特殊注塑工艺在汽车工业中的应用

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 收稿日期:2001O01O08 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