發泡聚丙烯材料在汽車內飾設計中的應用

張寶江 魏風

（一汽豐田技術開發有限公司）

隨著21 世紀科技的發展，新材料及新成型技術的不斷進步，人們對汽車提出了輕質、節油、高速、安全、環保、美觀等一系列高標準要求，低成本和輕量化已成為汽車工業設計的主流方向。塑料制品因具備抗腐蝕、隔熱、耐磨、減振、消聲等優良性能及低廉的價格、簡單的加工工藝，正逐步替代傳統金屬及一些合金材料[1]。開發具有較高強度的輕質高性能新材料及設計新的輕量化結構，已經成為汽車零部件，尤其是汽車內飾件材料的必然選擇[2]。作為汽車內飾材料輕量化的一部分，文章將簡要介紹發泡聚丙烯材料在內飾零件設計中的應用和注意點。

1 概述

1.1 發泡聚丙烯材料介紹

工業上使用的聚丙烯塑料發泡材料（EPP）由固體和氣體兩部分組成，呈黑色或白色的顆粒狀，直徑一般在2～7 mm。

隨著汽車輕量化的發展，材料輕量化對于汽車減重有著舉足輕重的作用。發泡聚丙烯具有高耐熱性、高沖擊能吸收能力、杰出的回彈性和熱成型性，因此，發泡聚丙烯在汽車上的應用逐年增多。如汽車保險杠（吸能塊一般采用發泡聚丙烯或者是PP 類支架吸能結構，起到吸收撞擊能量的作用[3]）、汽車側面防震芯、汽車車門防震芯、高級安全汽車座椅、工具箱、后備箱、扶手、底墊板、遮陽板、儀表盤等部位均使用發泡聚丙烯材料。根據統計數據：目前汽車上的平均塑料用量為100～130 kg/輛，其中應用發泡聚丙烯4～6 kg/輛。

根據使用部位的不同，為對應不同的使用強度要求，目前汽車內飾零件中使用的發泡聚丙烯材料多為10～45 倍的高倍率發泡材料。

1.2 發泡聚丙烯零件生產工藝

發泡聚丙烯零件的主要生產流程為：原料→發泡→預壓→成型→干燥→粘貼附屬零件→檢測→出廠。其中，成型工藝一般分為進料、水蒸氣加熱、冷卻及脫模4 個步驟，如圖1 所示。

圖1 發泡聚丙烯零件成型工藝流程示意圖

零件成型模具從左到右共分4 層，模具型腔共3 個，如圖2 所示。

圖2 發泡聚丙烯零件成型用模具結構示意圖

2 汽車內飾用聚丙烯發泡零件的設計

2.1 零件在車身的固定方式

根據發泡聚丙烯零件的大小和形狀的不同，其在車體中的固定方式也不同，目前主要采用的固定方式有4 種：

1）用焊接螺栓配合普通螺母固定；

2）用魔術貼粘貼在車身鈑金零件上；

3）粘貼在行李箱地毯的下方；

4）沒有明顯的緊固用的結構，靠周邊零件的形狀限制發泡聚丙烯零件的移動。

2.2 零件加工工藝要求

2.2.1 發泡聚丙烯零件加工工藝要求

由于發泡聚丙烯材料是由一個個發泡的小顆粒組成，受材料本身性能的限制，在設計發泡聚丙烯零件時，應注意以下6 個方面。

1）為保證零件在制作完成后不缺料，零件最小厚度應不低于10 mm。在低于10 mm 的情況下，可提前向零件制造商提供零件的3D 數據，由零件制造商對零件成型性進行分析，以免零件的數據凍結后因制造問題再對零件進行形狀修改。

2）零件在分模線以外的部分，應盡量避免出現圓角過小的棱線，一般要求最小圓角半徑R 不小于3 mm即可，圓角過小容易導致零件成型后出現品質問題。

3）根據零件的大小和形狀復雜程度，最小拔模角度會有所不同，但零件的拔模角一般應不低于3°。

4）零件上需要粘貼無紡布材料的構成品時，零件表面的紋理會增加發泡聚丙烯和無紡布的接觸面積，根據零件表面紋理的不同，粘貼強度也會有所差異。出于行業競爭的考慮，部分紋理樣式已被一些規模較大的零部件制造商以及發泡聚丙烯的原材料供應商申請專利，在內飾發泡聚丙烯零件設計開發過程中，設定零件表面紋理時應注意避開其他公司持有的專利。圖3示出發泡聚丙烯零件表面紋理。

圖3 發泡聚丙烯零件表面紋理示意圖

5）由于成型工藝的原因，在零件表面會有很多氣孔，可綜合考慮設計需求以及制造商的工藝能力，選擇采用針孔式或條狀式氣孔。

6）零件表面粘貼標簽時，可以在粘貼標簽處設置凹臺，以降低標簽在零件運輸、使用過程中脫落的風險。同時，為了使標簽粘貼得更加平整，可在粘貼標簽的局部，取消零件表面的氣孔。但因標簽面積過大導致無法在粘貼標簽的位置取消全部的氣孔時，應盡量選用針式氣孔，因為條狀式氣孔會使得標簽粘貼得凹凸不平。

2.2.2 發泡聚丙烯零件作為儲物裝置時與周邊零件的配合關系

發泡聚丙烯零件經常被作為儲物裝置應用在汽車上，當其被用來作為隨車工具等物品的儲物裝置時，需要注意以下四方面。

1）為防止被放置的物品在汽車行駛過程中由于晃動發出噪聲，應在設計的過程中在被放置物品和發泡聚丙烯零件接觸的2 個側面部分設置適當的干涉量，用來固定被放置的物品。

2）當被放置物品是金屬材質時，金屬物品與發泡聚丙烯零件接觸的兩側應各設置不低于1 mm 的干涉量。圖4 示出發泡聚丙烯零件盛放金屬材質物品時的干涉斷面圖。

圖4 發泡聚丙烯零件盛放金屬材質物品時的干涉斷面示意圖

3）當被放置的是三角警示牌或具有相似軟質外殼的物品時，三角警示牌的樹脂軟質外殼與發泡聚丙烯零件接觸的兩側應各設置不低于1.5 mm 的干涉量。圖5 示出發泡聚丙烯零件盛放三角警示牌（軟質外殼）時的干涉斷面圖。

圖5 發泡聚丙烯零件盛放三角警示牌（軟質外殼）時的干涉斷面示意圖

4）設置被放置物品與發泡聚丙烯零件的干涉量時，應注意干涉量會隨著被放置物品的材料體積質量和質量的不同而發生變化，但干涉量設定得不宜過大，過大的干涉量不僅會對被放置物品的取用和放置造成不便，還會使被放置物品在頻繁的取用、放置的過程中對發泡聚丙烯零件造成破壞。

2.3 零件設計時的其他注意事項

發泡聚丙烯零件在設計過程中，除了上述由于受材料本身性能限制要注意的幾點要求以外，還有以下注意事項。

1）在滿足發泡聚丙烯設定強度和不影響零件使用的前提下，可以多設計一些凹臺，這樣既可以減輕零件質量，降低成本，又可以增加儲物空間。

2）在發泡聚丙烯零件外觀面設置凹臺時，在滿足設定強度和不影響零件使用的前提下，應盡可能地使凹臺和零件外輪廓隨形，這樣看起來更加美觀。圖6 示出某車型使用的發泡聚丙烯零件。

圖6 某車型使用的發泡聚丙烯零件樣圖

3）當發泡聚丙烯零件作為儲物裝置盛放其他物品時，若被放置的物品中有金屬類的物品被重疊放置，應保證2 個金屬物品之間留有足夠間隙，以免由于制造公差等原因造成2 個金屬物品接觸、碰撞而產生噪聲。

4）由于發泡聚丙烯零件一般不作為外觀件使用，在車輛開發過程中，造型人員一般不會指定其顏色。但由于白色發泡聚丙烯零件的外觀和家電運輸時使用的保護材料聚苯乙烯泡沫（EPS）相似，極易讓消費者產生廉價感，進而降低車輛的商品力，因此在開發過程中，應盡量選用黑色。

5）當發泡聚丙烯被作為芯材用來做填充物使用時，若零件外殼材料也是聚丙烯材料，可通過適當的工藝將發泡聚丙烯芯材和聚丙烯外殼粘合在一起，不需要額外使用膠水，可有效減少因此產生的VOC 氣體。

2.4 發泡聚丙烯零件常見的品質問題

發泡聚丙烯零件和其他材料的汽車內飾件一樣，在生產制造過程中，由于各種原因也會存在各種各樣的問題，容易產生以下品質缺陷：1）分模線處有材料溢出（俗稱毛刺）；2）零件缺料，部分區域未填滿；3）零件開裂或部分材料脫落。

3 結論

作為一種加工工藝較為簡單、價格低廉的材料，今后發泡聚丙烯會被更廣泛地應用在汽車內飾零件中。文章介紹了發泡聚丙烯零件的加工工藝及零件設計時的注意事項，為汽車內飾工程設計人員在使用發泡聚丙烯材料時提供了較為量化的參考指標。相關設計人員可以進一步了解發泡聚丙烯零件的設計要點并設計相關零件；在提供的參數的基礎上與供應商進行相應的技術探討，解決實際工作過程中的設計、生產問題。