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研究薄壁免噴塗聚丙烯保險杠材料可行性 [2015/1/27]

近年來,汽車制件薄壁化技術發展較為迅速,它不僅提升了操控性能,而且減輕了整車重量,降低了整車油耗,對汽車生産者來說還縮短了成型周期,降低了生産成本,在一定程度上推動了汽車工業的發展。

同時汽車制件免噴塗化也正蓬勃發展。它不僅滿足了不同的美觀需求,對汽車生産者來說還免去了噴塗工序VOC的産生,節約了成本且易回收,對環保作出了一定的貢獻。

保險杠是汽車上較大的外覆蓋件之一,作為一個獨立的總成安裝在汽車上,在整車結構中起裝飾和保護作用,在設計時保護作用需要放在首位,在此前提下再考慮裝飾作用。一般經濟環保型汽車多采用自身吸能的方式,在碰撞時利用泡沫材料或橡膠材料的變形吸收能量,起到保護翼子闆、散熱器、發動機罩和燈具等部件的作用。因此,不管是噴塗還是免噴塗保險杠,必須要有優異的高、低溫沖擊韌性,剛性、耐老化性、耐熱性、耐寒性,還應具有耐汽油、潤滑油、油漆等特性。

本文對薄壁保險杠和免噴塗保險杠分别進行了闡述,對薄壁免噴塗保險杠進行可行性研究,提出了一些薄壁免噴塗保險杠設計初期時的注意事項。

薄壁保險杠

目前,歐美系車的塑料件出于高安全系數的考慮,其典型壁厚基本定義為3.0mm,最低仍達到了2.8mm;而日系車的塑料件更多考慮到降低燃油消耗,它的多款設計的實際零件壁厚已經達到了2mm,且仍有下降趨勢,其材料多是與材料供應商同步開發。而已知的國内自主品牌汽車的塑料件的最薄壁厚為2.6mm。因此,這類經濟環保型汽車,面對日益激烈的價格競争,更需要加緊步伐,跟上日系車的改革步伐。

對于同一種材料,壁厚不同,收縮率會存在差異。圖1數據取自金發科技的牌号為ABP-2040 的材料标準樣闆,測試标準采用GB/T 17037.4-2003。由圖1可以看出,随厚度降低,材料的收縮率也在降低,且降低幅度趨于平穩,這對于模具設計初期模腔尺寸的确定及後續的生産過程控制是有利的。同時,若要與材料供應商同步開發此款材料,需要在模具開發前先定義好零件的壁厚。
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對于同一種材料,壁厚不同,緩沖系統的模态也會存在差異。圖2取自保險杠進行CAE模拟振動分析時的振動圖像及分析數據。由圖2可以看出,保險杠的厚度對緩沖系統模态的影響呈線性上升關系,即保險杠越厚,振動頻率越高,剛性越大。因此,在減薄保險杠厚度的情況下,需要大幅提高材料的剛性,使減薄可以在不降低保險杠剛性以保證安全系數的條件下順利進行。
對于減薄後的保險杠,我們希望它的安全系數至少與減薄前相當。因此我們最終還是需要根據它的零件試驗,來判斷剛性和韌性是否達标。

對于剛性,我們采用剛度計,按照以下方法進行實際零件的剛度測試。即選取合适大小的接觸直徑(一般選擇直徑為50mm的觸頭),在有突兀造型處施力,讀數,計算,得出剛度值。如圖3所示。
對于韌性,我們的評估方法是低溫落球試驗及整車撞擊試驗。低溫落球試驗即在-40℃的條件下存放4h後,以500g鋼球從1m高度落下,對剛性支撐的保險杠任意表面進行沖擊不允許出現破損現象;整車撞擊試驗需要滿足強制國标GB 17354-1998的規定。

另外,保險杠減薄後,在同樣的熔指條件下,熔體在模腔裡更容易凝固而導緻不斷補充的熔體難以繼續流動,很容易造成保險杠充填不滿,這也是我們需要從材料本身去解決的問題之一。

綜上,薄壁保險杠呈現的材料特性是高模量,高韌性,高熔指。其中高模量是為了滿足制件減薄後的剛性要求,高韌性是為了滿足零件碰撞或者模拟碰撞試驗的要求,這也是保證保險杠材料所固有的高韌性性能,另外,在壁厚減薄的前提下,材料的加工性能必然要求更高,這就更需要以高熔指作為必要條件,在保證外觀的前提下完成材料對模具的填充。因此,這種高模量,高韌性,高熔指材料的配方體系及潤滑體系需要同時朝着這三個方向發展。一般來說,比較起常規保險杠材料,在減薄率達到10%的情況下,材料單價成本約提高30%,總體成本約提高7%。

免噴塗保險杠

傳統保險杠為了美觀與奢華,常采用噴塗處理工藝實現保險杠的不同效果和質感,經噴漆處理的保險杠既容易實現不同顔色之間的相互配合,使之與汽車車身同色,在外觀上更加具有整體感,色澤更加豔麗明亮,還可以掩蓋塑料表面的花紋或劃傷等缺陷,提高合格率。另外,保險杠外部的漆膜保護層還可以提高表面硬度,使保險杠的耐候性、耐水性、耐油性、耐化學藥品性和防塵性得到大幅提高。

然而, 噴塗保險杠的缺點也不少。首先,對于汽車生産者來說,它需要設置噴塗生産線,工藝複雜,工序多,且PP材料本身是一種非極性高聚物,表面張力低,即使用EPDM進行改性也隻能改善其抗溶劑性,而不能從根本上增強表面張力,提高基材與塗膜的黏結性。因此噴漆前還必須對基材進行一些适當的化學方法前處理,如化學浸蝕,化學氧化,表面接枝反應,輻射反應及等離子體聚合反應,或采用火焰法,電暈法,等離子體法,離子束法,紫外線法,激光法及X射線法等物理方法進行前處理。目前最普遍采用的是火焰法,即用火焰的藍色氧化焰部分接觸PP保險杠的材料表面,使高達1100~2800℃的火焰溫度造成PP表面進行脫氫和氧化反應生成氨基、羟基、羧基等含氧極性基團和不飽和雙鍵,增加表面極性,提高表面能。另外,在整個噴塗工藝過程中,産生VOC污染環境,而且對于噴漆件的不良品回收目前因成本偏高比較難實現。
免噴塗保險杠可以避免以上問題,也免去了有關油漆的諸多試驗,但對本體的要求提高了很多,尤其是耐刮擦性和耐老化性。在耐刮擦方面,一般采用十字刮擦儀,選擇10N的壓力,保證△<2;在耐老化性方面,需要一系列老化測試進行約束,例如大衆體系某車型需要滿足的測試有:交變氣候測試(PV2005),幹熱耐候性測試(PV3929,1500h),濕熱耐候性測試(PV3930,1600h),熱老化測試(90℃ 500h)以及濕熱老化測試(42-48℃ RH95-100%環境下168h),比較起噴塗保險杠的原材料來講,成本提高率約有50%。

金屬效果在展現美觀與奢華的效果方面為大多數汽車生産者所青睐,目前已經成熟應用的免噴塗的、具有金屬效果的PP、ABS有:汽車保險杠護闆、導流闆、裝飾件、引擎罩蓋。
為達到金屬效果,免噴塗保險杠配方裡可以添加金屬粉,例如一款銀白色免噴塗的材料配方為1.0%金屬粉+0.2%色粉(圖4左),一款銀灰色的配方為0.3%金屬粉+0.3%二氧化钛+0.04%炭黑薄壁免噴塗保險杠及設計初期注意事項

薄壁對材料提出高模量,高韌性,高熔指的要求,而免噴塗對材料提出耐刮擦和耐老化性的要求,兩者在滿足材料性能要求方面并無矛盾,因此兩者同時在保險杠上實現初步估計是可行的。

有關研究表明,在注塑工藝中,若對模具采取激冷激熱的工藝方法,薄壁保險杠的外觀光澤度将會有極大改善,同時在此前提下,免噴塗的缺陷将同時被掩蓋,機理就在于當模具激冷時,填充的金屬粉末快速冷卻凝固在型腔裡,極大程度上減少了後續熔體對其沖擊的影響。
另外,薄壁免噴塗保險杠還對保險杠設計,模具設計及注塑工藝提出了要求。例如,為避免應力集中,使沖擊承受力提高,保險杠設計時形狀應是流線型,沒有尖銳轉折,背面應沒有筋位、字模、卡勾等裝配結構配置在制件邊緣;液位計液位變送器為便于熔體流動,澆口應開成大扇形澆口且熱流道需要采取順序閥進膠;為避免出現金屬帶,注塑時各段充填的速度應均衡。

結論

薄壁和免噴塗薄壁性能對材料提出高模量、高韌性、高熔指的要求,而免噴塗性能對材料提出耐刮擦和耐老化性的要求。兩者在滿足材料性能要求方面并無矛盾,實現薄壁免噴塗保險杠材料設計方案是可行的,值得進一步進行試制研究。

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