新材料与工艺手册

[轻量化材料] 薄壁低密度PP材料的开发与应用研究

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发表于 2020-7-9 15:21:23 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】薄壁低密度PP材料的开发与应用研究

胡成,杨豪(众泰汽车工程研究院,浙江 杭州 310018)
摘 要:文章通过一系列原材料及零部件性能试验验证,开发出适用于门内饰板的薄壁低密度PP材料,并成功在量产车型的实现应用,减重可达15.6%;另外,薄壁低密度材料的成功开发应用,为我们实现非金属零部件轻量化提供重要参考。
关键词:薄壁低密度;PP材料;门内饰板

前言

为实现汽车轻量化,达到节能减排,改性塑料在整车上的应用越来越多,单车重量甚至达到190 kg以上;而PP材料又以其密度小、性价比高和便于回收利用等优点广泛应用于汽车内外饰零部件,是整车所有塑料材料中用量最大的材料,部分车型PP材料用量占整车塑料材料总量的50%以上[1-3]。

本文以整车重要零部件——门内饰板的轻量化为例,对比分析了不同轻量化方案的优缺点,拟定轻量化效果更加的方案,即薄壁低密度方案,开发出适用于该方案的PP材料,以下称薄壁低密度PP材料,以实现门内饰板轻量化,并以此为例,为其他系统实现轻量化提供参考。


1 轻量化方案选择

当前门内饰板相对成熟的轻量化方案主要有:薄壁化设计、低密度材料及微发泡技术;薄壁化设计和低密度材料方案一般对材料性能的要求较高[4],造成材料成本增加,且减重效果较低;而微发泡技术是通过对复合材料(如PP复合材料)进行微发泡处理,大幅降低材料密度,并保持一定的机械强度,实现轻量化[5],减重可达20%以上,但前期模具和生产设备费用投入高达千万,限制其应用。

针对上述轻量化方案存在的不足,特提出薄壁化+低密度相结合的方案,将低密度PP材料替代传统PP+EPDM-T20应用在薄壁门内饰板上,在不增加零部件综合成本的情况下,最大程度地实现减重。

根据转动惯量和挠度的理论计算得出[6],E1/E2=(d2/d1)3,即产品壁厚的微小降低,会造成产品的刚性大幅降低,而为满足产品刚性要求,则要选用高模量材料;不同壁厚,材料弯曲模量要求见表1。

表1 不同壁厚门内饰板对材料弯曲模量的要求

普通低密度改性PP材料模量很难达到1900MPa以上,而通过产品结构设计也可以增强刚性,以减小对材料刚性的依赖;但壁厚太薄,对产品设计和生产工艺要求较高,带来较大的潜在风险;通过综合考虑,对薄壁化+低密度方案,我们最终建议门内饰板壁厚设计为2.3 mm,相比于传统的2.5 mm,壁厚减小0.2 mm;而材料采用高模量的PP+EPDM- T10材料(弯曲模量在1700MPa以上),替代传统的PP+EPDM-T20材料。

2 性能验证

薄壁低密度PP材料目前还没有可参考的性能标准要求,因此对于该材料的性能验证,我们通过以下途径解决:分别从传统门内饰板和薄壁低密度PP材料门内饰板上截取标准试样(取样部位尽可能平整,且位置一致,同时要避开背部加强筋、焊接柱等结构),在进行相应测试;评判原则:薄壁低密度PP材料门内饰板上取样测试结果不得低于传统门内饰板上取样测试的结果。


2.1 试验材料准备

根据薄壁低密度方案要求,优选3家供应商(记为A供应商、B供应商、C供应商)的PP+EPDM-T10材料作为开发对象,材料性能见表2(3家供应商材料分别记为材料A、材料B、材料C,对应的注塑门内饰板分别为门内饰板A,门内饰板B,门内饰板C,门内饰板均在相同条件下注塑而成)。

表2 原材料物性表


2.2 力学性能验证

按照相关标准分别在门内饰板上取样测试,并与传统门内饰板取样测试结果对比,相关结果见表3。

从表3中实验结果可以看到,仅有门内饰板A取样测试结果与传统门内饰板取样测试结果基本相当,且略高于传统门内饰板,而其他2家主要是在常温缺口冲击强度远低于传统门内饰板取样测试结果,且与表2的数据对比,门护板B和C的常温缺口冲击强度远低于各自原材料的物性数据,这说明材料B和C的性能在零部件上保持率相对较低(所有测试均选用多组平行样,且平行样的试验数据一致性较好,可排除取样不良因素,可能原因是材料B、C性能受注塑工艺,如温度,影响较大所致[7])。

表3 样件取样测试结果

另外,从表3中还可看出无论是传统门内饰板还是薄壁低密度门内饰板,弯曲模量仅在1200MPa左右,远低于表1中理论计算的模量要求;这对我们开发新材料具有重要的参考意义。


2.3 零部件性能的验证

根据相关标准对门内饰板A进行耐刮擦、高低温交变、老化等零部件级性能验证,试验结果见表4。

表4 零部件性能试验结果

上述所有性能测试项目均满足零部件技术要求,另外,在路试验证试验中,也未发现薄壁低密度门内饰板存在缺陷。

综上试验验证,我们认为A供应商的PP材料完全可用在2.3mm壁厚的门内饰板上,实现门内饰板的轻量化。


2.4 量产应用验证

经过前期材料和零部件性能验证,薄壁低密度门内饰板已于2017年在量产车型上成功推广应用,市场反馈良好。图1为已量产的某车型门内饰板。

以上述量产门内饰板为例,产品壁厚从2.5 mm减小到2.3 mm,薄壁化设计减重8%;PP+EPDM-T20材料密度在1.05 g/cm3,而PP+EPDM-T10材料密度在0.97 g/cm3,材料密度减重7.6%;因此,零部件总共减重可达15.6%,轻量化效果非常可观。

图1 量产某车型薄壁低密度门内饰板

而在成本方面,原材料PP+EPDM-T10价格仅比PP+ EPDM-T20高约15%左右,但由于单件用量的降低,单件原材料成本与传统以门内饰板基本持平;另外,薄壁低密度门内饰板在模具设计、生产工艺及设备等方面,无特殊要求,未造成其他费用增加。因此,与传统门内饰相比,成本基本持平。

凭借在量产车型上的的应用,并结合其优异的轻量化效果及成本优势,薄壁低密度PP材料已作为我司平台化推广应用材料。


3 结论

通过对原材料性能及零部件性能验证分析,成功开发出适用于门内饰板轻量化的薄壁低密度PP材料,可在不增加成本的情况下,实现15.6%的减重效果,相比于传统轻量化方案,综合优势明显;同时,薄壁低密度PP材料在量产车型上已成功应用。

薄壁低密度PP材料的成功开发应用,为非金属零部件轻量化提供了重要参考,即相比于单一轻量化方案,多种轻量化方案相结合,可实现较好的轻量化效果。后期我们将会沿着这个方向,开展其他系统的轻量化工作。


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