应用于汽车门内饰板的减重方案及对比分析


作者:利安德巴赛尔 日期:2017/11/15 来源:AI《汽车塑化》

中国汽车工业在过去十几年中,取得了飞速发展,随之带来的是能源的大量消耗和日趋严峻的环境问题。降低汽车平均燃油消耗,已是各大主机厂面临的首要问题。按照国家的战略规划,到2020年我国汽车的平均油耗要求降到0.5L/km,这对于当前汽车燃油效率而言是不小的挑战。各主机厂都在积极地组织应对措施:从提高内燃机燃油效率,到研发混动技术,再有对于纯电动车型的开发。而对于零部件配套企业和原料供应商而言,实现各零部件的轻量化也刻不容缓。

作为内饰的主要零件之一,汽车门内饰板(以下简称“门板”)的减重意义尤为重大。目前,门板的主体用料为改性聚丙烯(PP)材料。作为全球领先的聚丙烯及改性聚丙烯材料供应商,利安德巴赛尔公司致力于创新材料的研发及应用推广,为客户带来新的价值。在本文中, 该公司展示了针对不同主机厂门板减重比例及材料性能要求,而制定的不同解决方案及成功案例,以及在方案中使用的几种创新的改性聚丙烯材料。

采用低密度材料的门板

聚丙烯在改性过程中,通常要添加不同比例的填料,如滑石粉、玻纤等,以实现材料强度的提升。此类填料的密度一般为2.4~2.7g/cm3, 远大于聚丙烯树脂的0.9g/cm3。这意味着如果要选用更低密度的改性聚丙烯材料,需要选用填充量更低的配方。但降低填充材料的比例,会导致材料强度和刚性的损失,以及材料收缩率的提高,不利于零部件尺寸稳定性的控制。这对各材料厂商无疑是一个挑战。

利安德巴赛尔公司提供的解决方案,通过运用新一代的原料树脂及特有的加工技术,在降低填料填充量的同时,基本保持了材料原有的性能和收缩率。这使得主机厂和零部件配套商在切换成低密度材料时,无需对零件设计和模具做大的调整,也避免了额外的设备投入,甚至可以实现对量产零件的直接切换,快速达到减重目标。以某知名欧洲主机厂为例,原先的门板材料为PP/PE  T16的标准,利安德巴赛尔为其开发了新一代PP/PE T5材料,材料的物理性能保持不变(见表),同时实现了约8%的减重效果。这款材料已在该主机厂现有车型及新车型中得到了广泛应用,整体的减重效益,不容小觑。

表 低密度门板材料与标准材料对比

目前,大部分国内主机厂的门板材料还是基于T20的材料, 如果能用T5材料替代,减重的效果将更显著。

采用薄壁设计的门板

薄壁化设计是汽车内外饰的另一减重手段,利安德巴赛尔公司在薄壁保险杠方面已有多年经验积累。近几年。在与主机厂的合作中,利安德巴赛尔公司对薄壁门板的要求有了更深入的了解,技术团队在薄壁门板外观状态和材料性能方面都有了一定突破,可以实现平均2.0mm的壁厚,及约15%的减重效果。

传统门板的设计厚度通常为2.5~2.8mm。从结构设计的角度考虑,如果将产品的壁厚降到2.0mm或者更薄,就能使零部件实现超过20%的减重效果。当然,零部件壁厚的降低,对于产品本身的结构强度会带来很大的影响(如图1所示)。虽然我们可以通过提高原材料的强度进行补偿,但是在保证冲击性能且满足门板侧碰实验要求的情况下,平衡材料各性能的难度不小。

图1刚性和壁厚关系理论值

利安德巴赛尔公司通过特殊的Catalloy聚合工艺,生产出了拥有特殊性能的原树脂材料,再加以改性,开发出了高刚性、高冲击且高流动的“三高”改性聚丙烯牌号, 可应用于薄壁设计的产品,包括门板。除了满足薄壁设计对于产品的性能要求外,这款材料还很好地改善了由于薄壁设计带来的一系列加工和产品表观难题,如壁厚减薄时常见的顶针印、缩印和气痕等(如图2所示)。

图2(a)顶针印明显改善

 图2(b)气痕明显改善​

采用发泡工艺的门板

发泡工艺一直是减重领域的热门话题。目前,利安德巴赛尔公司已针对注塑发泡工艺, 开发了全系列牌号,满足了改善零部件翘曲变形、外观状态以及大幅度减重等诸多需求。

通常,我们所说的发泡工艺有两种。一种是物理发泡,如MUCELL工艺,通过外接设备(如图3所示),在注塑过程中,引入超临界N2/CO2,实现发泡。另一种是化学发泡,即注塑前在原料树脂中加入一定比例的化学发泡剂,在注塑过程中,发泡剂受热分解成气核,开模时压力释放形成气泡(如图4所示)。这两种发泡各有利弊,但通常物理发泡适用于对外观要求较低的结构件中,如仪表板骨架、保险杆支架,减重比例约3%~8% (配合开模发泡可以更大,如图5所示)。 而化学发泡适用于对外观和减重有高要求(15%以上)的零部件, 如门内饰板。 目前,利安德巴赛尔公司的PP/PE T20,使用化学发泡工艺,在门内饰板上可以实现超过20% 的减重效果。 

图3  Mucell 发泡工艺示意图

图4 化学发泡泡孔结构电镜图​

图5  开模发泡示意图    

发泡制件中泡孔的完整性、独立性以及均一性,对整个制件的外观及力学性能至关重要。 因此,发泡材料需要具有高流动性以满足薄壁注塑要求,同时兼具高熔体强度和熔体延伸率,以满足发泡工艺中熔体对气泡的包覆性以及气泡的泡孔强度要求。利安德巴赛尔公司利用其在基础聚丙烯树脂开发中的技术优势,以通过特殊工艺合成的聚丙烯作为原材料,开发出了全系列适用于发泡工艺的牌号,满足不同市场的需求。针对门板应用,利安德巴赛尔公司不仅成功开发了传统的PP/PE  T20 材料,而且开发出新一代PP/PE T5 材料。PP/PE T5材料通过开模发泡工艺,可以使零部件实现30%~-35%以上的减重效果。

减重方案的比较

在目前的门内饰板减重方案中,采用低密度材料、薄壁化设计及注塑发泡工艺实现减重,各有优劣势。图6就3种减重方案和标准门板在密度、壁厚和减重比例等3个维度进行了对比。单从减重效果的角度来看,采用发泡工艺效果最优,薄壁设计其次,低密度材料方案效果较小。但更好的减重效果伴随着更大的实现难度。图7中,从模具、设备、外观和系统成本角度综合比较了各方案的优劣势。

图6各方案减重效果对比

图7 各方案优劣势对比​

门板及内外饰材料最终的创新轻量化解决方案取决于各主机厂和零部件制造商的实际情况和需求。利安德巴赛尔公司作为全球改性聚丙烯材料的领先且规模位居前列的供应商,以及新技术的开拓者,会结合自身的技术优势及优良的服务,为客户量身订制,不断创造和实现新的价值。