工業4.0時代需要提升表面處理技術

　　今年9月，第19屆表面精飾大會(Interfinish 2016)將在北京召開。這個四年一屆的表面精飾大會是次在舉辦。在制造由大轉強戰略全面啟動之時，這次大會在北京召開，具有標志性意義國。屆時將有20多個和地區的表面技術專業人士和企業家、學者上千人聚集北京，交流現代表面精飾技術。同期并有國際表面精飾展覽公開展示表面處理業的新產品和技術成果。
　　表面精飾業雖然很專業，但是與大眾生活和現代制造密切相關，因此，向大眾普及與表面工程相關的知識，是很有必要的。
　　表面一詞從工程學的角度，指的是物質暴露在空間與外界接觸的部分，如果從微觀的角度來表述，則是指固體表層一個或數個原子層的區域。由于位于表面的粒子(分子或原子)朝向空間或其他介質的面沒有鄰居粒子，使其物理性質和化學性質與固體內部明顯不同。從而出現一些特殊的性質。研究表面的這些性質，形成了一門科學，并產生出相應的技術，例如表面技術。當然，表面這個詞同時也可以指事物的外在現象，即所謂表面現象、表象等。
　　那什么是表面工程呢?表面工程是應用表面技術于產品的工藝和制程。也可以說是指利用各種工業技術改變物質表面的形態，使其符合預期效果的過程。這一過程也稱為表面處理。相應的表面處理的方法也被稱為表面處理技術，這些技術從大類上可以分為表面涂覆、表面改性和表面修飾等。
　　表面工程與人們的生產、生活息息相關?？梢院敛豢鋸埖卣f，現代制造涉及的所有產品都必須經過這樣或那樣的表面處理。沒有表面處理技術，就沒有現代制造。
　　我們日常生活中與表面工程直接相關的是各種各樣的表面裝飾技術。表面裝飾在裝飾產品和美化人們生活中起到了舉足輕重的作用。無論是金屬產品還是非金屬產品，包括家用電器、日用五金、健身器材、兒童玩具等等，都要用到各種表面裝飾技術。表面裝飾是表面工程中量大面廣的一個重要應用領域。典型的表面裝飾是顯示金屬質感和珍貴的裝飾鍍鉻。這是應用電鍍技術于金屬或非金屬表面的裝飾工程?，F代汽車從光亮鍍鉻鋁輪轂到ABS塑料鍍鉻裝飾條等，都一直采用這種技術，經久不衰，成為經典。至于各種色彩涂料的應用，就更是舉不勝舉，在大量產品中廣泛應用，特別是建筑和汽車，無不是裝飾涂裝重要的應用領域。成為現代社會亮麗的風景。
　　但是，表面裝飾只是表面工程的一個部分。表面工程還有一些更為重要的應用，例如表面腐蝕防護工程。
　　各種材料的腐蝕是看起來不起眼，深入考察卻令人驚心。就拿我們常見的金屬材料的腐蝕來說，我們只引用去年剛出版的一本書的前言，就已經足以說明問題：“銹蝕，被稱為”偉大的毀滅者”和”惡魔”。五角大樓稱之為”普遍而無所不在的威脅”。銹蝕毀壞了汽車，折斷了橋梁，沉沒了船只，引起了房屋的火災，差一點搞垮了自由女神像。美國每年為銹蝕付出四千億美元的代價，超過所有其他自然災害的總和……”。
　　這本書就是2015年3月出版的《生銹：長的戰爭》，作者為美國環境領域記者喬納森.沃爾德曼。這本書被《華爾街日報》評為2015年非虛構類佳圖書第八名。是以大量真實的生銹帶來的危害的故事普及防腐知識的科普佳作。從而提醒人們要極為重視腐蝕的防護工作，也就是重視表面防護工程的應用。
　　腐蝕給人類社會帶來的危害絕不只是金屬材料的毀壞，包括水泥、木材等各種非金屬材料，也深受其害。就是在太空和宇宙中，腐蝕也是危害航天的宇宙探索器材的恐怖殺手。因此，腐蝕學科和專業，一直是各國極為重視的領域和專業。幾乎所有理工大學和院校都設置有腐蝕與防護專業。
　　有了表面裝飾和防護這兩大重要領域，也還不是表面工程的全部。
　　表面工程還有一個更為重要的應用是對表面進行的功能性處理。也稱為功能性表面處理。這是運用表面處理技術，讓材料表面具備各種物理的或化學的性質的工程領域。例如功能性電鍍、功能性涂料等等。這種表面改性處理，不是為的裝飾表面，也不是或不只是為的提高表面的防護性能，而是要賦于表面一些基體材料所不具備的性質。從而使其表面具有電學的、磁學的、光學的、化學的、機械學、生物學的等等性質。從而使普通材料經過這類表面處理后，具有了稀有材料才具備的性質。其意義非同小可。僅以導電良好的銀為例，我們不可能全部用純銀來制作高導電要求的導線和電子器件，但是在銅、鋁等金屬表面鍍銀，就能使銅、鋁等具備有銀的導電性能。又如采用不銹鋼、鈦等金屬材料制作替代人的骨頭等的構件植入人體是現代醫學常用的手段。在這類材料表面形成與人體具親和作用的生物親和層是現代表面技術的一個重要分枝。顯然，我們都希望這個領域有長足的進步和發展。而這僅僅只是表面改性技術的一個很小的分枝。更多的應用在微處理技術領域、現代傳感器領域、微電子制造領域、納米技術領域等都極具重要意義。
　　后，表面處理技術中的有些專業技術，依據其原理，還發展成為直接制造產品或新材料的技術。典型的如印制線路板的制造、電鑄成型、芯片互連、納米材料制造、復合材料制造等等。顯示出新穎制造能力和創新活力。而這些制造過程都很精細、精密，有些直接就屬于微電子制造領域。
　　僅以印制線路板為例，現代所有電子產品都離不開印制線路板。而印制線路板的制造離不開電鍍技術。從早期的單層板到現在流行的多層板，從硬質的剛性板到柔軟的繞性板，在制造過程中都要用到電鍍、化學鍍、蝕刻、封裝等表面技術。
　　因此，為了全面表達表面工程所包含的所有應用領域，人們用表面精飾一詞來表述表面技術的應用。這時的精飾，不是指的裝飾，而是包括裝飾、修飾、防護、功能賦于和基于表面技術的精密成型。
　　表面工程與現代制造
　　我們在了解了表面工程在諸多領域的重要應用后。就可以想見其在現代制造中所具有的重要地位。顯然，無論是日用工業產品還是專業工業產品，從家用電器到兒童玩具，從交通工具到工作母機，從通訊器材到儀器儀表，所有工業產品在制造過程中，都要用到表面處理技術中的一種或幾種技術和工藝，以實現產品設計或市場需要的功能。可以說沒有表面工程，就沒有現代制造。
　　這些技術或工藝涉及產品的表面裝飾、產品在各種使用環境中的防護和特定要求的功能性的獲得等等。而這些表面技術在產品中的應用時，具體化為一系列表面加工工種或工藝。成為現代制造中的一個重要的這些工種或工藝，有些是我們熟悉的，有些則是大眾較少了解的。我們熟知的如涂料施工、熱處理、電鍍加工等，更多則是比較專業的表面工程技術，例如熱噴涂、真空鍍(物理氣相沉積、化學氣相沉積)、激光表面處理、離子注入、熱滲鍍、 刷鍍、化學鍍、電泳、轉化膜、分子膜技術等。
　　以激光表面處理技術為例，這是以激光束為能量對材料表面進行改性處理的新技術。包括激光熔融、激光表面強化、激光修復和激光催化等。這種表面處理技術特別適合針對特殊材料進行局部表面處理。因為激光束可以高速集聚高能量光束的同時，只在所掃描到的部位發生作用，不影響未掃描區的性能。并且可以通過電子計算機實現3D立體掃描，從而可以用于需要3D電子線路互聯的線路制造?，F在幾人人持有的手機中的內置天線，就是利用激光3D電鍍技術制造出來的。由此可見表面處理技術在現代制造產業鏈中所起到的重要作用。
　　但是，傳統的表面工程技術在應用過程中大多數工藝都涉及環境問題。這是因為表面處理所用的材料本身或工藝過程中都涉及各種化學品和有機物。這些物質在生產制造過程中所產生的廢氣、廢水和廢渣，如果隨意排放，對環境會帶來嚴重危害。并且在生產過程中對生產人員的身體，也構成威脅。因此，表面處理業是工業污染中比較突出的一個行業。這個行業在工業粗放發展時期，已經對環境造成污染，成為背在工業社會身上的一個沉重的包袱。因此，各國都制有嚴格的污染治理法律法規，對包括表面處理行業在內的所有有污染的行業實行嚴格的環境評價和準入制度，以保護越來越脆弱的生態環境。同時，開發和應用對環境友好的綠色表面處理技術與工藝，是表面精飾業需要持續追求的目標。
　　無可諱言，我國制造業大而不強的局面，在表面工程領域顯得更為突出。這是因為表面處理技術的原理在應用的過程中，對裝備有寬泛的適應性，使大量低端的、依靠人工操作的工藝，仍然有應用空間。這些傳統和落后的工藝，既對環境構成威脅，又產能低、能耗高，勢必被淘汰。而現代制造需要強大的表面處理業的支持，表面處理業所消減的落后產能，需要先進的產能替代和填補，這是我國制造業由大轉強過程中面臨的一個重要挑戰。也是表面工程業面臨的大挑戰。
　　表面工程與工業4.0
　　表面工程業所面臨的挑戰給行業帶來強大壓力的同時，也帶來了極大機遇。這是因為我國制造業開啟由大轉強戰略的時機，正好與發達工業體系向工業4.0過渡的時機重合。這使得我國從工業1.0時代以來一直處在落后地位的工業體系，有可能在這個拐點實現超車，從而與發達工業國并駕齊趨。表面處理業的轉軌變型正好趕上了這個機遇。
　　隨著工業4.0時代的來臨，一些新型智能工業產品進入市場。由自動控制和互聯網技術結合衍生出來的工業新產品層出不窮，從無人機到自動駕駛汽車到智能機器人等，大量改變傳統生產生活模式的新產品的更新換代將會是今后工業產品中的常態。而這些新產品無一例外地都要用到表面處理技術。例如沒有電鍍技術，這些現代電子產品的互聯互通就無法實現，一些功能就不能達致完美。
　　從市場的角度，國際和國內都已經有了明確的布局。一帶一路規劃所產生的產能需求應該是重要的出口機遇。國內個百年目標的實現，則需要國內產能的支持，這些都預示著良好的市場機遇。但是，這些機遇不是給落后產能的，是給先進生產力的。
　　在表面處理業自動化方面走在前列的是汽車工業的涂裝自動化。由于汽車大量采用機器手自動涂裝，為自動涂裝向智能化發展提供了良好的基礎。同時也為其他行業采用智能機器人提供了樣板。但是還有大量的產品的涂裝仍然在采用人工噴涂。替代人工的機器人的研發正在積極推進中。
　　表面處理業中另一個重要行業是電鍍行業。我國電鍍業的自動化程度相對較低，即使在實行電鍍工業園制度后，裝備仍然是一個瓶頸。園區提出的只有采用自動線生產的企業才能入園的標準，對推進電鍍業自動化方面有積極作用。但這些自動生產線嚴格來說仍然是半自動的。重要工藝參數的控制和原材料的添加，仍然需要人工操作。上下掛具也需要大量人工。因此，開展對電鍍生產所需要的智能機器人或智能電鍍生產線的研制，是行業面臨的重要課題。重要的不只是裝備的智能化，還有工藝的綠色化，即著力開發環境友好的綠色表面工程技術與工藝，淘汰污染環境和浪費資源的落后技術與工藝。針對這些課題做出規劃和投入，就有可能后來者居上，進入發展的快車道。
　　因此，工業4.0時代表面工程產業來說，確實是重要的發展機遇。當然，這先取決于是否夠有足夠的實力應對技術和環境提出的挑戰。
　　將落后的產能轉變為先進的生產力，就能抓住這次性工業轉型換代的跨世代機遇。而這個過程對于表面處理業來說，就是生產裝備的自動化和智能化。這對裝備落后的表面處理業既是挑戰也是機遇。只有使行業先向工業4.0的生產模式發展，才能為現代制造生產出智能化時代的產品。
　　更重要的，是這個機遇不只是一個行業的，也是全社會的。希望有更多的人關注表面工程行業，有更多學子學習和從事這個專業。有更多的單位和企業重視在表面工程領域的投入，包括科研機構和大專院校的相關專業，都可以從中開發出許多科研課題，從而為推動我國表面工程行業的由大轉強，進入智能化時代，做出貢獻。
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