微紋處理技術(shù)(Micro matte)在儀表板表皮搪塑模具上的應(yīng)用開發(fā)

趙彥博，張佳瑋，何曉茵

(1. 天津一汽豐田汽車有限公司 天津300457；2. 天津財經(jīng)大學(xué)珠江學(xué)院 天津301811)

1 汽車儀表板光澤度降低處理的必要性

汽車儀表板表面過亮、反光過高，會在前擋風(fēng)玻璃上產(chǎn)生映像(圖 1)，影響駕駛員視線，造成安全隱患。因此，在儀表板制品生產(chǎn)時，需要嚴(yán)格控制表面光澤度。

在普通乘用車中，根據(jù)制作工藝，汽車儀表板分為硬質(zhì)無涂裝、硬質(zhì)涂裝、軟質(zhì)發(fā)泡儀表板等，軟質(zhì)發(fā)泡儀表板雖工藝復(fù)雜，但質(zhì)感、觸感、高級感俱佳，最受消費(fèi)者青睞。其生產(chǎn)工藝分為表皮搪塑、骨架注塑、一體發(fā)泡等。其中，表皮搪塑工藝是決定發(fā)泡儀表板表面光澤的重要工藝。表皮搪塑工藝是以 TPU或 PVC粉末為原料，經(jīng)過對模具的高溫加熱將原料融化成形、冷卻、脫模，進(jìn)而與骨架配合制作最終發(fā)泡儀表板(圖2)。

圖1 汽車儀表板光澤度、擋風(fēng)玻璃上產(chǎn)生映像Fig.1 Glossinessof automobile dashboard and image on windshield

圖2 表皮搪塑工藝Fig.2 Slush molding process of skin

由于高溫加熱，隨著生產(chǎn)模數(shù)的增加，模具的光澤度將不斷升高(表 1)，最終超標(biāo)，對模具進(jìn)行高溫化學(xué)清洗，才能恢復(fù)到最初的光澤度。但隨著模具不斷使用，持續(xù)反復(fù)高溫加熱，制品光澤度上升的速度就會變快，模具需要清洗的頻率也越高，這時就需要針對模具進(jìn)行降低光澤度(簡稱“降光”)的處理。針對搪塑表皮模具的降光方法主要是噴砂處理(用一定比例的鋁砂與玻璃珠混合后對模具制品表面進(jìn)行噴打，通過摩擦增加粗糙度，從而降低光澤)。

表1 表皮生產(chǎn)中光澤度不斷升高的原理Tab.1 Principle of increasing glossiness in skin production

2 現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)

首先，由于噴砂處理是人工進(jìn)行，效果不穩(wěn)定，容易造成模具制品面局部明暗不均，從而影響品質(zhì)，且同一車型多個模具無法保證一致。其次，由于是以物理打磨的方式處理，多次處理會導(dǎo)致紋路磨損，降低皮紋質(zhì)感，嚴(yán)重時須對模具紋路重新進(jìn)行修復(fù)。另外，模具噴砂處理不僅費(fèi)用高，而且作業(yè)環(huán)境惡劣，也會造成污染。多次頻繁處理也會降低模具使用率，產(chǎn)能降低，間接提高了制造成本。

3 生產(chǎn)中模具光澤度升高導(dǎo)致的問題

3.1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

卡羅拉是泰達(dá)工廠主力車型，生產(chǎn)壓力大，產(chǎn)量最高達(dá)到 35000臺/月。由于儀表板表皮模具光澤度在生產(chǎn)中升高較快，清洗頻度不能滿足生產(chǎn)需求。

根據(jù)產(chǎn)量需求，以及模具光澤度上升的速度，每班至少需要清洗 14次模具，但由于模具數(shù)量、清洗場地以及清洗工藝本身時間長等限制因素，每班只能洗 6～7次，在短期內(nèi)無法達(dá)到理想的清洗程度(圖 3)。而使用得不到及時清洗的模具繼續(xù)生產(chǎn)，就會產(chǎn)生光澤度超標(biāo)的表皮制品。為了不造成浪費(fèi)，采用自噴漆噴涂降低光澤度的方法作為對策，以保證制品品質(zhì)(圖4)。

從圖 4可以看出，模具生產(chǎn) 25～30模次后的制品就需要進(jìn)行補(bǔ)修，但直到平均 70模次左右，模具才能清洗，因此需要補(bǔ)修噴涂的制品比例高達(dá) 77%。這種生產(chǎn)方式不僅增加了人員工時、補(bǔ)修漆的額外成本，而且衍生出了新發(fā)的市場不良反饋——異味。

圖3 理想模具管理狀態(tài)與實(shí)際情況的對比,Fig.3 Comparison between ideal mold management state and actual situation

3.2 市場異味問題

自 2015年開始，某第三方調(diào)查項(xiàng)目中增加了針對“車內(nèi)異味”的評價。車內(nèi)異味在 2015年、2016年連續(xù)成為排名第 1位的問題，并且有惡化的傾向(圖5)?？_拉在TFTM所有車型中被指出異味問題最多(圖6)。

圖4 生產(chǎn)中補(bǔ)修數(shù)量/程度與光澤度的關(guān)系Fig.4 Relationship between quantity/degree of repair and glossiness in production

圖5 汽車行業(yè)問題項(xiàng)目排名(單位：問題數(shù)/百臺車)Fig.5 Ranking of automobile industry problem projects(unit: number of problems/100 vehicles)

圖6 TFTM中車型別異味問題排名(單位：問題數(shù)/百臺車)Fig.6 Ranking of vehicle odor problems in TFTM(unit:number of problems/100 vehicles)

在與公司品保以及 FTRD進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)后發(fā)現(xiàn)，儀表板的異味正是補(bǔ)修漆中的溶劑導(dǎo)致的。因此，最根本的解決辦法是要降低模具光澤度升高的速度，減少補(bǔ)修的比例，從而減少異味的產(chǎn)生。

4 微紋處理的原理及優(yōu)勢

4.1 微紋處理原理

運(yùn)用特殊的蝕紋技術(shù)，在模具皮紋上追加蝕刻15～20μm 寬度的微紋(裸眼不可視)，由此，會在制品的紋路上增加凹凸數(shù)量，成為漫反射，從而降低光澤度(圖 7)。

微紋處理的作用是在不改變原有紋理外觀效果的同時降低光澤度(圖 8)。微紋處理能使光線發(fā)散減少反射，而達(dá)到降低光澤度的效果。微紋技術(shù)可用于已蝕紋的模具，也可用于正在進(jìn)行蝕紋工作的模具；如果紋理遭破壞，依然可以修補(bǔ)。

圖7 微紋處理原理,Fig.7 Principle of Micro matte treatment

圖8 微紋處理效果(紋板)Fig.8 Micro matte treatment effect(grain board)

4.2 試驗(yàn)改良方法及結(jié)果

到目前為止，此項(xiàng)技術(shù)只在注塑制品模具的無涂裝化改良中應(yīng)用在鋼材模具上，針對鎳材質(zhì)的表皮搪塑模具的改良為世界首次。因此在新方法開發(fā)過程中，與模德公司進(jìn)行了深入的討論，特別在蝕紋藥液以及條件控制方面做了相應(yīng)的改良，并且針對本次的模具制定了檢測確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過反復(fù)多次修正，最終得到了理想的效果。

4.2.1 改良步驟

模具廠家部分(與我方共同研究實(shí)施)：嚴(yán)格定義模具需要處理的區(qū)域(全皮紋面)，將不需要的部位用硅膠保護(hù)起來；對需要處理的部位除油，清洗干凈；將模具放到 15～20℃的房間中過夜，待模具表面溫度穩(wěn)定在10～20℃之間；采用3D打印設(shè)備，提前打印嚴(yán)格定義紋理寬度和間隔的菲林紋紙；將打印好的菲林紋紙拓印到模具需要處理的區(qū)域表面；將模具浸入已配制的藥水中氧化，每間隔 20s需要提起用清水沖洗后再放入藥水槽中繼續(xù)氧化，待全部氧化800～1000s后取出。針對首次處理鎳材質(zhì)模具，區(qū)別于以往使用的藥水，本次使用了以三氯化鐵為主要成分的混合液，并重新檢討設(shè)定了處理工藝條件，針對本次皮紋(GR-050)與模德公司共同制定了處理標(biāo)準(zhǔn)。

工廠部分：在設(shè)備內(nèi)試生產(chǎn)，確認(rèn)制品無瑕疵，整體光澤度均勻；連續(xù)生產(chǎn)，每間隔 5模次，測定表皮光澤度，確認(rèn)超過管理標(biāo)準(zhǔn)(1.8以上)的總模次；藥液清洗，確認(rèn)清洗后光澤度的變化；總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確認(rèn)制定管理標(biāo)準(zhǔn)；批量處理。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

①生產(chǎn)中光澤度上升速度效果對比。

處理前：約在生產(chǎn) 30模次(3.3h)時，制品光澤度值超標(biāo)＞1.8，這時需要洗模具或者噴補(bǔ)修漆。

處理后：使用 66模次(7.2h)，接近超標(biāo)，清洗后又使用了111模次(12h)后超標(biāo)。以每班假定10h計算，理論上每班每個模具從需要清洗3次變?yōu)?次以下，而且取消了自噴漆補(bǔ)修。

②脫模作業(yè)性確認(rèn)。

微紋處理后脫模力度初模次為 101N(圖 9)，標(biāo)準(zhǔn)脫模力＜150N連續(xù)生產(chǎn)至 30模次后為 70N，與未做處理的脫模力相比無變化，判定合格。

③品質(zhì)(S)評價結(jié)果。

圖9 微紋處理后初模次脫模力度測定值Fig.9 Determination of strength of first demolding after Micro matte treatment

從 2018年 10月至 2019年 2月為止共處理了6套模具，相關(guān)評價數(shù)據(jù)也同時有了大幅降低，直至2019年 7月車型換代為止，異味問題數(shù)量從最高峰的21.8/百車，降低至9.3/百車(圖10)，達(dá)到甚至超過了銳志、皇冠高級別車型的水平。這一改進(jìn)為卡羅拉車型應(yīng)得了良好的市場口碑，為公司品質(zhì)提升做出了重要貢獻(xiàn)。

圖10 微紋處理后異味問題數(shù)量的降低效果(單位：問題數(shù)/百臺車)Fig.10 Effect of reducing number of odor problems after Micro matte treatment(unit: number of problems/100 vehicles)

5 遺留問題及今后的研究方向

通過實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的模具清洗藥劑的效力及條件仍有很多改良提升空間，特別是模具長時間使用后存留在紋路之中的碳化物，用化學(xué)的方法無法有效去除，達(dá)到一定模次后，仍需要用噴砂方式除去。通過與業(yè)內(nèi)人士的多方探討，擬嘗試通過其他方式增強(qiáng)清洗效果，從而盡量降低噴砂的頻度，進(jìn)一步延長模具使用壽命，降低綜合成本(表2)。

表2 其他模具清洗方式的預(yù)想方案Tab.2 Other mold cleaning methods