新材料与工艺手册

[车身轻量化] 汽车前端模块微发泡注塑成型技术基础研究

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发表于 2019-8-26 11:29:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车轻量化在线】摘要: 为实现汽车轻量化,选择前端模块原材料长玻纤增强聚丙烯复合材料(PP-LGF),采用超临界(N2)微发泡成型工艺注塑样板,对汽车前端模块微发泡注塑成型技术进行基础研究,结果表明:发泡率为10%时PP-LGF注塑样件的均匀程度较好;增加玻纤含量可以提升样件的力学性能;高温环境下PP-LGF样件的力学性能下降;纤维方向对样件力学性能影响较大,且纤维方向为0°时样件力学性能最优。
关键词: 前端模块 微发泡 发泡率 力学性能 纤维取向
1 前言

汽车产品的平台化与模块化应用越来越多,集成度越来越高,汽车前端模块是其中的典型产品之一。前端模块总成一般集成了前端模块骨架总成、前照灯、喇叭、散热器及风扇总成、冷凝器、中冷器、前防撞梁、前防撞块、发动机罩锁等零部件[1]。

汽车轻量化技术要求既要减轻汽车自身的质量,又要保证汽车行驶的安全性、抗撞性、抗振性及舒适性,材料轻量化、工艺轻量化以及结构轻量化是实现汽车轻量化的主要技术路线[2-3]。

微发泡(MuCell)技术源于美国麻省理工大学,经过30多年的研究与发展,微发泡成型技术已经成为一项成熟与完善的技术[4-5]。微发泡注塑成型的产品有许多优点,如节约原材料和能源、实现产品轻量化、缩短循环利用周期、提高产品的尺寸稳定性、延长疲劳寿命、提供断裂韧性等[6-8],因此该技术被广泛应用于工业生产中。微发泡成型工艺的基本原理为利用热力学不稳定性形成精细的微孔。微发泡注塑成型包括气体溶解、成核、气泡增长和成型等过程,均在注塑机内完成的。微发泡成型工艺包括物理发泡和化学发泡,物理发泡通常采用超临界流体(主要为CO2和N2)注射到注塑机料筒中并溶解到聚合物熔体中,因此也称为超临界微孔发泡成型[9-10]。

长玻纤增强聚丙烯复合材料(Long Glass Fiber Reinforced Polypropylene,PP-LGF)塑料在前端模块上的应用使得前端模块的质量大幅度减轻(相对于金属材料的前端骨架)。如果将超临界微发泡注塑成型工艺应用于前端模块的成型,轻量化效果将更加明显。为此,本文展开汽车前端模块微发泡注塑成型基础技术的研究与开发。

2 试验
2.1 试验材料

试验采用长玻璃纤维含量为30%、40%的PP材料(PP-LGF30、PP-LGF40),与目前汽车前端模块使用的材料一致。试验用发泡剂采用超临界氮气(SCF-N2)。

2.2 试验设备

试验采用SA900型注塑机、FPC-I/N2型超临界注气系统、HZF-A600型电子秤和XWW-10A型拉伸强度测试设备。

2.3 前端模块微发泡成型基础工艺

前端模块微发泡注塑成型工艺,指在产品注塑过程中添加N2或CO2(超临界流体)与PP-LGF进行混合产生单相熔体,注塑后在模具型腔内进行发泡,通过设备精准地控制超临界流体用量,实现工艺稳定控制。采用微发泡注塑成型技术可以实现产品轻量化,降低体积收缩率,和模具锁模力,缩短产品成型周期。

前端模块微发泡注塑成型基础工艺研究,即采用PP-LGF材料通过注塑标准样件或者特定的样板,研究PP-LGF的注塑工艺及样件的发泡情况、力学性能等。本文即通过注塑样板研究PPLGF微发泡注塑成型基础工艺,为前端模块微发泡成型工艺的应用进行前期基础与理论研究。

2.4 测试与表征

2.4.1 注塑样板

为了进行前端模块微发泡注塑成型基础工艺的研究,本文设计如图1所示的PP-LGF微发泡成型样板。注塑样板规格尺寸为356 mm×100 mm,壁厚3 mm。

图1 注塑样板设计

2.4.2 发泡均匀程度

本文研究注塑0、10%、15%3种发泡率的样件,为了分析发泡率不同时注塑样件发泡的均匀程度,将注塑样件裁剪为10段,如图2所示,分别测量每段的质量,通过注塑样件的质量分布分析其发泡均匀程度。

图2 样件裁剪

2.4.3 力学性能

为了测试PP-LGF微发泡注塑成型样件的力学性能,本文分别在23℃、85℃的环境温度下利用万能材料试验机进行拉伸试验,测试微发泡成型样件常温与高温时的拉伸性能,以评价其力学性能。

2.4.4 纤维方向

为了分析纤维方向对PP-LGF微发泡注塑成型样件力学性能的影响,在注塑样板上裁切与纤维分布方向呈不同角度(0°、45°、90°)的哑铃型拉伸样件,然后进行拉伸测试,如图3所示。

图3 不同纤维方向的样件测试

3 结果与讨论

3.1 发泡率的影响

采用汽车塑料前端模块常用的原材料PPLGF30和PP-LGF40注塑如图1所示的样件,按照2.4.2节所述方法对样件裁剪进行质量测试,得到如图4、图5所示的结果。分析数据可知:当PPLGF不发泡时(发泡率为0),LGF含量越高,PPLGF所注塑成型的样件质量越大,PP-LGF40较PP-LGF30的注塑成型样件质量增加了约6%;相比PP-LGF不发泡注塑成型的样件,采用微发泡成型注塑的样件质量显著减轻,发泡率为10%、15%时样件的质量分别减轻约11%、19%;发泡率为10%时PP-LGF所注塑的样件的均匀程度明显优于发泡率为15%的样件。

图4 PP-LGF30不同发泡率的样件质量

图5 PP-LGF40不同发泡率的样件质量

3.2 LGF含量的影响

选择汽车塑料前端模块常用的原材料PPLGF30和PP-LGF40,采用微发泡成型工艺注塑如图1所示的样件,按照2.4.3节所述方法在23℃环境下开展拉伸试验测试其拉伸强度,得到如图6、图7所示的结果。分析数据可知:发泡率越低,样件的力学性能越好;发泡率相同时,LGF的含量越高,PP-LGF所注塑成型样件的力学性能越好,即无论是否采用微发泡技术,增加LGF的含量可以提升样件的力学性能。

图6 PP-LGF30注塑样件常温力学性能

3.3 温度的影响

由于汽车发动机舱内热量较多,前端模块所处的环境温度较高,因此在85℃环境温度下进行拉伸试验测试样件的力学性能,得到如图8、图9所示的试验结果。分析图8、图9中的数据,并与图6、图7中的数据进行对比分析可知:相比于常温环境,PP-LGF注塑成型的样件(不发泡和发泡)在高温环境下力学性均明显下降;随着发泡率的增加,高温、低温环境下样件的力学性能均降低。

图7 PP-LGF40注塑样件常温力学性能

图8 PP-LGF30不同发泡率注塑样件高/低温测试对比

3.4 纤维方向的影响

在LGF增强PP树脂基复合材料内,纤维一般假设为不可弯曲的棒状体[11],纤维取向是决定采用这种材料的产品力学性能的重要因素。因此采用如2.4.4节所述的方法通过常温拉伸测试研究纤维取向对样件力学性能的影响,得到如图9所示的试验结果。分析数据可知:不同发泡率条件下,LGF的纤维方向为0°时样件的力学性能明显优于纤维方向为45°、90°时样件的力学性能;纤维方向不同,样件力学性能的优次顺序为0°方向的样件>45°方向的样件>90°方向的样件,且LGF的纤维方向为0°时样件的力学性能明显优于其他纤维方向样件的力学性能;改变发泡率,纤维方向对力学性能的影响规律不变。

图9 PP-LGF30发泡样件测试结果

4 结束语

本文将微发泡注塑成型引入到汽车塑料前端模块的成型工艺中,选择前端模块常用的原材料PP-LGF注塑样件,探索LGF含量、发泡率、温度、纤维取向等对样件性能的影响,研究得到以下结论:

a.LGF的含量对PP-LGF微发泡成型的轻量化效果有较大的影响;发泡率对产品的发泡均匀程度有一定的影响,而LGF的含量对发泡均匀程度影响程度很小。发泡率为10%时,PP-LGF所注塑的样件的均匀程度较好。

b.LGF的含量对样件的力学性能影响较大,LGF的含量越高,PP-LGF所注塑成型的样件的力学性能越好。

c.温度对PP-LGF样件的力学性能影响较大,高温环境下无论是否发泡,样件的力学性能均明显下降。

d.纤维方向对PP-LGF样件的力学性能影响较大,纤维方向为0°时样件的力学性能明显优于纤维方向为45°、90°时样件的力学性能。


来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:刘松高 曹勇 王琛 孙佳慧 郝旭飞
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广州 511434)


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