儀表板超薄表皮注射成型工藝優化研究

楊燕燕，成 薇，向良明，周淑淵

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

1 引言

隨著汽車行業的不斷發展，汽車內飾在追求高品質豪華感的同時，也有很大的成本壓力，表皮成型工藝對于軟質內飾件（汽車的儀表板，門飾板等）的覆皮，是一種不可缺少的工藝。有很多汽車內飾件需要使用表皮成型技術，例如儀表盤、手套箱、門飾、儲物箱、扶手等。表皮塑件的成型有多種形式，有通過采用現成的表皮卷材裁切而成，也有通過模具成型的方式獲得。

2 表皮成型工藝

2.1 傳統表皮成型工藝

在表皮成型的方式中，搪塑成型和IMG真空成型是目前表皮成型市場的主流趨勢，其中歐系車儀表板大部分采用PVC搪塑成型，日系和韓系車儀表板多數采用IMG 真空成型，而目前奔馳、路虎等大部分高端車型則主要采用真皮包覆的形式。

（1）搪塑成型。搪塑成型技術工藝簡單，是目前應用較廣泛、較成熟的汽車內飾件覆皮工藝技術。搪塑生產工藝是把帶有皮紋的成型模具（一般使用鎳制外殼）進行加熱，在模具與搪塑粉箱連接后旋轉或旋轉和加熱同時進行，搪塑粉箱內的原料粉末靠自重落入模具中融化，在熱模的表面形成一層帶皮紋的且形狀與模具一致的表皮，之后取下粉箱，再待模具冷卻后取下制得的表皮。搪塑成型的材料主要使用PVC（聚氯乙烯）、TPU、TPO 等。目前在中國的汽車行業內，PVC 搪塑表皮成本低廉，被廣泛應用在各種中高檔車型的儀表板上，幾乎超過90%的中高檔車型采用了PVC材料，但PVC的環保方面的不足及低溫脆性一直為行業內人士所詬病。

（2）IMG（型腔真空成型）。IMG成型技術，是使用刻有皮紋圖案的型腔，將不帶皮紋的膜料在模內成型出內飾件形狀的帶皮紋的表皮，或者在成型出帶皮紋的表皮后在機器的同一工位將該表皮真空吸附在基材上，從而生產出所需的零件。目前越來越多的廠家在IMG 成型時采用TPO 的表皮。由于TPO 片材的表面是沒有皮紋的，所以要在TPO 的表面制造皮紋，就要在吸塑過程中通過吸塑而成型在表皮上。

目前常用的這兩種表皮成型方法都有一定的局限性，專有設備、工序復雜、周期長、價格昂貴。尤其是這兩種表皮成型工藝所使用的模具是一種鎳殼模具，這種模具至今仍被國外技術壟斷，是一項無法突破的技術壁壘。

2.2 表皮注射成型工藝

在這種情形下，結合常規的注射成型工藝與表皮粒子材料，提出采用將表皮粒子熔融至一定溫度之后，利用成型機壓力驅動注射成型的一種表皮注射成型方法。不同于上述傳統的表皮成型工藝，主要為利用現有的注射成型設備，在不產生額外設備費用的前提下，生產黏性更大、尺寸更大、厚度更薄的彈性體。

傳統的彈性體塑件在汽車上使用較少，其塑件厚度一般為2.0～3.0mm，例如杯托墊等，本論文研究的薄壁塑件設計壁厚為0.9mm，使用這種注射成型方法制造薄壁表皮的工藝目前尚未在量產車上大量使用。

3 研究對象

儀表板表皮作為汽車內飾最主要的部件，是提升內飾高品質感的重要組成部分，往往覆蓋整個儀表盤，也是汽車塑件中最大的表皮類塑件。傳統的通過成型獲得的儀表板表皮塑件厚度多為1.0～1.2mm。

本文的研究對象外形尺寸為（見圖1）：1,472×99×72mm（BLB56667），設計壁厚為0.9mm，相對均勻，屬于極大又極薄的塑件類型。

圖1 儀表板表皮

4 超薄表皮注射成型設計

4.1 結構設計

一般的塑件設計時，默認狀態下開模之后塑件留在型芯側，如果定模側有倒扣，需要在定模側設置滑塊（slide），這樣在塑件定模面會有一條很明顯的分型線，如圖2所示。

圖2 常規塑件設計

而通常儀表板表皮塑件的邊界環境復雜，定模側面會有較多的倒扣產生。如定模面有分型線，則會嚴重影響儀表板表皮的感官質量。為此，本文在進行表皮塑件可行性分析時，確定表皮塑件倒扣的部分不做滑塊處理，殘留在模具的定模側，在一定的壁厚范圍內對塑件倒扣部分做增加肉厚處理（見圖3）。由于較厚的壁厚會引起縮印，影響外觀品質，所以要根據塑件的材料性能、成型條件，平衡壁厚避免縮印的發生。

圖3 表皮注射成型塑件設計

根據上述原理，設計其特有的塑件斷面如圖4所示。

圖4 表皮板表皮結構設計

4.2 高流動性材料

一般大型塑件的壁厚在2.5mm左右，壁厚最薄的塑件也在1.8mm 以上。本文研究的塑件厚度0.9mm。模具腔體空間薄至0.9mm，樹脂流動的阻力會急劇增加。為了塑件的成型性，選在材料時需要選擇高流動性的材料，則需要降低材料的粘度，還需要平衡表皮硬度等機械性能。本工藝用于薄壁注射成型工藝材料，常規的材料難以實現，本工藝選擇TPE，為了通過薄肉注射成型實現大件的安裝面板表皮具有高流動性，為了達到某些部件要求性能，研究設定了滿足生產性能和性能要求的材料開發目標值。

MFR 指數為熔體流動速率，原稱熔融指數，其定義為：在規定條件下，一定時間內擠出的熱塑性物料的量，也即熔體每10min通過標準口模毛細管的質量，用MFR 表示，單位為g/10min。MFR 指數是標識材料流動性的一個重要指標。圖5所示是不同材料的熔融指數，從圖5可以看出，選擇的注塑TPE材料的熔融指數遠遠高于常規的PP、ABS 材料，以及用于薄壁注塑PP材料。

5 超薄表皮注射成型工藝優化

5.1 填充分析優化

本文研究的這種超大又超薄的表皮塑件，不同于普通塑件。如果是普通注射成型材料，若其流長比為250mm，這長度為1,472mm 的塑件可采用6～8 個澆口較為適宜。但是本塑件雖然已經選取了流動性相對較高的材料，但是TPE材料在0.9mm的腔體內流動，所受的阻力依然極大，是否可以較好的填充滿塑件以及降低注射壓力，依然是成型面臨的首要問題。增加澆口數量以及增加澆口部位的尺寸是保證填充降低壓力采取的主要措施。在前期分析中，通過分析不斷優化，最終選取了14點的澆口方案，如圖6所示，不僅為了保證TPE材料快速均勻的填充進塑件腔體，而且為了保證塑件表面沒有影響外觀質量的熔接痕。在澆口設計上采用熱流道順序閥的方式，澆口直徑為φ5.0mm，如圖7所示。由于澆口無法直接點在塑件的外觀面上，所以本塑件澆口中的G4、G6、G8、G10所在的位置為塑件后期需要剪切的部位，其余澆口均布置在塑件的外圍。

圖5 不同材料的熔融指數

圖6 澆口位置

圖7 澆口

為了保證塑件填充、流動平衡、壓力均勻，研究分析了兩種不同的澆口開啟方案：方案一，從塑件的中間向兩側推進，首先打開G6，再順序打開其他澆口，如圖8所示；方案二，從塑件的一側推向另外一側，如圖9所示；從圖8、圖9的等值線結果可以看出，方案一存在壓力大，打不滿的風險，圖示區域內等值線顯示填充時存在滯留和競流，塑件大面有色差風險；另外其他大面區域也存在流動不均勻平衡的問題。而方案二則相對等值線均勻，不存在打不滿壓力大的風險。經過分析，最終選擇方案二，采用從塑件的一側向另一側推進的原則，G1 首先開啟，然后依次打開G2、G3等澆口；G11、G12作為料流末端的保壓用澆口。

圖8 澆口開啟方案一

圖9 澆口開啟方案二

實際試模中，采用上述的澆口方案二，使用2,500t 的注塑機，設定注塑壓力為100～110MPa，得到圖10所示的儀表板表皮，塑件飽滿無飛邊，無明顯熔接線，無鎖模力不足，壓力過大的現象。

5.2 壁厚與注塑壓力

TPE是一種彈性體材料，材料特性決定其在出模冷卻之后有一定的膨脹率，設計厚度為0.9mm表皮的實際厚度會隨著材料膨脹率的變化而變化，所以對于表皮注射成型實際塑件的壁厚控制尤其重要。

針對該塑件，進行了3 輪（Round 1、Round 2、Round 3）的試模驗證，其中Round 1與Round 2的主要區別在澆口方式，一種為開放式，一種為順序閥；Round 2與Round 3都采用順序閥，其區別在模具溫度/材料溫度/順序閥時間等工藝參數的調整如表1所示。

表1 試模工藝參數調整

經過試模得到實際樣件后，對Round 1、Round 2、Round 3 的樣件取點進行壁厚測量，得出Round 1、Round 2、Round 3 塑件的壁厚相關參數如表2 所示，以及各個塑件的壁厚分布散點圖如圖11 所示，從中可以得出：

表2 壁厚試模驗證表

圖11 壁厚分布散點圖

（1）Round 1/2/3壁厚的趨勢基本一致，Round 3平均值為1.02mm，壁厚膨脹率明顯優于Round 1、Round 2。

（2）工藝參數對塑件壁厚的影響很大，僅調整工藝參數，壁厚的變化范圍約0.11mm。

（3）表皮塑件的壁厚公差范圍大于普通PP塑件。

由上還可以得出，工藝參數中的注射壓力是影響實際塑件壁厚的主要因素。Round 3調整澆口針閥開啟及關閉順序及時間，獲得了較小且平衡的注塑壓力，從而獲得了最優塑件。根據試模數據，可以得到注射壓力與壁厚的關系如圖12所示，隨著注射壓力的增大，塑件壁厚膨脹率會越大，從而導致塑件壁厚增大。為獲得較好的塑件壁厚，在填充過程中，需要確保塑件所有部位的壓力不高于110MPa。

圖12 壁厚膨脹率與注塑壓力的關系

6 塑件實驗驗證

采用上述優化方案，實際試模生產出儀表板超薄表皮，并針對該塑件進行了子系統需求的各項試驗。其中，對表皮質量要求較高的氣囊弱化試驗中，尚未出現塑件不良現象。圖13所示為氣囊弱化后的儀表板表皮塑件狀態。

圖13 氣囊弱化后的儀表板表皮

7 結論

采用新型注射成型工藝成型出儀表板超薄表皮，并通過結構優化設計、材料選擇、基于虛擬模擬的流動分析、以及后續的實際試模等，對其成型工藝及疑難問題進行總結研究。試驗驗證，超薄表皮具有良好的可制造性，可滿足試驗要求。對類似塑件的量產可行性具有一定的指導意義。