新材料与工艺手册

[车身轻量化] 基于轻质热塑性增强材料的包裹架护板开发

0
回复
141
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2019-9-9 10:52:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
【汽车轻量化在线】摘要:为降低乘用车整车装备质量、提高燃油经济性,研究了以轻质热塑性增强材料(LWRT)作为基板所开发的包裹架护板的材料性能、成型工艺影响因素及设计注意事项等内容,结果表明,试样产品降重约20%,并能够满足产品使用要求,可为后续包裹架护板设计研究提供参考。
关键词:轻质热塑性增强材料 轻量化 包裹架护板
1 前言

汽车轻量化是实现节能减排、提高燃油经济性、满足国家法规要求的重要途径。设计轻量化、材料轻量化、工艺轻量化等方式是实现汽车轻量化的有效手段。热塑性复合材料凭借其生产效率高、环保、可回收等优势成为汽车行业轻量化材料应用的热点。其中,轻质热塑性增强材料(Lightweight Reinforced Thermoplastic,LWRT)以其质量轻、机械性能优异、成型工艺简单、具备吸音降噪功能等优势,近年来已逐步规模化应用于国产自主汽车内、外饰部件。本文主要介绍了LWRT材料在包裹架护板上的应用,并针对其设计开发、生产制造、制品性能等方面开展研究,以开发出轻量化效果佳、力学性能达标、吸音效果好的包裹架护板。


2 轻质热塑性增强材料

LWRT的主要组成部分为PP纤维与玻璃纤维,较为常见的有添加30%、45%玻纤等几种材料。其结构以PP纤维和玻璃纤维通过针刺工艺形成核心层,外表面为无纺布多层复合材料,且上、下表面可以增加织物或者粘合胶膜作为功能层。LWRT的生产制造工艺分为湿法与干法两种:湿法工艺采用泡沫作为分散相,玻璃纤维分散性及浸润性好,但生产能耗大且可能造成环境污染;干法工艺通过将玻璃纤维和聚丙烯纤维混合成均匀蓬松的毡材,加压固结成型,环境污染小。两种工艺条件生产的LWRT面密度一般为300~2 000 g/m2,根据样板成型后的厚度不同,体积密度可在0.2~0.8 kg/m3范围内调节。相比于其替代的原部件材料,例如注塑聚丙烯、传统玻璃纤维增强的热塑性聚合物(Glass Mat-reinforced Thermoplastics,GMT)、木纤维板等可实现约20%~30%的轻量化效果。本文所制备的包裹架护板采用某干法制造工艺的LWRT片材作为部件基板。

图1所示为LWRT的干法成型工艺流程。首先将经过改性的PP纤维与玻璃纤维切断成要求长度,经过梳理机开松,并通过气流成型制备成均匀、厚度稳定一致的蓬松纤维层,而后通过针刺工艺在纤维层间形成相互缠结的微观结构,然后将针刺成型的纤维毡加热到聚丙烯熔点以上,并加压形成易于堆叠储存的LWRT片材。同时,在加压成型中可以附加如PE胶膜、无纺布等功能性材料。

图1 LWRT板材干法成型工艺流程

LWRT与GMT材料均通过模压成型,但LWRT成型过程中并未同GMT成型一样有显著的材料流动,故其材料基板面积需大于模具面积,且成型深度、拔模角度等相比于GMT受限。以包裹架护板设计为例,一般建议LWRT作为基板的成型深度不超过70 mm,拔模角度最好大于10°,且圆角不小于10 mm,但同时还需兼顾包裹架护板外露面材料的成型性能。


3 包裹架护板功能及结构

包裹架护板又称为衣帽架,是汽车后排座椅与后风窗玻璃之间的内饰零件,在三厢车中其固定于包裹架上部,起到遮挡金属包裹架及为钣金上集成的其他功能件提供遮蔽和通道的作用,另外也担负减少行李箱内噪声向乘员舱传递的作用[1]。同时,包裹架护板也提供放置物品的功能,例如衣物、装饰品等具有一定质量的物品。因此,包裹架护板要保证A级外观、满足承载刚度以及VOC等相关制品要求。

本次开发的包裹架护板X方向长度560 mm,Y方向长度1 350 mm,Z向高度95 mm,包裹架护板本体基本料厚为4 mm。包裹架护板上集成了扬声器格栅、儿童座椅锚点装饰盖、后排安全带卷收器装饰盖、高位制动灯、线束等部件,通过热熔胶粘、卡接、超声波焊等方式连接,包裹架护板B面粘接有聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)吸音毡,两侧与中间分布4个聚氨酯(Polyurethane,PUR)支撑块以保证装配刚度,如图2所示。


4 包裹架护板生产工艺

首先将根据零件尺寸裁切后的LWRT板材通过红外加热或平板加热台进行预热,预热温度和时间根据板材厚度、面密度在190~210℃范围内调节,预热后的LWRT片材将蓬松至板材初始厚度的3~5倍,片材蓬松的主要原因为生产过程中因针刺、加压成型产生大量积蓄弹性势能的弯曲玻璃纤维,片材预热至约200℃时其中的PP纤维熔融,弯曲的玻璃纤维因纤维层间形成相互缠结的微观结构破坏而释放弹性势能,促使片材膨胀,图3所示为LWRT加热膨胀机理示意。

图2 包裹架护板示意

图3 LWRT加热膨胀机理

将加热蓬松后的片材转移至模具内,并覆盖针织或无纺布等外露功能层,合模成型;将成型的样件转移至修切工装内,进行零件的冲孔操作;在包裹架护板本体上装配吸音毡、减震块、塑料卡爪等附件,形成包裹架护板总成。图4所示为包裹架护板本体成型工艺示意,图5所示为包裹架护板生产线布局示意。成型工艺可根据产品批量节拍和自动化需求的不同增配机械自动化夹取设备。

5 材料性能比对5.1 机械性能

采用标准裁刀在成型后的包裹架护板基板上裁切试样。包裹架护板成型压力为20 MPa,保压时间30 s,每组测试制备5个试样,测试后取平均值。考虑实际车用包裹架护板材料应用,选取LWRT片材面密度分别1 200 g/m2、1 400 g/m2、1 700 g/m2、2 000 g/m2。

图4 包裹架护板本体成型工艺示意

图5 包裹架护板生产线布局示意

拉伸性能测试:采用Zwick Z010电子万能拉力机,按GB/T 1040.4—2006《塑料拉伸性能的测定第4部分:各向同性和正交各向异性纤维增强复合材料的试验条件》进行试验,试验速度5 mm/min。弯曲性能测试:采用Zwick Z010电子万能拉力机,按GB/T 9341—2008《塑料弯曲性能的测定》进行试验,试样跨距为试样厚度的16倍,试验速度为2 mm/min,压头半径为5 mm。

图6、图7分别为在厚度为4 mm的条件下,不同面密度与LWRT拉伸性能和弯曲性能的关系。由图6、图7可知,LWRT的拉伸性能和弯曲性能随面密度的增大而提高。该变化规律的主要原因是在厚度固定的前提下,面密度越大则单位体积内玻纤含量越高,且片材孔隙率越小,力学性能越好。

图6 面密度与拉伸性能的关系

5.2 制品刚度性能

为探究不同面密度的包裹架护板在装配条件下是否满足其功能强度要求,对在同一生产工艺条件下的4种面密度包裹架护板进行刚度性能测定,试验设备采用数显式推拉力计和分度值为0.01 mm的千分表。将包裹架护板装配总成固定于装配检具上,取包裹架护板中心点为刚度性能测试点,以直径为15 mm的压头在中心测试点上施加49 N的Z向压力,计算千分尺两次读数差值。包裹架护板中心点变形量如表1所示。由表1可知:随着面密度的提高,包裹架护板刚性逐步提高;面密度在1 200 g/m2至1 400 g/m2范围内变化时,变形量基本趋于稳定,刚度性能提升不明显;当面密度由1 400 g/m2提升至1 700 g/m2时,包裹架护板的变形量有较明显的降低;总体上,4种面密度的片材压制的包裹架护板刚度性能测试点变形量均满足不大于6.5 mm的设计要求。

图7 面密度与弯曲性能的关系


表1 不同面密度下包裹架护板的刚度性能

5.3 挥发性能

为了考察LWRT片材作为包裹架护板的内饰挥发性能是否达标,选取面密度为1 400 g/m2的片材作为测试对象,分别采用分光光度法、气相色谱法测定甲醛散发量、总碳含量。测试结果为甲醛散发量小于3 mg/kg,总碳含量为2.42μg/g,挥发性能满足要求。


5.4 NVH性能

包裹架护板作为内饰中的重要声学部件,其NVH性能也是产品设计过程中需要重点关注的问题。LWRT片材因具有多孔型结构,声波传递至片材表面时,部分声波被反射,其余声波穿透至片材内部,在孔隙与玻纤所形成的三维立体网状结构中传递,部分声能转变为热能从而可降低从片材内部穿透过的声能[2]。隔声量定义为:


式中,W1为入射声功率,W2为透射声功率。

采用GB/Z 27764—2011《声学 阻抗管中传声损失的测量传递矩阵法》测量4 mm厚度的4种不同面密度的LWRT片材在不同频率下的隔声性能,声波垂直入射于片材表面,试样片材裁切于包裹架护板中部平整区域,结果如图8所示。

图8 不同面密度下LWRT片材隔声性能比对

由图8可以看出:LWRT片材在低频段(200~800 Hz)呈现隔声量逐步下降的趋势,且隔声量相对较小,主要原因为结构产生共振;随着声波频率由800 Hz提高到3 150 Hz,4种面密度的LWRT片材隔声效果均不断提高,在3 150~4 000 Hz频段内达到最大隔声效果,符合隔声量随声波频率提高而增大的规律;声波频率位于800~4 000 Hz段时,面密度为1 400 g/m2的LWRT片材隔声性能高于其他3种面密度的片材,主要原因为LWRT片材内部存在的大量孔隙结构起到了吸音隔音作用。在同等厚度条件下,面密度越大,材料内孔隙率越小,从而导致其空气透过量降低造成隔声量下降,面密度过小,孔隙率过大,声波在材料内部所造成的振动量也越小,声波更容易通过联通的孔隙穿透片材,从而导致隔声性能下降。故在4 mm的厚度条件下,在质量定律与孔隙率的耦合作用下,1 400 g/m2的LWRT片材在800~4 000 Hz声波段相比于其他3种面密度片材呈现了更佳优异的隔声性能。


6 性能总览

基于轻质热塑性增强材料开发的包裹架护板,其中1 400 g/m2面密度规格的包裹架护板部分性能验证结果见表2,基板样条厚度为4 mm。

表2 包裹架护板(1 400 g/m2)部分性能验证结果

1 400 g/m2面密度规格的包裹架护板各项性能满足产品使用要求,且其总成质量相对于原2 000 g/m2面密度规格可实现约20%的轻量化效果。


7 生产工艺对产品的影响及问题分析7.1 片材预热温度

试制过程中,所选的LWRT片材在200℃的预热温度下,面密度对片材达到最大膨化厚度所用时间的及对膨化厚度的影响如图9所示。在相同温度下,最大膨化厚度随面密度增大而增大,且膨化后最大与最小厚度相差1~2 mm;由于面密度的增大,在同等温度下,片材膨化至最大厚度所需的时间也逐渐增大。

图9 面密度与膨化时间及膨化厚度的关系

考虑包裹架护板本体厚度为4 mm,通常片材膨化厚度达8~10 mm即可满足模压成型的工艺要求,即在200℃预热100~150 s便可满足生产需求,过长的预热时间会导致片材因局部受热不均而局部焦化。需要指出的是,片材预热推荐使用红外加热设备,其能保证片材加热的均匀性,避免加热不均外表面局部温度过高引起板材焦糊,以致产品产生异味等现象。


7.2 表面质量

在应用LWRT片材进行包裹架护板试制的过程中,产品在外露面圆角处出现细微坑洼、圆角呈现不饱满的表面欠佳状况,如图10所示。

图10 试制包裹架护板缺陷图片

通过从产品工艺参数、原材料质量及模具结构设计等方面分析,提出以下几点问题及解决方式:工艺端,片材在预热过程中,预热时间与预热温度未能达到最佳条件从而导致片材预热不均,内部局部PP纤维未能完全熔融,仍对玻璃纤维起到缠结作用,影响玻璃纤维在片材成型过程中的小范围分散流动,从而导致片材在产品圆角、结构梯度出现变化等特征处产生局部纤维积聚、纤维分散不均现象,如模具设计条件允许,可考虑增加模温控制装置,以改善材料成型过程的流动性;材料端,片材生产过程中玻璃纤维与PP纤维在开松后混合不充分,导致成型后的LWRT片材内部玻璃纤维未能均匀分散,以致成型后的制品表面出现不平现象,建议材料端优化生产工艺,改善PP纤维与玻璃纤维混合均匀性,避免由于纤维共混不均所导致的局部玻纤积聚现象;模具设计端,建议根据片材面密度适当调整包裹架护板B面圆角,如图11所示,采用减小局部料厚的方法使圆角处材料填充饱满,以避免或减少包裹架护板A面圆角处出现的材料不均现象[6]。


7.3 气味问题

试制的包裹架护板总成气味评价大于3.5分,即可以明显感觉到对人体有略微的刺激性气味。排除片材预热不均引起焦糊产生异味的可能性,分析包裹架护板气味主要来源为总成塑料附件、垫块、吸音毡装配及面料包边过程大量使用的热熔胶及其他粘合剂。考虑LWRT片材内主要以PP纤维为主,且对手塑料支架同为PP材质,故推荐后期产品设计采用振动摩擦焊方式替代原有热熔胶连接方式,吸音毡等其他附件可采用超声波焊接方式替代粘接方式。其他无法避免使用粘接的连接件,尽量以水性胶黏剂、无溶剂热熔胶黏剂代替溶剂胶黏剂,以减少零部件有机溶剂的散发,改善其VOC挥发性能。

图11 圆角处断面示意

8 结束语

本文从材料性能、产品设计、工艺试制、NVH性能等角度分析评价了以LWRT材料为基板所开发的包裹架护板,以及以上因素对包裹架护板制品刚度、内饰气味性、隔音降噪等几个主要方面的影响,得到以下结论:

a.同等厚度条件下,面密度是调节LWRT片材性能的关键参数,LWRT材料的拉伸性能与弯曲性能随片材面密度增加而增加;

b.当包裹架护板采用4 mm厚度为基本定义厚度时,面密度为1 400 g/m2的LWRT片材在800~4 000 Hz频段下,其对于垂直入射声波的隔声性能优于面密度为 1 200 g/m2、1 700 g/m2、2 000 g/m2的LWRT片材;

c.当所用基材面密度小于2 000 g/m2时,预热温度控制在200℃,预热时间控制在100~150 s范围内即可满足生产需求,过高的预热温度或过久的预热时间会引起制品因片材预热过度而散发焦糊等异味;

d.考虑LWRT片材与连接件间的相容性,推荐在产品设计时,采用振动摩擦焊、超声波焊接替代传统粘接方式,以降低包裹架护板总成的气味风险。

以LWRT作为包裹架护板的基板材料,所开发的样件满足产品使用要求,并可实现约20%的轻量化效果,同时,工艺变更小,可实现量产快速切换,有助于实现整车降重,达成轻量化目标要求。


参考文献:

[1]泛亚内饰教材编写组.汽车内饰设计概论[M].北京:人民交通出版社,2012.

[2]黄君,孙斌,戴干策.轻质热塑性复合片材吸声性能[J].功能高分子学报,2008,21(2):177-181.

[3]中国石油和化学工业协会.塑料灰分的测定第1部分:通用方法:GB 9345.1—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[4]中国石油和化学工业协会.塑料弯曲性能的测定:GB/T 9341—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[5]国家发展和改革委员会.汽车内饰材料的燃烧特性:GB 8410—2006[S].北京:中国标准出版社,2006.

[6]周强,成薇.汽车内饰模具结构及工艺概论[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2016.


来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:李晔 李菁华 纪宏菲 石海鑫 李登山 王雪;单位:中国第一汽车集团有限公司研发总院




您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线 |网站地图