体分析，该方法的应用结合成本和效率，是当前乃至接下来五年的主流前沿方法实践。3 Plackett Burman 筛选因子设计在新颜色开发中应用 在颜色开发初期，经过概念色初始确定原始色板，后使用 Plackett Burman 筛选因子设计，进行颜色进一步开发。在总体思路上遵循高端流程图 SIPOC 原则，供应者 S（Supplier）为涂装材料供应商；输第 16 期 何 旭，等：基于 Plackett Burman 筛选因子设计的乘用车新颜色工艺自主开发应用 107 入 I（Input）为油漆材料、设备选型、工艺参数；过程 P（Process）指从概念色、标准色板选定到工厂 Launch 前期实验室开发过程；输出 O（Output）为一组或几组最佳参数组合，或需要进行材料工艺优化的初始结论，按需进行优化重复试验，直到得出最佳参数组合；客户 C（Client）主要为工厂工艺相关人员客户。涉及具体试验的周期通常为 12 个工作周，包含物料工艺协调以及数据处理生成初始结论。典型步骤如下：1）步骤一，设定典型试验输入列表（某颜色，水平喷涂条件），如表 1、表 2 所示，以某颜色为例，纵坐标为实验板编号，横坐标为过程参数，过程参数包含色漆第一道流量/电压/转速、色漆第二道流量/电压/转速、清漆配比流量/电压/转速等。表 1 输入列表示例一 Base 1st Pass-Bell Base 2nd Pass-Gun Panel condition Bell Speed/(kr/min)Current/(A)Pattern Air/(L/min)Fluid Flow Rate/(mL/min)Bell Speed/(kr/min)Current/(A)Pattern Air/(L/min)Fluid Flow Rate(mL/min)#1 100%83%83%80%100%83%83%80%#2 100%117%83%80%100%117%83%80%#3 100%83%117%80%100%83%117%80%#22 110%100%110%120%110%100%100%80%Clear 1st Pass-Bell Clear 2nd Pass-Bell Panel condition Bell Speed/(kr/min)Pattern Air/(PSI)Fluid Flow Rate/(mL/min)Bell Speed/(kr/min)Pattern Air/(PSI)Fluid Flow Rate/(mL/min)#1 100%100%100%100%100%100%#2 100%100%100%100%100%100%#3 100%100%100%100%100%100%#22 100%100%100%100%100%100%表 2 输入列表示例二 Base 1st Pass-Bell Base 2nd Pass-Bell Panel condition Bell Speed/(kr/min)Current/(A)Pattern Air/(LPM)Fluid Flow Rate/(mL/min)Bell Speed/(kr/min)Current/(A)Pattern Air/(LPM)Fluid Flow Rate/(mL/min)#1 45 54 199 220 50 54 208 176#2 45 76 199 220 50 76 208 176#3 45 54 281 220 50 54 293 176#22 50 65 264 330 55 65 250 176 Clear 1st Pass-Bell Clear 2nd Pass-Bell Panel condition Bell Speed/(kr/min)Pattern Air/(PSI)Fluid Flow Rate/(mL/min)Bell Speed/(kr/min)Pattern Air/(PSI)Fluid Flow Rate/(mL/min)#1 43 20 360 43 20 360#2 43 20 360 43 20 360#3 43 20 360 43 20 360#22 43 20 360 43 20 360 2）步骤二，根据输入参数，进行实验验证，根据实验数据进行 PB 实验，输出结果为 R、Lw、Sw、DOI、Color 数据等，整理数据结果，如表 3所示。3）步骤三，使用软件（通常为 MINTAB）进行结果分析，筛选出影响输出因子（主要为颜色数据）最大的输入因子（本例中的油漆流量），评估颜色可实现的最佳状态，锁定优中最优。同时对影响的最大的输入因子进行特殊管控，来保证颜色的开发符合设计意图，同时利于现场喷涂。同时试验后续会增加其他应用性测试，来完成整体颜色开发过程。108 汽 车 实 用 技 术 2023 年 表 3 整理数据示例 Panel#(forHorizontal)Parameters BC1 Bell Speed/(kr/min)BC1 Current/(A)BC1 Pattern Air/(LPM)BC1 Flow Rate/(mL/min)BC2 Bell Speed/(kr/min)BC2/Current/(A)BC2 Pattern Air/(LPM)BC2 Flow Rate/(mL/min)#1 45 54 199 220 50 54 208 176#2 45 76 199 220 50 76 208 176#3 45 54 281 220 50 54 293 176#22 50 65 264 330 55 65 250 176 Panel#(for Horizontal)Basecoat Filmbuild Appearance Data 1st 2nd TOTAL Clear Film Gloss 20d DOI#1 5.5 5 10 50 95.2 85.9#2 6 5 11 50 92.5 80.4#3 6 4 10 50 94.2 75.7#22 9 5 14 55 90.6 88.9 根据相应的 Plackett Burman 筛选因子设计，进行相应分析得出结论，确定材料工艺能够达到最佳施工条件，得到最佳施工结果、颜色效果，同时有可接受的施工窗口。过程中也要发现影响不同外观感受结果的不同因素的比重及相关性，更有利于目标颜色在工厂中发挥出应有的表现能力4。S 公司一款由中国主导开发的全新电动车型的全新涂装工艺油漆材料开发过程中，根据其中Top3 颜色的分析，调试时间节省 50%，调试车数量节约 5 台，颜色效果可达率达到 99.8%，外观满足行业豪华车水平。4 结语 综上所述，Plackett Burman 筛选因子设计是油漆车身颜色开发的有效手段、措施。在国内乘 用车涂装行业中的还处于起步阶段，对于如何进一步用好实验设计，用好 Plackett Burman 筛选因子设计，还有待进一步的探索。参考文献 1 齐淑娥.六西格玛管理在降低冷轧产品锈蚀缺陷中的应用J.冶金管理,2018(6):44-47.2 王贝,曾磊.基于六西格玛的汽车塑料件涂装合格率的改善J.汽车实用技术,2018,43(10):120-123.3 SONI S,MOHAN R,BAJPAI L,et al.Reduction of Welding Defects Using Six Sigma TechniquesJ.International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research,2013,2(3):404-412.4 何旭.面向个性化需求的 S 公司汽车涂装柔性能力提升策略研究D.上海:上海交通大学,2019.