儀表板超薄表皮注射成型工藝優(yōu)化研究

楊燕燕，成 薇，向良明，周淑淵

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車內(nèi)飾在追求高品質(zhì)豪華感的同時，也有很大的成本壓力，表皮成型工藝對于軟質(zhì)內(nèi)飾件（汽車的儀表板，門飾板等）的覆皮，是一種不可缺少的工藝。有很多汽車內(nèi)飾件需要使用表皮成型技術(shù)，例如儀表盤、手套箱、門飾、儲物箱、扶手等。表皮塑件的成型有多種形式，有通過采用現(xiàn)成的表皮卷材裁切而成，也有通過模具成型的方式獲得。

2 表皮成型工藝

2.1 傳統(tǒng)表皮成型工藝

在表皮成型的方式中，搪塑成型和IMG真空成型是目前表皮成型市場的主流趨勢，其中歐系車儀表板大部分采用PVC搪塑成型，日系和韓系車儀表板多數(shù)采用IMG 真空成型，而目前奔馳、路虎等大部分高端車型則主要采用真皮包覆的形式。

（1）搪塑成型。搪塑成型技術(shù)工藝簡單，是目前應(yīng)用較廣泛、較成熟的汽車內(nèi)飾件覆皮工藝技術(shù)。搪塑生產(chǎn)工藝是把帶有皮紋的成型模具（一般使用鎳制外殼）進(jìn)行加熱，在模具與搪塑粉箱連接后旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)和加熱同時進(jìn)行，搪塑粉箱內(nèi)的原料粉末靠自重落入模具中融化，在熱模的表面形成一層帶皮紋的且形狀與模具一致的表皮，之后取下粉箱，再待模具冷卻后取下制得的表皮。搪塑成型的材料主要使用PVC（聚氯乙烯）、TPU、TPO 等。目前在中國的汽車行業(yè)內(nèi)，PVC 搪塑表皮成本低廉，被廣泛應(yīng)用在各種中高檔車型的儀表板上，幾乎超過90%的中高檔車型采用了PVC材料，但PVC的環(huán)保方面的不足及低溫脆性一直為行業(yè)內(nèi)人士所詬病。

（2）IMG（型腔真空成型）。IMG成型技術(shù)，是使用刻有皮紋圖案的型腔，將不帶皮紋的膜料在模內(nèi)成型出內(nèi)飾件形狀的帶皮紋的表皮，或者在成型出帶皮紋的表皮后在機(jī)器的同一工位將該表皮真空吸附在基材上，從而生產(chǎn)出所需的零件。目前越來越多的廠家在IMG 成型時采用TPO 的表皮。由于TPO 片材的表面是沒有皮紋的，所以要在TPO 的表面制造皮紋，就要在吸塑過程中通過吸塑而成型在表皮上。

目前常用的這兩種表皮成型方法都有一定的局限性，專有設(shè)備、工序復(fù)雜、周期長、價格昂貴。尤其是這兩種表皮成型工藝所使用的模具是一種鎳殼模具，這種模具至今仍被國外技術(shù)壟斷，是一項(xiàng)無法突破的技術(shù)壁壘。

2.2 表皮注射成型工藝

在這種情形下，結(jié)合常規(guī)的注射成型工藝與表皮粒子材料，提出采用將表皮粒子熔融至一定溫度之后，利用成型機(jī)壓力驅(qū)動注射成型的一種表皮注射成型方法。不同于上述傳統(tǒng)的表皮成型工藝，主要為利用現(xiàn)有的注射成型設(shè)備，在不產(chǎn)生額外設(shè)備費(fèi)用的前提下，生產(chǎn)黏性更大、尺寸更大、厚度更薄的彈性體。

傳統(tǒng)的彈性體塑件在汽車上使用較少，其塑件厚度一般為2.0～3.0mm，例如杯托墊等，本論文研究的薄壁塑件設(shè)計壁厚為0.9mm，使用這種注射成型方法制造薄壁表皮的工藝目前尚未在量產(chǎn)車上大量使用。

3 研究對象

儀表板表皮作為汽車內(nèi)飾最主要的部件，是提升內(nèi)飾高品質(zhì)感的重要組成部分，往往覆蓋整個儀表盤，也是汽車塑件中最大的表皮類塑件。傳統(tǒng)的通過成型獲得的儀表板表皮塑件厚度多為1.0～1.2mm。

本文的研究對象外形尺寸為（見圖1）：1,472×99×72mm（BLB56667），設(shè)計壁厚為0.9mm，相對均勻，屬于極大又極薄的塑件類型。

圖1 儀表板表皮

4 超薄表皮注射成型設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

一般的塑件設(shè)計時，默認(rèn)狀態(tài)下開模之后塑件留在型芯側(cè)，如果定模側(cè)有倒扣，需要在定模側(cè)設(shè)置滑塊（slide），這樣在塑件定模面會有一條很明顯的分型線，如圖2所示。

圖2 常規(guī)塑件設(shè)計

而通常儀表板表皮塑件的邊界環(huán)境復(fù)雜，定模側(cè)面會有較多的倒扣產(chǎn)生。如定模面有分型線，則會嚴(yán)重影響儀表板表皮的感官質(zhì)量。為此，本文在進(jìn)行表皮塑件可行性分析時，確定表皮塑件倒扣的部分不做滑塊處理，殘留在模具的定模側(cè)，在一定的壁厚范圍內(nèi)對塑件倒扣部分做增加肉厚處理（見圖3）。由于較厚的壁厚會引起縮印，影響外觀品質(zhì)，所以要根據(jù)塑件的材料性能、成型條件，平衡壁厚避免縮印的發(fā)生。

圖3 表皮注射成型塑件設(shè)計

根據(jù)上述原理，設(shè)計其特有的塑件斷面如圖4所示。

圖4 表皮板表皮結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.2 高流動性材料

一般大型塑件的壁厚在2.5mm左右，壁厚最薄的塑件也在1.8mm 以上。本文研究的塑件厚度0.9mm。模具腔體空間薄至0.9mm，樹脂流動的阻力會急劇增加。為了塑件的成型性，選在材料時需要選擇高流動性的材料，則需要降低材料的粘度，還需要平衡表皮硬度等機(jī)械性能。本工藝用于薄壁注射成型工藝材料，常規(guī)的材料難以實(shí)現(xiàn)，本工藝選擇TPE，為了通過薄肉注射成型實(shí)現(xiàn)大件的安裝面板表皮具有高流動性，為了達(dá)到某些部件要求性能，研究設(shè)定了滿足生產(chǎn)性能和性能要求的材料開發(fā)目標(biāo)值。

MFR 指數(shù)為熔體流動速率，原稱熔融指數(shù)，其定義為：在規(guī)定條件下，一定時間內(nèi)擠出的熱塑性物料的量，也即熔體每10min通過標(biāo)準(zhǔn)口模毛細(xì)管的質(zhì)量，用MFR 表示，單位為g/10min。MFR 指數(shù)是標(biāo)識材料流動性的一個重要指標(biāo)。圖5所示是不同材料的熔融指數(shù)，從圖5可以看出，選擇的注塑TPE材料的熔融指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的PP、ABS 材料，以及用于薄壁注塑PP材料。

5 超薄表皮注射成型工藝優(yōu)化

5.1 填充分析優(yōu)化

本文研究的這種超大又超薄的表皮塑件，不同于普通塑件。如果是普通注射成型材料，若其流長比為250mm，這長度為1,472mm 的塑件可采用6～8 個澆口較為適宜。但是本塑件雖然已經(jīng)選取了流動性相對較高的材料，但是TPE材料在0.9mm的腔體內(nèi)流動，所受的阻力依然極大，是否可以較好的填充滿塑件以及降低注射壓力，依然是成型面臨的首要問題。增加澆口數(shù)量以及增加澆口部位的尺寸是保證填充降低壓力采取的主要措施。在前期分析中，通過分析不斷優(yōu)化，最終選取了14點(diǎn)的澆口方案，如圖6所示，不僅為了保證TPE材料快速均勻的填充進(jìn)塑件腔體，而且為了保證塑件表面沒有影響外觀質(zhì)量的熔接痕。在澆口設(shè)計上采用熱流道順序閥的方式，澆口直徑為φ5.0mm，如圖7所示。由于澆口無法直接點(diǎn)在塑件的外觀面上，所以本塑件澆口中的G4、G6、G8、G10所在的位置為塑件后期需要剪切的部位，其余澆口均布置在塑件的外圍。

圖5 不同材料的熔融指數(shù)

圖6 澆口位置

圖7 澆口

為了保證塑件填充、流動平衡、壓力均勻，研究分析了兩種不同的澆口開啟方案：方案一，從塑件的中間向兩側(cè)推進(jìn)，首先打開G6，再順序打開其他澆口，如圖8所示；方案二，從塑件的一側(cè)推向另外一側(cè)，如圖9所示；從圖8、圖9的等值線結(jié)果可以看出，方案一存在壓力大，打不滿的風(fēng)險，圖示區(qū)域內(nèi)等值線顯示填充時存在滯留和競流，塑件大面有色差風(fēng)險；另外其他大面區(qū)域也存在流動不均勻平衡的問題。而方案二則相對等值線均勻，不存在打不滿壓力大的風(fēng)險。經(jīng)過分析，最終選擇方案二，采用從塑件的一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)的原則，G1 首先開啟，然后依次打開G2、G3等澆口；G11、G12作為料流末端的保壓用澆口。

圖8 澆口開啟方案一

圖9 澆口開啟方案二

實(shí)際試模中，采用上述的澆口方案二，使用2,500t 的注塑機(jī)，設(shè)定注塑壓力為100～110MPa，得到圖10所示的儀表板表皮，塑件飽滿無飛邊，無明顯熔接線，無鎖模力不足，壓力過大的現(xiàn)象。

5.2 壁厚與注塑壓力

TPE是一種彈性體材料，材料特性決定其在出模冷卻之后有一定的膨脹率，設(shè)計厚度為0.9mm表皮的實(shí)際厚度會隨著材料膨脹率的變化而變化，所以對于表皮注射成型實(shí)際塑件的壁厚控制尤其重要。

針對該塑件，進(jìn)行了3 輪（Round 1、Round 2、Round 3）的試模驗(yàn)證，其中Round 1與Round 2的主要區(qū)別在澆口方式，一種為開放式，一種為順序閥；Round 2與Round 3都采用順序閥，其區(qū)別在模具溫度/材料溫度/順序閥時間等工藝參數(shù)的調(diào)整如表1所示。

表1 試模工藝參數(shù)調(diào)整

經(jīng)過試模得到實(shí)際樣件后，對Round 1、Round 2、Round 3 的樣件取點(diǎn)進(jìn)行壁厚測量，得出Round 1、Round 2、Round 3 塑件的壁厚相關(guān)參數(shù)如表2 所示，以及各個塑件的壁厚分布散點(diǎn)圖如圖11 所示，從中可以得出：

表2 壁厚試模驗(yàn)證表

圖11 壁厚分布散點(diǎn)圖

（1）Round 1/2/3壁厚的趨勢基本一致，Round 3平均值為1.02mm，壁厚膨脹率明顯優(yōu)于Round 1、Round 2。

（2）工藝參數(shù)對塑件壁厚的影響很大，僅調(diào)整工藝參數(shù)，壁厚的變化范圍約0.11mm。

（3）表皮塑件的壁厚公差范圍大于普通PP塑件。

由上還可以得出，工藝參數(shù)中的注射壓力是影響實(shí)際塑件壁厚的主要因素。Round 3調(diào)整澆口針閥開啟及關(guān)閉順序及時間，獲得了較小且平衡的注塑壓力，從而獲得了最優(yōu)塑件。根據(jù)試模數(shù)據(jù)，可以得到注射壓力與壁厚的關(guān)系如圖12所示，隨著注射壓力的增大，塑件壁厚膨脹率會越大，從而導(dǎo)致塑件壁厚增大。為獲得較好的塑件壁厚，在填充過程中，需要確保塑件所有部位的壓力不高于110MPa。

圖12 壁厚膨脹率與注塑壓力的關(guān)系

6 塑件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用上述優(yōu)化方案，實(shí)際試模生產(chǎn)出儀表板超薄表皮，并針對該塑件進(jìn)行了子系統(tǒng)需求的各項(xiàng)試驗(yàn)。其中，對表皮質(zhì)量要求較高的氣囊弱化試驗(yàn)中，尚未出現(xiàn)塑件不良現(xiàn)象。圖13所示為氣囊弱化后的儀表板表皮塑件狀態(tài)。

圖13 氣囊弱化后的儀表板表皮

7 結(jié)論

采用新型注射成型工藝成型出儀表板超薄表皮，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料選擇、基于虛擬模擬的流動分析、以及后續(xù)的實(shí)際試模等，對其成型工藝及疑難問題進(jìn)行總結(jié)研究。試驗(yàn)驗(yàn)證，超薄表皮具有良好的可制造性，可滿足試驗(yàn)要求。對類似塑件的量產(chǎn)可行性具有一定的指導(dǎo)意義。