貫穿式汽車尾燈設計與應用

江曉翊，孟云飛

（敏實集團，浙江 嘉興 314006）

隨著我國汽車行業的快速發展，目前市場呈現百花爭鳴的態勢，消費者對汽車的新穎造型和功能追求越來越高。2012年林肯MKZ使用貫穿式尾燈打開了尾燈設計的新風尚：貫穿式造型尾燈[1]。貫穿燈一般使用焊接工藝[2]，熱板焊接的原理是將需焊接的2個塑料件的表面用熱板同時加熱，然后在一定的壓力下壓合熔融部分材料，冷卻之后塑料件之間形成牢固的鏈接[3]。振動頻率和振幅連續可調的電磁振動頭可以確保產品不會虛焊[4]。在貫穿燈的設計開發過程中需要關注每一個可能影響產品總成性能表現的因子。

1 應用實績問題分析

貫穿式汽車尾燈近年來在市場上的新車型上面有了很廣泛的應用，可以發現貫穿式的尾燈在汽車市場及造型部門的應用中呈現上升的趨勢，針對這類產品，往往會涉及貫穿燈與車輛兩側車大燈的造型匹配和延續性，產品本身也會涉及一些典型的要求，比如防水透氣功能的實現，氣密性、水密性的實現，包括內外板的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）與工程塑料合金（PC+ABS）的焊接功能，焊接時候的相容性，雙色注塑的匹配性，雙色注塑、物理氣象沉積（PVD）、硬質涂層（Hard coating）和工藝的性能考量，振動摩擦焊接的一些性能考量，產品的整體插拔力的考量，以及造型車身的外觀視覺效果的考量。因為產品橫貫車身，所以一般都比較長，這樣就會產生諸如翹曲、波浪紋、褶皺、縮水、粒點、橘皮、卷邊、異響、燙傷、燒焦、壓腫、飛邊、熔接線、銀絲、斷差、光影不順、拋光痕和PVD漏鍍等各種各樣的不良問題。因此，在貫穿燈的設計初期，到過程管控，再到異常分析對策，最終到裝車試驗功能驗證等，需要全方位地進行人機料法環的預判和分析。結合數據模擬和實物分析及參數因子DOE試片驗證等手段，最終設計和開發出可靠的貫穿燈產品。

2 材料選擇

材料的選擇是貫穿式汽車尾燈非常核心的一個環節，材料的性能會影響到產品本身的性能，包括工藝中注塑、焊接、PVD和產品成型之后的冷熱循環及插拔力等諸多核心性能的實現。貫穿式汽車尾燈通常使用透明的材料作為一個外板，利用PMMA透明料和PMMA黑色料雙色注塑成一個外板，同時配以PC+ABS的內板，通過焊接的工藝來進行整體的成型。

2.1 內板材料選擇

關于基材PC+ABS材料的選擇，需要綜合考慮拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲模量、熱變形溫度及最重要的熔融指數的表觀，同時因為是汽車外飾件，產品的外觀光澤、黑度及成型性也需要綜合考量，所以基于如下的打分表（見表1）的對比，最終選擇了材料3。

表1 不同材料供應商的PC+ABS材料性能對比

貫穿式汽車尾燈在T3試模之后，從產品的內外板單件到產品的總成都產生了不少的問題點。針對這些問題點進行分析。

2.2 外板材料選擇

在確定了內板的成型材料之后，需要重點考量產品的外板材料，外板材料肩負著外觀和整體透光的要求。所以一般從透明性的要求來說，行業里會有PMMA和PC 2種材料的選擇，PMMA材料的黑度包括光澤性會優于PC，同時PC材料在耐候試驗之后，會出現發黃的現象，所以在外觀上就會選擇PMMA。目前行業內也會有PC改性的材料可以符合使用要求，但是往往價格比較貴，所以最終選擇了PMMA。

3 焊接工藝的選擇

在確定了PMMA和PC+ABS的工藝之后，首先可以確定的是焊接之后，因為產品比較長，需要做退火的處理，以此防止應力集中產品開裂現象出現。

紅外預熱振動摩擦焊。貫穿燈在進行焊接工藝選擇的時候，需要面臨2個問題的考驗，第一，產品需要達到燈一級的外觀，內外板焊接之后，往往會產生焊渣和焊屑、焊絲等次生料。這樣外觀上就無法滿足客戶的要求。第二，相關的焊渣、焊屑和焊絲也會對后序工序的PVD工藝產生非常大的影響。因為PVD沉積的膜厚非常的薄，所以在有這些雜質的時候外觀往往是被判定為不良品的。因此基于圖1（a）的普通摩擦焊接縫和圖1（b）的紅外預熱振動摩擦焊接縫的對比，最終會選擇紅外預熱摩擦焊的工藝用于貫穿燈的焊接。

圖1 2種焊接工藝焊接縫對比圖

4 產品插拔力要求

產品的總成的插拔力要求是插入力小于65 N，拔出力大于98 N，在這樣的試驗要求情況下，綜合考慮材料物理性能的影響（見表2），對產品的總成進行計算機輔助工程（CAE）解析的分析，最終發現產品的總成滿足整體的要求，在前期就規避了插拔力不足的影響。

表2 材料的物理性能

5 產品的人機工程校核

針對注塑件產品來說，在產品的造型面會有2種情況產生，第一種情況是如果在P.L線附近的夾角因為整車的造型而比較尖銳，這樣的情況下，產品出來之后因為尖邊會對內部生產工藝過程的操作工人和產品總成的安裝工人，以及車輛的使用者在觸碰的情況下造成傷害。第二種情況是在P.L線附近有飛邊和毛刺的產生，在進行下一道工序的時候會對產品產生劃傷，對操作工人產生劃傷手指等操作的風險。因此在設計的前期，就會針對產品的邊緣部分進行產品角度的校核，一般會盡量把產品的角度做到65°以上，同時在邊緣部分比如凸臺部分可以做玉緣的結構，形成圓形的過渡，這樣就不容易對人造成傷害，最后在產品的開發階段，可以使用UL利邊測試儀對（圖2）產品的邊緣進行檢測。

圖2 UL利邊測試儀

6 產品的注塑工藝DOE

當貫穿燈產品出來之后，產品出現了比較嚴重的問題點，包括：①主澆口氣痕——扇形氣痕；②產品結構印（縮印/應力痕）——存在結構印；③溫差線——溫差線伴有發白狀。且產品的批次工藝調整的狀態不同，經常出現產品品質的來回波動，往往一種不良調整消除之后，另外一種不良或者多種不良就會出現。在這種情況下，就非常有必要進行產品注塑工藝的試驗設計（DOE）分析，來進行最佳工藝的篩選。

第一步，需要通過注塑短射來確定注塑是否左右側走膠均衡（如圖3所示）。

圖3 注塑短射驗證

第二步，對注塑工藝產品的如上不良現象影響最大的3大模塊展開DOE的因子解析，分別是保壓壓力的DOE因子解析、射出速度的DOE因子解析和保壓時間的DOE因子解析，基于此3類分析，最終選擇出最佳工藝（見表3）。

表3 最佳注塑工藝DOE

7 基于PVD外觀匹配的改性材料性能比對

產品在開發的過程中，隨著客戶對于整車的外觀定義標準的變更，在設計初期對產品方案策劃的時候，進行的材料性能解析所選擇的材料類型可能在其他的產品性能方面可以滿足開發的需求，但是當客戶對整車外觀匹配提出新的要求和標準的時候，就需要基于材料進行改性調整。通過最佳改性材料光澤色差反光率對比（表4）和最佳改性材料產品外觀和尺寸對比（表5）2個綜合維度的考量，最終選擇出材料3的各項指標是最匹配本零件的綜合性能要求。

表4 最佳改性材料光澤色差反光率對比

表5 最佳改性材料產品外觀和尺寸對比

8 結論

隨著我國新能源和傳統汽車行業的興起和突破，汽車貫穿式汽車尾燈在市場上開始更多地應用于選配和車型上。本文通過對貫穿式汽車尾燈的設計和開發的研究，有如下總結和業界同仁分享。

（1）貫穿燈材料的選擇：需要綜合考慮產品總成性能對材料物性、工藝流程中焊接力的評估，雙色注塑工藝對材料的流動性的影響。材料的選擇需要綜合考慮拉伸強度、斷裂伸長率、彎曲模量、熱變形溫度及最重要的熔融指數的表觀，同時因為是汽車外飾件，產品的外觀光澤、黑度及成型性也需要綜合考量，建議對材料的機械性能、熱性能和物理性能進行綜合比對考量。

（2）貫穿燈焊接工藝的選擇：最終會選擇紅外預熱摩擦焊的工藝用于貫穿燈的焊接。綜合考慮接縫的外觀及避免虛焊等因素。

（3）貫穿燈的產品插拔力、人機工程校核：選取其中的一個點去進行分享，希望更多的工作和驗證在虛擬設計階段進行，盡量前期規避風險，同時也可以用UL利邊測試儀之類的工具進行產品的后續校核驗證。

（4）最佳工藝DOE：在產品開發出現不良的時候，可以對注塑工藝產品的不良現象影響最大的3大模塊展開DOE的因子解析，分別是保壓壓力的DOE因子解析、射出速度的DOE因子解析和保壓時間的DOE因子解析。

（5）最佳的外觀匹配材料：通過最佳改性材料光澤色差反光率對比和最佳改性材料產品外觀和尺寸對比2個綜合維度的考量，實現實車匹配的最滿足整車外觀一致性匹配的基材。