特殊注塑工艺在汽车工业中的应用

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特殊注塑工艺在汽车工业中的应用及发展
注射模塑是生产汽车用塑料件的最重要的技术"
大多数塑料件如风扇叶片!反光镜罩!空气分配器等等,都是用普通注射方法生产的"但也有很多产品是用特殊的注射方法来生产的,例如汽车保险杠!吸油管等"有些产品及其相应的生产技术已经相当成熟,有些则已经渡过了研究开发时期,开始进入批量生产阶段,也有些刚刚处在研发阶段"本文即根据产品和技术的发展程度,对汽车用塑料注塑件的生产方法和发展趋势进行分类介绍[1],它代表了当今国外汽车用塑料注塑件生产方法的最新现状"
1 成熟的工艺
有些早期开发用来生产汽车用塑料件的/特殊0生产技术已经完全成熟,成为了几乎是/标准化0的批量生产工艺"代表性的产品有保险杠!气囊!离合器踏板等,相应的生产工艺分别是挤注!双组分注塑!气体辅助注塑"这类产品在欧洲市场已近饱和状态"但双组分注塑和气体辅助注塑这两种方法仍然方兴未艾,在其它塑料制品的生产中发挥着重要的作用"在我国,汽车保险杠的生产已经完成了国产化的过程,而双组分注塑和气体辅助注塑仍然处在应用的初期阶段"气体辅助注塑是一种生产具有中空部位的注塑件的方法"其原理是:将一定量的熔体注入型腔后,将压缩空气注入熔体中心,然后熔体在压缩空气的作用下充满型腔"气体辅助注塑具有充模压力低!制品内应力低!表面光洁等优点"理论上,可以在制品的不同部位实现任意多个中空结构"只需要配备压缩空气装置,并在模具上设置相应的注气口,就可以使用普通的注塑机实现气体辅助注塑"
最近,德国亚琛工业大学的塑料加工研究所开发了水辅助注塑[2],这是气体辅助注塑的进一步发展"由于气体的热容量小!导热性差,气体辅助注塑时,制件相当于单面冷却,因而其成型周期往往比普通注塑更长"开发水辅助注塑的目的在于缩短生产厚中空制件的生产周期,与气体辅助注塑相比,水冷却的效果好,可大大缩短冷却时间"水辅助注塑方法和原理与气体辅助注塑基本相同,只是用水代替气体注入熔体中心"其工艺过程是:先将熔体注满型腔,经短暂保压后,将水注入熔体中心,在水的压力下,制件中心的熔体倒流回注射系统,经过一段时间保压后,即可以减压将水排出制件"排水所需的压力可以由水的蒸发所产生,或者通过加入水中的碳酸的蒸发所产生"在注塑直径为30mm的PP中空制件的比较试验中发现,水辅助注塑的冷却时间比气体辅助注塑减少了75%[3]"
另外,气体辅助注塑的新发展是外气压辅助注塑"在这种技术中,所用的设备与原先的气体辅助注塑类似,但气体作用在熔体的外部"即在熔体充满整个型腔后通过设置在型腔表面的气体喷嘴将气体引入,气体的压力高达30MPa,代替保压压力作用到制件的一个表面"这种压力通过已经凝固的表面作用到仍然呈流动状态的制件内部,后者将压力均匀传递到制件的
各个部位,从而避免了制件的另一面(即好的一面)的收缩凹痕的发生[4]"
2 成长期的产品和技术
成长期的产品有汽车吸油管!带织物饰面的内饰件和前灯散射罩和车身表面部件等,相应的生产工艺技术分别是可熔型芯技术!注塑复合技术和洁净生产
2.1 可熔型芯技术
可熔型芯技术[5]是利用低熔点的金属作为注塑模具的型芯来生产形状复杂中空注塑件的技术"这种型芯状复杂中空注塑件的内部尺寸要求精确!表面要求光洁,是无法用通常的方法来实现的"可熔型芯技术的一般工艺过程如下:
用低熔点金属浇铸型芯注塑熔化型芯清洁制件制品
这种技术的关键是解决塑料!型芯材料!模具和将型芯熔化所用介质的相互影响,必须保证:1)塑料注射时型芯不得发生熔化;2)作型芯的金属的熔体以及用来熔化型芯的介质不会腐蚀塑料;3)在熔化型芯的温度下,制件不会发生变形"下面从几个方面对技术关键做简要介绍"
塑料品种,目前仅仅在尼龙66的可熔型芯注塑方面积累了一定的经验,对其他材料则知之甚少"初步的试验研究表明,尼龙6!PBT!PET!PPE!PVDF!PPA等也适合于可熔型芯注塑"型芯材料,一般采用低熔点的锌-铋合金做型芯材料,其熔点约为138e"
注塑时防止型芯熔化,众所周知,尼龙66的熔点约为260e,这虽然保证了制品脱模后便于将型芯熔化,但给注塑时防止型芯熔化却造成了一定的难度"在浇口处的型芯特别容易发生熔化现象,因为浇口处不断有热的熔体将热量带给型芯,因此应避免将浇口设置在可熔化的型芯处,而应该让熔体首先接触钢制的模具部分"此外,如果熔体传给型芯的热量超过了型芯本身的吸热能力(直到熔点的热容量),则型芯就会完全软化甚至熔融成为液体"可以从理论上定义一个熔化因子AI来估计熔化的危险性:
AI=QpQc#$HpCc(Tmelt-T0)
式中 Qp)))聚合物密度
  Qc)))型芯密度
  $Hp)))聚合物的热晗差
  Cc)))型芯的比热
  Tmelt)))熔体温度
  T0)))型芯的熔点
AI越大,则型芯的壁厚与制件的壁厚之比也应该越大,从而避免型芯过热"
脱模后熔化型芯,熔化型芯应该在脱模后马上进行,以利用注塑时熔体传给型芯的热量"一般以改性的聚乙二醇作为加热介质"虽然可以使用感应加热,熔化时间可以缩短到介质加热的1/10,但投资更大,且能耗更多,容易对制件造成损害,所以今后趋势仍然是介质加热"
可熔型芯技术可用于生产汽车的吸入部件(如吸油管等),现也用于生产泵和洗碟机等几何结构复杂的液压部件"但可熔型芯技术价格昂贵,例如,用来大批量生产换挡吸油装置的设备价格约在700万-1000万德国马克,中小批量生产的设备价格也在100万-200万德国马克"
目前正在开发的一种新技术)))半壳技术也可用于轿车吸油管的生产"半壳技术实际上是注射模塑和焊接两种工艺过程的结合,即先用注塑的方法生产两个半壳,然后将两个半壳焊接起来成为中空制品"这两种工艺流程必须很好匹配,它要求注塑的两个半壳的焊接面必须非常平整,毫无挠曲,这就要利用计算机辅助工程(CAE)设计软件进行优化设计,以尽量消除因制件冷却不均而产生的内应力,这样它们才能焊接完好"
212 注塑复合技术和注塑模压
在注塑复合工艺中[6],将装饰材料(通常为多层复合物)置于模内,然后闭模注塑,待塑料冷却固化后即可脱模取得制品"虽然此法所用模具比原来简单注塑模具要求更高,模塑周期也更长,但由于省去了粘结复合工艺,预计成本降低最大可达60%,目前实际降低成本30%左右,正是这一可观的经济效益,加上新工艺没有粘结剂,因而无溶剂挥发问题,选择适当的装饰层和塑料,如聚烯烃的装饰层和塑料,可使制品便于回收利用,这完全符合环保的要求,此工艺技术在短短几年之内便达到了大批量工业生产的成熟程度"
该工艺技术的关键在于,由于过高的压力产生过高的壁面剪切应力导致装饰织物或皮革的损坏,因此,注塑复合时,要控制模内压力(约小于10MPa),同时也要注意选用耐热性!形变能力和与注塑塑料的粘结性能较好的装饰材料,装饰材料必须具备一定的形变能力和弹性,这就同时要求注重装饰材料在模具内的安放"
注塑模压技术是先将饰面层放在模具内,然后用注塑机将熔体注入敞开的模具内,再闭模进行压制"也可以先注塑熔体,后放置装饰层,例如MercedesS车门上的地图袋就是这样制造的[7]"相对于注塑复合而言,这种工艺的充模压力很低,所以在饰面层上几乎不产生或只产生很小的应力,因而对织物饰面层要求较低"
213 清洁环境生产技术
这实际上不是指一种具体的生产工艺,而是指在塑料加工过程中,要求加工环境非常洁净[1]"不仅在生产要求表面无瑕疵的制品有这种要求,而且在生产无杂质的纯塑料制品,如汽车大灯散射罩!汽车车身表面部件以及光学数据存储媒介!传感器的微小部件和医学上所用的部件等,都要求生产车间非常洁净"众所周知,如果光学制品中有杂质,将会视为废品,因此,加工环境的控制必须贯穿于加工的全过程,因为原材料的制造!运输和储藏以及在干燥和输送等加工流程中都易引入杂质"通过研究分析,发现必须严格避免原材料和模具的污染,也就是原材料的生产必须在洁净环境下生产;同时,注塑后的制品在涂清漆之前也要确保不受污染,否则,即使在制品表面有微小的灰尘,在涂敷清漆后都会变成很大的瑕疵"另外,在制造光学透明性要求较高如镜子!棱镜等,它们必须无形变和在各轴向无内应力,注塑压缩模塑工艺就能满足该要求"此技术可用于生产汽车的大灯散射罩和车身表面部件"
3 市场导入期的产品和技术
市场导入期的产品有结构件,如汽车前端装配托架!汽车地板罩面和汽车引擎罩!轿车车身外部部件!结构泡沫塑料件!汽车电子部件等,相应的工艺技术是金属与塑料的复合技术!长纤维增强热塑性塑料注塑技术!模内装饰/立体印刷技术和三维模塑接插件(3-DMID)技术等"机电一体化的汽车电子注塑部件在1997)1999年间增长了30%[8,9]"
3.1 金属与塑料的复合技术
众所周知,金属具有很高的弹性模量!高刚度和高耐热性能,而塑料具有质轻!耐腐等性能,金属与塑料的复合技术就是将这两种材料的优点结合在一起"金属与塑料的复合技术为汽车工业打开了广阔的创新天地,此技术的主要特点在于优秀的结构性能!质量轻!良好的抗疲劳性能!制品精度高和可大批量生产"
在金属塑料复合技术中要解决的关键问题是塑料的收缩行为,产生塑料和金属复合界面的收缩应力,导致制件变形"这需要借助于CAE软件来解决"例如在福特Focus汽车的前端装配托架的设计中,此制件中用的塑料是玻纤增强尼龙,改变玻纤在尼龙中的取向就影响制件的形变[10]"德国拜耳公司开发出一种CAE方法来模拟金属塑料复合结构件因塑料收缩而产生的形变,该软件分别对金属和玻纤增强尼龙进行分析,其中,玻纤的取向取决于型腔的充填过程"CAE模拟发现,玻纤取向对制件的变形极其重要,因为尼龙在垂直于纤维方向上收缩更多"该软件可成功地计算因塑料收缩产生的应力和金属塑料复合结构的形变数据"
金属塑料复合制件不仅可用于生产汽车前端装配托架,而且可用于汽车座位等结构件,金属塑料复合制件已在汽车工业中进行中试批量生产"
3.2 长纤维注塑技术
纤维增强塑料利用纤维的高强度和刚度来改进塑料的力学性能"为了更好地发挥纤维在塑料中的强度,其长度必须大于临界长度LC,当纤维长度小于此临界长度的纤维增强塑料受一定载荷时,纤维就会被拔出,纤维的强度就不能得到充分发挥"LC与具体的塑料品种有关,例如,玻纤增强聚丙烯的LC值为3.1mm,而在一种化学改性PP中LC可降到0.9mm[11]"但普通短纤维增强塑料中,纤维长度一般只有0.2-0.6mm,所以破坏模式主要是纤维拔出"
所谓的长纤维注塑,就是直接用注塑的方法制造纤维增强热塑性塑料,其制品中的玻纤长度必须大于LC"
以玻纤增强聚丙烯为例,其原料中的玻纤长度约为10mm,而制品中的平均纤维长度为3-5mm"
开发长纤维注塑技术的目的是取代GMT技术"
这种技术可用于汽车结构件,如汽车地板罩面和汽车引擎罩等"
在长纤维注塑工艺中,保护纤维免受损伤和均匀分布成为关键性的因素"资料表明[11,12],注塑机螺杆的转速!背压!螺杆与料筒的间隙!保压压力的增大易造成纤维的损伤"目前正在开发对长纤维损伤小的螺杆几何形状,如带止逆环的螺杆;也注重对纤维损伤小的注塑机喷嘴!热流道系统!合适浇口位置和尺寸的研究"同时,接力注塑技术[6]在长纤维增强热塑性塑料注塑工艺中的应用也在研究中,这对保护纤维免受损伤大有好处"
使用长纤维增强热塑性塑料比短纤维有许多优点1)长纤维增强树脂中随着玻璃纤维添加量的增加,制品的抗冲击强度和刚性同时均匀地提高"当制品受到大冲击时,不是脆性破坏,只是延性破坏,因此适用于要求高刚性!高冲击强度的制品以及大型结构制品;(2)具有优秀的长期耐蠕变性能;(3)在高温时,线膨胀系数小"
3.3 模内装饰/立体印刷技术
模内装饰工艺[13]是从注塑复合发展而来的"将注塑复合用于模内装饰时,先在透明的薄膜或片材上印刷图案,然后将有图案或文字的一面与塑料复合,这样就不必对制品进行印刷,后者显然比在薄膜上印刷要困难得多"因此,模内装饰工艺就使制品更美观,且图案或文字不易被磨损"这种模内装饰工艺在汽车工业领域中将进入工业化生产规模,也可以通过注塑压缩模塑来实现IMD"
立体印刷技术是英国Aquagraphics公司开发的[14]"该工艺主要流程是,将图案印刷在一种水溶性的基材上,然后将印刷好的物品放在水中,结果基材溶解在水中,在水的表面形成了一层极其薄的含有印刷文字或图案的薄片,然后将塑料件浸入水中,该薄片就粘附到塑料件表面,再在其表面涂敷一层清漆进行保护,最后烘干得到制品"
IMD和立体印刷技术将用来生产轿车车身外部的部件"例如汽车翼子板,整体的前!后部件"这些外部塑料件过去和现在大多数是与车身分开油漆的,目前的一种发展趋势是采用着色的塑料件,外部再喷清漆,在不远的将来是IMD,即用PC/PBT与装饰薄膜进行注塑复合"
3.4 结构泡沫塑料的注塑
在相同的质量条件下,结构泡沫塑料具有更大的刚性,可以达到铝的2倍!钢的5倍[15]"早在70年代初,就有了热塑性结构泡沫塑料的批量生产,但使用化学发泡方法,所得泡沫塑料的泡孔尺寸较大,泡孔结构不够均匀"为了获得泡孔更加细致和具有细胞状泡沫结构的热塑性结构泡沫塑料,发展了使用物理发泡剂方法,即所谓的直接加气法"例如使用干冰或氮气(液氮),定量加入注塑机中的均化段,让气体均匀混合溶解在聚合物熔体中,然后将溶解了气体的熔体挤入储料缸中,最后用注射注塞将熔体高速注入模具完成发泡"
结构泡沫塑料注塑特别适合于生产汽车塑料件,对降低汽车自重具有重要作用"例如,用该方法制造的20%滑石填充PP的汽车保险丝盒子,质量减轻了20%,而且加工温度降低了30e,注塑周期减短了10%"包括注塑压力和锁模力可以降低30%左右,生产成本进一步降低"新的努力方向是生产薄的制件,目前,可生产1mm厚的微细泡沫塑料制件"
4 开发期的产品和技术
尚处在研究开发阶段的技术有:在注塑机内直接混合技术;微型注塑技术;用半壳注塑技术生产汽车油箱等等"汽车油箱的形状大多数是根据底盘上剩余的空间来决定的,因而形状往往非常复杂"目前,塑料汽车油箱主要采用中空吹塑方法,但中空吹塑的重大缺点是制品的壁厚不够均匀,尤其形状复杂的中空吹塑制品,因为先接触模具的部位厚度大,最后接触模具的部位最薄"对于形状复杂的中空制品,中空吹塑也在开发一种3D工艺[16],即通过机械手将壁厚经过了程序控制的挤出型坯安放到吹塑模的适当部位,然后再进行吹胀"通过3D工艺,可以更好地吹塑形状复杂的结构零件,如油箱!汽车仪表板等"因此,在制造形状复杂的中空制品这个领域,半壳注塑技术和3D中空吹塑将相互竞争,谁将最终成为大规模生产方法,主要取决于其经济性"
4.1 注塑机内直接混合技术
几乎任何一种塑料的加工过程都离不开混合工序,混合在加工中起着重要的常常是决定性的作用"诸如在上一部分提到的长纤维增强热塑性塑料,纤维必须在聚合物中分布均匀,以达到增强制品力学性能的目的"按惯例,一般将长纤维与热塑性塑料预先混合均匀,造粒,再用于注塑,这样,纤维在塑料中分布非常均匀,但在预混合过程中易造成塑料降解和纤维损伤,更大的缺点是因为多了一道工序造成的制造成本增加,故现在正在开发一种在注塑机中直接混合的技术,混合过程在塑化段完成"因为纤维和塑料分开购买,相对于购买已混合的颗粒,大大降低制造成本"另一方面,在注塑机中直接混合不易造成混合物成分的偏差"但是,该工艺的核心是如何从机械和工艺的角度确保混合物的均匀度,进而保证制品的质量"在注塑机中直接混合技术,不仅适合于纤维增强热塑性塑料,而且适用于其它用途,例如聚合物合金"将所需要的特殊组分和一种基本的原料直接加入注塑机中,从而获得所需要性能的合金制品,这比先造粒再注塑显然更加经济"
4.2 微型注塑技术
微型注塑制品主要是指每一个制件的质量在毫克级的范围内[17]"现在,汽车方面的自动控制和电子控制部件的使用日益增多,这些部件尺寸都较小,比如汽车传感器的部件"
此技术的特点主要在于1)在注塑机方面,一般使用微型注塑机,也可使用普通注塑机,但由于制件使用塑料量小,容易引起塑料在注塑机中降解;(2)在模具方面,由于制品质量小,应使用热流道系统;(3)在工艺方面,为了保证充填,模具采用变温控制模式,即充填时模具保持很高的温度,充模结束后再降温"这种模式导致较长的成型周期,一般要几分钟"发展方向是在型腔的局部采用单独的高效的加热和冷却装置,使型腔温度在充填时为熔体温度,充模结束后快速降到脱模温度,这样可以使注射周期降到15s[18]"
5 结语
许多新的成型工艺都是在汽车工业的推动下开发的"有些特殊的生产工艺以前只被少数大型汽车饰件生产厂所掌握,但现在已经发展成为一种具有竞争力的新的/通用0生产方法,例如生产内饰件的注塑复合技术,已经应用于包括家电!家具领域制品的生产"只有不断创新的企业,才能在未来的市场竞争中占有更多的市场份额"不掌握特殊的新工艺,企业就没有前途"在这方面,不仅仅塑料制品生产厂,塑料机械生产厂和塑料原料生产企业都面临挑战"塑料加工技术的成功,有赖于这三个方面的密切合作"

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不错的文章，多谢了。