基于注塑成形的轎車玻璃輕量化技術開發及應用

吳松，崔厚學

1.東風鴻泰控股集團有限公司運營管理部 湖北武漢 430056

2.東風汽車集團有限公司戰略規劃與科技發展部 湖北武漢 430056

中國汽車產業經過十余年高速增長，產銷量連續位居全球第一，成為世界第一汽車產銷大國。隨之而來的高油耗、高污染等問題也日漸突出。同時，國內汽車業進入微增長階段，消費者對汽車油耗、性能和外觀提出了新的更高的要求。未來轎車應該是一種更安全、更舒適、更輕便、更經濟及更節能環保，同時能兼顧用戶審美要求的產品。

輕量化結構設計及輕量化材料推廣，是實現汽車輕量化的必經之路。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA（Polymethyl Methacrylate）材料在轎車上的推廣應用將是一個很好的發展方向。PMMA俗稱有機玻璃，是目前汽車零部件應用較多的透明塑料品種之一，也是迄今為止合成透明材料中質地優異、價格適宜的塑料品種。

1901年德國奧托·羅姆博士發明了醇鈉和丙烯酸酯的縮聚產物，1921年他又推出了以乙烯通過氯乙醇合成丙烯酸酯的工業路線，并于1927年在德國率先實現了該產品的工業化生產。歐洲給這種材料取名ACRYLIC，中文譯做“亞克力”。PMMA具有質量輕、耐熱性好及光學性能優良等優點，被廣泛應用于車身部件制作。其單體MMA（甲基丙烯酸甲酯）在常溫下呈無色透明狀。PMMA塑料有極好的透光性能，透光率可達92%，機械強度較高，具有良好的耐熱、耐寒及耐腐蝕性，易于成型且尺寸穩定，可用于加工有一定強度要求的透明零部件。有效降低車輛整備質量，從而實現汽車輕量化。基于此目的，本文進行了PMMA有機玻璃替代傳統無機玻璃的可行性試驗論證。

汽車玻璃材料

1.汽車玻璃材料

玻璃材料一般有透光、透明、保溫、隔聲、耐磨以及耐氣候變化等性能要求。平板玻璃主要物理性能指標有：折射率約1.52，透光度85%（厚2mm的玻璃，有色和帶涂層者除外），軟化溫度650～700℃，熱導率0.81～0.93W/（m·K），膨脹系數9×10-6～10×10-6/K，比重約2.5，抗彎強度16～60MPa。其中，厚度、透光率、抗磨性、抗沖擊和耐候性等，是汽車玻璃選材需要主要考慮的性能指標。我國目前汽車玻璃主要參照法規是GB9656—2003,該標準與歐洲經濟委員會制定的ECE R43—2000《安全玻璃材料的統一規定》的內容基本一致。

2.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

PMMA的基本特性如下，決定了其適合用于汽車玻璃。

1）質量輕。PMMA密度大約在1150～1190kg/m3，是普通玻璃（2400～2800kg/m3）的一半。

2）可見光透過率高。PMMA是目前最優良的高分子透明材料，可見光透過率達到92%。

3）耐候性好。PMMA具有突出的耐老化性能，大大優于其他塑料材料。

4）加工性能好。PMMA不但可以進行注塑、熱壓、吹塑和擠出等塑料成形加工，而且可以進行切削、鉆孔、粘結的后續加工，適合設計制造較大曲率的車窗。

汽車玻璃是整車質量中占比較大的零部件，通常單車玻璃用量可達40kg。目前傳統汽車一般使用以硅酸鹽為基礎原料的無機玻璃，如果用PMMA有機玻璃取代無機玻璃，將使玻璃質量減半，對整車減重效果明顯。而且PMMA適用注塑、擠出及熱壓等多種成型工藝，比無機玻璃的成型工藝自由度更大，可以設計較為復雜的曲面，在實現輕量化的同時，給汽車外形設計留下更多造型空間。

PMMA在汽車玻璃上應用

采用PMMA有機玻璃擠出板制成的采光體，與傳統無機玻璃采光裝置相比，具有整體結構強度高、質量輕、透光率高和安全性能好等特點。

PMMA有機玻璃用于制造汽車風窗的成功案例有：長安奔奔后三角窗（見圖1），雪鐵龍DS5后側窗（見圖2）。

圖1 長安奔奔（后三角窗）

圖2 雪鐵龍DS5（后側窗）

1.PMMA在汽車玻璃上的應用

以雪鐵龍DS5后側圍窗玻璃為研究對象，對其使用PMMA材料制作汽車后側圍玻璃案例進行了研究分析。曲率斑馬線如圖3所示，曲面曲率分析如圖4所示，結構均勻度分析如圖5所示。

圖3 曲率斑馬線分析

圖4 曲面曲率分析

圖5 結構均勻度分析

（1）結構分析 此零件設計按照兩層結構處理，分內框和外殼，內框材料為ABS/PC合金材料，其強度優異，抗老化性能佳；外殼使用日本帝人提供的PMMA材料。ABS/PC合金材料和PMMA材料物理性能可通過注塑方式融合。

（2）成型工藝分析 如圖6所示，采用多色注塑技術來實現結構疊加式雙色零件的成型，使用多色注塑機成型高光PMMA材料注塑技術目前在國內只有為數不多的專業廠家能獨立完成，東風旗下的神光模塑公司具備該項技術完整的設計、工藝及工業化能力。

圖6 成型工藝分析

2.基于PMMA材料的汽車玻璃的性能驗證

針對雪鐵龍DS5車型進行分析，研究PMMA汽車玻璃材料。

根據GB9656《汽車安全玻璃》和ECER43《關于安全玻璃材料及其在車輛上的安裝認證的統一規定》中規定的檢測項目，汽車安全玻璃關鍵性能要求為：高透光率、高耐候性、高耐熱性、抗沖擊性、抗刮擦性及化學穩定性。具體實驗項目如下。

（1）柔性測試 該項測試的目的是檢驗有機玻璃材料屬于剛性類還是柔性類。

（2）人頭模型沖擊測試 目的是驗證人頭部沖擊有機玻璃時，頭部受傷程度是否符合相關的限度要求。

（3）機械強度測試 227g鋼球測試：評估PMMA有機玻璃的機械強度。

（4）耐磨性測試 確定有機玻璃的耐磨性是否大于規定值。

（5）耐模擬氣候性測試 驗證對模擬天氣變化條件下的承受力。

（6）涂層附著力測試 檢查有機玻璃耐刮擦涂層是否具備足夠高的附著力。

（7）耐濕性測試 檢驗有機玻璃長期暴露在潮濕環境而性能無明顯變化。

（8）光學質量 檢驗有機玻璃的透光性是否滿足PMMA三角窗玻璃能滿足各項性能要求，從而有力地支持了PMMA材料在乘用車三角窗上的應用。

結語

使用PMMA材料，在汽車玻璃上比傳統材料有顯著優點，比如：

1）區別于傳統玻璃，在滿足功能和性能的前提下，PMMA注塑工藝能夠給設計師提供各類曲面造型風格的支持，從而有效提升車身識別度及車型檔次。

2）PMMA注塑能提供光澤度超過120的高光表面效果，且可方便對其顏色按客戶需求進行調制。

3）相對傳統玻璃生產，PMMA多次注塑技術工藝簡單，能耗低，成形周期短，生產過程無污染且材料可回收再利用。

在汽車行業進入微增長的今天，車輛個性化、輕量化及環境友好將是未來消費者更加關注的特質，這也是未來汽車的發展方向。采用PMMA材料，使用多色注塑技術成形的新型汽車玻璃必將有更加廣泛的應用空間。