低密度聚丙烯材料在門飾板上的應(yīng)用研究

李書鵬，王偉健，李波，張健

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

為了降低燃油或者電能消耗，不論是傳統(tǒng)燃油車還是新能源車，整車的輕量化設(shè)計(jì)都是一個(gè)重要的開發(fā)指標(biāo)。然而在推進(jìn)輕量化方案時(shí)，成本的變化是很多方案難以落地的攔路虎。質(zhì)量變化和成本的關(guān)系如圖1所示，隨著質(zhì)量的降低，成本也在降低，但隨著質(zhì)量進(jìn)一步減少，成本會(huì)達(dá)到最低的極點(diǎn)后增加。因此，在進(jìn)行輕量化方案設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮質(zhì)量和成本的平衡至關(guān)重要，也是方案最終得以實(shí)施的保障。

圖1 質(zhì)量和成本的關(guān)系

此次通過對(duì)材料配方改進(jìn)，同時(shí)在不改變現(xiàn)有模具、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下，替代現(xiàn)行材料，實(shí)現(xiàn)零件減重的同時(shí)維持綜合成本基本持平，最終方案成功搭載應(yīng)用到量產(chǎn)車型。

1 材料配方及驗(yàn)證

1.1 材料配方

門飾板常規(guī)選材為PP+EPDM-TD20，初步選取PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10兩種方案進(jìn)行替代開發(fā)，3種材料的典型物性對(duì)比如表1所示。

表1 性能對(duì)比

通過典型物性對(duì)比，3種材料在拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度性能上差別不大，而彎曲模量和收縮率差異較大，如果直接替代應(yīng)用，則會(huì)影響零件的剛性，同時(shí)由于收縮率較大也無法共用模具。因此，需要改進(jìn)材料配方提升其性能。

以PP+EPDM-TD20典型性能值為目標(biāo)，對(duì)PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10的配方進(jìn)行調(diào)整，主要從PP基體樹脂和滑石粉兩方面著手。

PP基體樹脂采用復(fù)配方式，提高均聚PP樹脂的含量，彌補(bǔ)由于滑石粉含量減少導(dǎo)致材料彎曲模量降低[1]。無規(guī)PP樹脂與均聚PP樹脂的典型物性對(duì)比如表2所示。

表2 無規(guī)PP和均聚PP物性

塑料改性時(shí)通過添加滑石粉改變塑料的多種性能，如成型收縮率、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度及拉伸強(qiáng)度等。根據(jù)用途的不同，塑料改性時(shí)添加的滑石粉粒徑從300目到3 000目不等[2]。

李偉等人[3]采用不同粒徑的滑石粉改性PP，研究不同粒徑的滑石粉對(duì)材料拉伸性能、彎曲性能、沖擊能性及流動(dòng)性能的影響，得到了滑石粉粒徑變小(即目數(shù)增加)，材料的拉伸強(qiáng)度和流動(dòng)性沒有明顯變化、彎曲模量和沖擊性能增加的結(jié)論。

因此，降低滑石粉含量時(shí)，可以通過提高滑石粉的目數(shù)來彌補(bǔ)性能的降低。然而，隨著目數(shù)的增加，滑石粉的價(jià)格也會(huì)增加，需要對(duì)配方的性能和成本進(jìn)行綜合評(píng)估，選擇合適目數(shù)的滑石粉填充[4]。

1.2 材料性能驗(yàn)證

以現(xiàn)行材料(PP+EPDM-TD20)的性能數(shù)據(jù)為目標(biāo)，基于上述材料配方改進(jìn)方案，重新開發(fā)PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10兩種規(guī)格，選取了3家供應(yīng)商開發(fā)的牌號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，性能測試數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

表3 PP+EPDM-TD5性能數(shù)據(jù)

表4 PP+EPDM-TD10性能數(shù)據(jù)

通過表3和表4所示的材料性能數(shù)據(jù)，PP+EPDM-TD5規(guī)格在彎曲模量性能上很難達(dá)到目標(biāo)值的要求[5]，應(yīng)用時(shí)存在零件剛性不足的風(fēng)險(xiǎn)，如繼續(xù)對(duì)材料配方改進(jìn)則會(huì)帶來成本大幅上升。因此，綜合評(píng)估后選取PP+EPDM-TD10方案進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證。

2 零件成型分析及驗(yàn)證

2.1 零件成型分析

選取某車型門飾板數(shù)據(jù)，通過Moldflow分析對(duì)比PP+EPDM-TD10和PP+EPDM-TD20的成型性，從注射壓力、體積收縮率及翹曲變形3個(gè)方面進(jìn)行差異分析，分析結(jié)果如圖2—圖4所示。

圖2 注射壓力

圖3 體積收縮率

圖4 翹曲變形

分析結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

(1)TD20和TD10材料的注塑壓力分別為59.4 MPa和64.1 MPa，TD10材料注塑壓力略大于TD20；

(2)地圖袋區(qū)域因壁厚較厚，保壓不足體積收縮率較大，有縮痕風(fēng)險(xiǎn)，兩種材料相當(dāng)；

(3)兩種材料翹曲變形趨勢一致，兩個(gè)角(紅色區(qū)域)上翹，地圖袋區(qū)域下凹，TD10變形量略大于TD20。

由Moldflow分析結(jié)果可以看出，兩種材料在成型性上差異不大，后期可以通過部分工藝參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 零件成型驗(yàn)證

選取某量產(chǎn)車型門飾板模具(應(yīng)用材料：PP+EPDM-TD20)對(duì)PP+EPDM-TD10材料進(jìn)行試模驗(yàn)證，評(píng)估成型性、外觀、質(zhì)量及收縮率。

根據(jù)現(xiàn)場試模確認(rèn)，零件無缺膠、縮孔等成型缺陷，在喇叭網(wǎng)孔處有比較明顯的熔接痕缺陷，后期通過調(diào)整材料的熔指，解決了熔接痕的問題。

與現(xiàn)行零件質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比質(zhì)量減少192.6 g，質(zhì)量信息如表5所示。

表5 質(zhì)量信息

對(duì)試模件的尺寸間隙通過檢具進(jìn)行了測量，測量部位如圖5所示。

圖5 測量示意

尺寸間隙要求值(量產(chǎn)件)和檢測結(jié)果(試模件)如表6所示。

表6 尺寸間隙檢測結(jié)果 mm

由尺寸間隙的檢測結(jié)果可以看出，在現(xiàn)有模具上驗(yàn)證，局部點(diǎn)存在尺寸間隙超標(biāo)。初步原因分析：(1)現(xiàn)場試模沒有對(duì)注塑條件進(jìn)行調(diào)整；(2)材料的流動(dòng)性差異。

3 成本分析

在不改變模具、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的前提下，通過材料替代達(dá)到減重目的。因此在評(píng)估成本時(shí)，可以忽略模具、設(shè)備或結(jié)構(gòu)的變更帶來的成本變化，只需評(píng)估材料和制品質(zhì)量帶來的成本變化。兩種材料的成本對(duì)比(基于門飾板)如表7所示。

表7 成本對(duì)比

注：表中材料單價(jià)未含稅，為供應(yīng)商初步報(bào)價(jià)，供分析時(shí)參考。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過提升均聚PP(高模量)基體樹脂含量和選取高目數(shù)滑石粉等手段，制得低密度PP+EPDM-TD10材料，材料性能與常規(guī)PP+EPDM-TD20基本持平，同時(shí)采用量產(chǎn)車型的零件數(shù)據(jù)和模具，驗(yàn)證了PP+EPDM-TD10替代PP+EPDM-TD20的可行性，最終該方案成功應(yīng)用到新研發(fā)車型。