現(xiàn)代汽車儀表板成型與加工工藝技術綜述

于廣達

（北汽福田汽車股份有限公司，北京101300）

主題詞：儀表板 工藝 成型 加工 表面裝飾

縮略語

PU Polyurethane（聚氨基甲酸酯）

LFI Long Fiber Injection（長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射）

RIM Reaction Injection Moulding（反應注射成型）

PUR （聚氨酯）

GF Glass Fiber（玻璃纖維）

PVC Polyvinyl Chloride（聚氯乙烯）

TPU Thermoplastic Polyurethanes（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）

TPO Thermoplastic polyolefin（熱塑性聚烯烴彈性體）

IMD In-Mold Decoration（膜內裝飾技術）

INS Film Insert Molding（嵌片注塑工藝）

TOM Three dimension Overlay Method（三次元表面加飾）

1 前言

隨著國內汽車行業(yè)的飛速崛起，汽車內飾業(yè)務發(fā)展迅速，從最初簡陋的內飾到目前日漸趨向豪華、舒適的內飾環(huán)境，汽車內飾正在發(fā)生著翻天覆地的變化。儀表板作為汽車內飾中的關鍵組成部分，其成型工藝、加工工藝、表面裝飾工藝也在伴隨著汽車工業(yè)的發(fā)展日趨豐富、成熟。為滿足更多年輕顧客群體的科技、時尚、高品質要求，一大批新工藝、新技術不斷涌現(xiàn)。科技和文化的變革正在引領著儀表板的設計開發(fā)朝著一個新的方向發(fā)展。

2 成型工藝

按照舒適性不同，儀表板可以分為硬質儀表板、半硬質儀表板和軟質儀表板3類[1]。顧名思義，硬質儀表板即表面觸感較硬的儀表板，采用注塑成型工藝，成型工藝簡單，成本低，多用于低端車型。軟質儀表板因其表面包覆皮質材料，內部填充發(fā)泡材料，使得外觀觸感較軟，表面光澤度低，但是其成型過程復雜，涉及搪塑工藝、發(fā)泡工藝、焊接工藝多個工序，開發(fā)成本較高，多用于中高端車型。半硬質儀表板的觸覺感受是介于硬質儀表板和軟質儀表板中間的一種產品，多采用真空成型，也有個別商用車采用PU噴塑工藝和長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射成型工藝（LFI）達到半硬質觸感的效果，真空成型分為陽模吸塑成型和陰模吸塑成型2種，其成本及外觀品質介于注塑和搪塑之間，是一些中端車型的不錯選擇，對于儀表板成型工藝的分類，可參考圖1。

圖1 成型工藝分類

下面對上述各工藝進行簡單介紹。

2.1 注塑成型

注塑成型是內飾塑料零件常用的加工工藝，工藝過程大致是將干燥后的塑料粒子在注塑機中通過螺桿剪切和料桶加熱成熔融狀態(tài)后注入模具中冷卻成型，開模后得到定型的塑料制品。注塑工藝是儀表板制造應用最廣泛的加工工藝，主要用來制造硬質儀表板本體、吸塑風管和軟質儀表板的骨架及其它大部分相關零件。主要工藝過程包括合模、填充到脫模5個階段（圖2）。

圖2 注塑工藝流程

2.2真空成型[2]（陽模吸塑成型）

陽模成型（圖3）是一種表皮成型工藝。首先將已經(jīng)印有花紋的片材加熱至成型溫度，然后將片材靠近模具表面，開啟真空抽吸系統(tǒng)，在壓力作用下，片材緊貼陽模，冷卻后得到成型表皮。陽模成型模具投入小、壽命長，生產效率高，但表面花紋容易被拉伸，在拉伸量較大的地方花紋會放大、變淺或者消失，設計R角在1.5以上，設計自由度低，外觀質量差。

圖3 陽模成型工藝[2]

2.3 真空成型（陰模吸塑成型）

陰模吸塑（圖4）是一種表皮成型工藝。首先將表面無花紋的片材加熱至成型溫度，然后吸附至模具表面，將模具表面的花紋印制在片材上，冷卻后得到成型表皮?；y均勻且可實現(xiàn)一個表皮多種花紋。皮紋均勻清晰，手感好，模具壽命相對較高，比搪塑提高3～6倍，生產效率高。此外，陰模吸塑工藝還可以和復合工藝結合到一起使用，將襯有發(fā)泡層的表皮（背部有3～5 mm發(fā)泡層）成型后直接復合到儀表板骨架上，從而省略了發(fā)泡工藝，但直接復合的表皮由于發(fā)泡層較薄，手感較發(fā)泡儀表板差。另外，陰模吸塑的模具及工裝成本較陽模成型高。

圖4 陰模成型工藝[2]

2.4 PU噴塑成型

聚氨酯噴涂成型（圖5）表皮(PU Spray Skin)的加工工藝過程是：在模具上噴脫模劑→噴漆（顏色）→噴PU原料形成表皮（由機械手控制在不同地方的厚?。鋮s→取出表皮。一般，表皮的厚度可以通過噴涂的時間和流量來調節(jié)和控制。該表皮皮紋均勻、手感良好、可實現(xiàn)雙色或多色，生產出的表皮更接近真皮，其皮紋可以做的很深。表皮低溫性能好，對氣囊的低溫爆破有很大好處。由于其靠機械手的運動進行噴涂，因此對表皮形狀要求較高，設計自由度低。PU噴塑表皮具有優(yōu)秀的性能，但是其成本高于搪塑工藝，多用于歐洲車型，在國內車型上較少見。

圖5 PU噴塑成型工藝流程

2.5 長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射成型[3]

長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射成型工藝（Long Fiber Injection，LFI），如圖6，是在聚氨酯反應注射成型工藝基礎上開發(fā)的一種新型增強PU-RIM生產技術。該技術是在高壓澆注機混合頭附近將長玻璃纖維切割成長度為1～10 cm的長纖維，PU物料注入模腔之前，在混料腔內與直接添入的切碎纖維浸潤/混合，經(jīng)化學反應固化成型，制得玻璃纖維增強PU制品。該工藝成型簡單，成型時間短，生產效率高，同時材料對模具的磨損、腐蝕性小，觸感介于硬塑和搪塑之間，多用于大型商用車儀表板。

圖6 長玻璃纖維增強聚氨酯反應注射成型

2.6 搪塑成型

搪塑工藝（圖7）是一種表皮成型工藝。將帶皮紋的搪塑模具（鎳殼）背面或整體進行加熱，模具和搪塑粉末的粉箱對接后一邊加熱一邊旋轉，粉箱中的塑料粉末自然落入模具中融化，熱模表面上就會形成一個形狀與模具一致的帶皮紋的表皮，然后取下粉箱，對模具進行冷卻后人工取下得到的表皮。表皮花紋均勻，手感良好，設計自由度大，但模具壽命低，約2～3萬套，且生產效率低。一般的表皮厚度在1.0～1.2 mm，該工藝是制作軟質儀表板的主要工藝。

圖7 搪塑成型

搪塑完的表皮制備完畢后，將其和儀表板骨架放入模具中，進行發(fā)泡，以得到觸感較軟的儀表板本體，發(fā)泡分為開模發(fā)泡和閉模發(fā)泡2種。

（1）開模發(fā)泡：將表皮與骨架分別固定在發(fā)泡模具中，在模具開啟狀態(tài)下將發(fā)泡料澆于表皮內側，然后關閉模具，使其交聯(lián)固化，該工藝產品質量穩(wěn)定，設計自由度大，但生產效率低。

（2）閉模發(fā)泡：將表皮與骨架分別固定在發(fā)泡模具中，關閉模具，注入發(fā)泡料，使其交聯(lián)固化，該工藝的成品率相對低，但生產效率高，因需要考慮發(fā)泡的流動，因此設計自由度低。

上述幾種表皮成型工藝的對比見表1。

表1 表皮成型工藝對比

2.7 表皮材料性能對比

對于軟質表皮，材料一般分為PVC、TPU和TPO3種，各種表皮材料性能對比如表2。

表2 表皮材料性能對比

3 加工工藝

儀表板系統(tǒng)在生產過程常用的加工工藝主要包括切割、焊接和弱化工藝。

切割工藝主要用于因注塑工藝要求導致產品上多出設計的部分，進行2次加工處理以滿足設計需求，常見的有搪塑發(fā)泡完成后封堵的卡扣孔。切割工藝分為沖切、銑刀切割、水刀切割和激光切割。

焊接工藝主要用于手套箱內外板、前除霜風道及其他不容易做出安裝結構或需要較高強度的零件。儀表板系統(tǒng)常用的焊接工藝有熱板焊接、超聲波焊接和振動摩擦焊接。

弱化工藝主要是隱藏式副氣囊安裝區(qū)域的儀表板表皮、骨架及發(fā)泡層的弱化，以確保氣囊能夠順利展開。目前常用的弱化工藝有激光弱化和冷刀弱化。

3.1 切割工藝[4]

4種切割工藝對比，見表3。

表3切割工藝對比

3.2 焊接工藝[5]

3.2.1 熱板焊

熱板焊（圖8）是應用比較廣泛且加工方法最為簡單的塑料焊接工藝之一。焊接過程中，隨型加熱板放入2零件之間，并對零件進行加熱至熔化溫度，然后取出加熱板，對零件進行加壓力，使熔化的焊筋貼合在一起，在可控壓力下冷卻和凝固而形成焊接。熱板焊焊接零件尺寸跨度大，焊接時間從幾秒到幾十分鐘，有些大的制品甚至需要幾小時焊接。設備簡單，投入低。

圖8 熱板焊

3.2.2 超聲波焊

超聲波焊接（圖9）是利用高頻振動波傳遞到2個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使2個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波不僅可以被用來焊接硬熱塑性塑料，還可以加工織物和薄膜。超聲波焊接速度快，焊接強度高、密封性好。適合大批量生產，但是焊接后存在焊點外露缺陷。

圖9 超聲波焊

3.2.3 振動摩擦焊

振動摩擦焊（圖10）是利用電磁傳動裝置使2個塑料零部件產生相對運動，通過摩擦運動在零件內部產生熱量，進而熔化基材后，使2零件焊接到一起的方法。振動摩擦焊的振幅0.15～5 mm、焊接時間1～10 s、焊接壓力1～4 MPa。振動摩擦焊幾乎能焊接各種成型工藝的零件。

圖10 振動摩擦焊

以上3種焊接工藝對比見表4。

表4 焊接工藝對比

3.3 弱化工藝

弱化工藝主要用于副氣囊區(qū)域儀表板本體、表皮等的弱化，以保障氣囊能夠順利彈出且不產生飛濺物傷及乘員。目前常用的弱化工藝有冷刀弱化和激光弱化2種，此2種弱化工藝與3.1所述切割工藝同理，只是切割工藝需要將產品完全切割掉，而弱化工藝需要控制產品殘余厚度，2種工藝比較，激光弱化對于產品殘余厚度精度控制更好，產品外觀質量更高，但相應的激光弱化設備投入也更大。目前對于軟質儀表板的弱化多采用性價比更高的冷刀工藝來實現(xiàn)。

4 表面裝飾工藝

儀表板作為駕駛室內與乘員最直接接觸的零部件，其豐富的表面裝飾工藝能夠提升整車內飾品質，給乘員帶來良好的駕乘感受。目前儀表板系統(tǒng)應用的裝飾工藝主要有皮紋、噴漆、電鍍、燙印、絲印、水轉印、IMD、INS、TOM[6]以及植絨等。皮紋、噴漆、電鍍在內飾上應用非常廣泛，此處不做贅述。下面對燙印、水轉印、IMD、INS和TOM的集中裝飾工藝技術做簡要概述。

4.1 燙印工藝

燙印工藝通過壓力和熱量將熱燙箔的油墨色彩轉印到塑料件上。零件表面質量要求高，燙印要求燙印面的落差在10 mm以內，長度在450 mm以內，寬度9 mm以內最佳?？梢酝ㄟ^不同的熱燙箔實現(xiàn)不同的色彩需求。燙印需開發(fā)專門的工裝和硅膠壓頭，無污染。常用于出風口葉片頂端的電鍍效果飾條。在外飾上應用較為廣泛。

4.2 水轉印工藝

水轉印工藝用特殊化學處理的薄膜，印上所需的色彩紋路后，平送于水的表面，利用水壓的作用，將色彩紋路圖案均勻地轉印至樣件表面，這時披覆膜則自動溶解于水，經(jīng)過清洗以及烘干后，增加一層透明的保護涂層，達到保護漆膜的目的。水轉印為高污染工藝，隨著國家對環(huán)保要求的提高此種工藝將逐步被淘汰，但因其成本較低，對產品表面造型要求較低，故還有一定程度的應用。工藝流程如圖11。

圖11 水轉印工藝流程

4.3 IMD工藝

IMD工藝是將連續(xù)片材的一部分置于模具腔內，注塑后塑料件將片材表面絲印的圖案帶走，與片材分離。IMD產品各部分高度差不能太大，通常在10 mm以內，產品裝飾面只能做到分型面且要求裝飾面不能有尖角，產品表面是連續(xù)的表面?？梢?，IMD工藝對產品的造型面要求較高，需要在前期造型階段特別注意。IMD工藝屬于模內轉印，要求生產環(huán)境高度清潔，且模具成本較高，一次成型即可同時獲得亞光、電鍍、金屬拉絲等多種工藝效果，IMD薄膜制作周期長。IMD無污染，產品合格率在75%左右。工藝流程如圖12。

圖12 IMD工藝流程

4.4 INS工藝

INS工藝是將裝飾薄膜通過真空吸附及沖裁成型，得到預制片材。再將預制片材吸附到模具內，然后合模并注塑，片材與塑料成為一體，得到具有裝飾表面的樣件。該工藝適用于復雜的三維表面零件，且可以實現(xiàn)倒扣包模，環(huán)保無污染，塑料流痕缺陷可以被覆蓋，零件表面硬度、耐濕性、耐磨性、耐腐蝕等性能上優(yōu)勢明顯。需要投入真空成型和沖切模具，對生產環(huán)境要求較高，成本相對IMD高?？蓪崿F(xiàn)1個零件2種裝飾色彩。工藝流程如圖13。

圖13 INS工藝流程

4.5 TOM工藝

TOM工藝是一種通過活用真空成形技術，利用真空或大氣壓，把已加工過并涂布有黏著層的薄膜，緊密貼附于加工物表面的新一代加飾工藝，即模外裝飾技術。TOM所采用的膜片可以帶表面觸感并實現(xiàn)3D立體效果，外觀品質較INS和IMD高，膜片成本高。對產品形狀要求低，設計自由度大，膜片邊緣可實現(xiàn)包覆效果。對于小型零件可實現(xiàn)一模出多個，生產效率更高，同樣對環(huán)境要求較高。工藝流程如圖14。

圖14 TOM工藝流程

上述5種工藝的特點見表5。

表5 表面裝飾工藝對比

5 結束語

汽車工業(yè)發(fā)展迅速，各工藝日趨成熟，在國內車型上已得到廣泛應用，大大提升了內飾的品質感，針對車型不同定位、不同風格、不同成本要求，有多種工藝可以應對，相信隨著科技的不斷進步，越來越多的成型工藝、加工工藝及表面裝飾工藝會在儀表板上得以開發(fā)并應用。

真皮包覆、智能表面等提升內飾科技感，豪華感的表面裝飾工藝以及微發(fā)泡等輕量化成型工藝在未來汽車發(fā)展過程勢必會得到廣泛應用。