淺析汽車內(nèi)外飾快速成型樣件的制造方法

黃玲，龍廣鵬

(1.湖南湖大艾盛汽車技術開發(fā)有限公司，湖南長沙 410217； 2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545616)

0 引言

外飾和內(nèi)飾零件是汽車的重要組成結構，汽車外飾零件部分如前后保險杠蒙皮、擾流板和側裙板等零件；內(nèi)飾零件則是進入車輛內(nèi)部后接觸到的部分，如儀表臺、副儀表臺和門護板等。正是由于內(nèi)外飾零件對汽車外觀和使用非常重要，而這些零件以注塑成型工藝居多，原因是注塑成型工藝零部件成型的一致性較好，可以成型相對較復雜造型的零部件，生產(chǎn)效率高，零部件價格相對較便宜，缺點是正式生產(chǎn)模具價格較高。因此，為保證實際零件能達到設計的視覺效果、人體工程學要求和滿足裝配結構要求，需要在開發(fā)正式模具前安排制造快速成型樣件(Rapid Prototyping,RP)進行裝車驗證，該批裝車零件同時還能滿足車型上公告等造車前期零件需求。使用快速成型樣件檢驗設計方案可大幅加快產(chǎn)品上市時間，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

目前，國內(nèi)外汽車行業(yè)主流的內(nèi)外飾零件快速成型樣件制造方法主要分為數(shù)控機床加工零件、3D打印、軟模(硅膠模和玻璃鋼模)、反應注塑(Reaction Injection Molding,RIM)等，其中3D打印是近幾年才快速發(fā)展起來的方法。下面介紹一下這幾種方法的原理及應用場景案例。

1 數(shù)控機床加工零件

數(shù)控機床加工零件一般是指使用數(shù)控機床設備直接按設計方案加工材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龍等塊狀塑料體成為需要的造型(如果尺寸小于300 mm且結構簡單則直接一次加工成型，如果結構造型不規(guī)則或者尺寸大于300 mm，一般通過將零件分為多個小塊，分別加工好)，然后拼接裝配后，最終得到滿足設計要求尺寸的零件。這種制造快速成型樣件的方法出現(xiàn)最早，產(chǎn)品加工周期相對較短，采購價格較低，主要用于結構相對簡單、需求數(shù)量少的中小零件，如立柱、副儀表板和門護板等。

由于汽車內(nèi)外飾零件的造型需要，通常加工的零件都是不規(guī)則的圓形或方形，當零部件尺寸大于300 mm或結構造型不規(guī)則時,如果直接使用一整塊塑料加工零件，則會導致成本成倍增加。因此，實際制造造型不規(guī)則的零件時，將零件按結構特點拆分成幾個部分，再進行粗加工得到大致造型，然后使用專用黏結劑將零件各個部分粘好形成零件的整體輪廓造型，再最終一起進行精加工，這樣能有效減少因零件結構導致的材料浪費，降低零件成本。缺點是在零部件背面能看到各個零部件分塊部分間有較明顯的黏結痕跡，零部件黏結位置強度較差，容易開裂。圖1為數(shù)控機床加工完成的快速成型樣件。

圖1 數(shù)控機床加工完成的快速成型樣件

2 3D打印

3D打印(3D Printing)技術是一種以數(shù)模文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術的應用領域較為廣泛，快速成型樣件制造就是其應用的重要方向之一。通過3D打印制造得到的樣件，周期更短，而且能實現(xiàn)異形結構打印，整體尺寸精度可以根據(jù)實際需求調整，滿足不同場合的不同需求。一般3D打印可制造的零件與數(shù)控機床加工的零件范圍一樣，適用于立柱、副儀表板和門護板等零件的快速成型。

3D打印中常用的塑料材料有類ABS塑料[丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三種單體的三元共聚物]、尼龍、尼龍加玻纖和透明的光敏樹脂等，類ABS塑料(圖2)的優(yōu)點是單價低、成型性能好，適用于強度要求不高的結構件；尼龍的強度性能好，耐熱性較類ABS塑料好，但價格較高，尼龍加玻纖是普通尼龍的性能加強版，適合強度要求比較高的零部件；3D打印光敏樹脂俗稱UV樹脂，主要由聚合物單體與預聚合物組成，其中加有光引發(fā)劑，在一定波長的紫外光(250～300 nm)照射下會立刻引起聚合反應，完成固態(tài)化轉換，光敏樹脂固化速度快、成型精度高、表面效果好、機械強度高(與類ABS強度相當)、低氣味、通用性強和耐存儲等優(yōu)點。

圖2 3D打印成型的類ABS塑料零件

3 軟模

軟模主要指硅膠模和玻璃鋼模。

硅膠模一般先采用數(shù)控機床加工或3D打印得到設計零件，然后使用該零件進行快速翻制工藝制作模具。該生產(chǎn)工藝周期短、成本低，可以采用真空注型、壓力注型及低壓灌注等工藝進行產(chǎn)品生產(chǎn)。硅膠模生產(chǎn)工藝適用于小批量生產(chǎn)(小于100件)、產(chǎn)品材質強度和尺寸精度要求較高的產(chǎn)品，產(chǎn)品性能接近常規(guī)ABS塑料。

制模用的硅橡膠為雙組分液體硅橡膠，按橡膠成分劃分又有縮合型模具和加成型模具兩類。一般來說，縮合型硅膠抗剪強度較低，在模具制造過程中容易被撕裂，因此適用于結構簡單、加強筋少的零件；加成型硅膠力學性能和耐熱老化性能好，適用于制造相對尺寸要求高的模具。

目前，硅膠模生產(chǎn)的小批量零件已經(jīng)在汽車開發(fā)前期的內(nèi)外飾樣件試制中得到廣泛應用。應用最多的部分是汽車內(nèi)飾中的門護板、立柱和門檻護板等裝飾類的中小型注塑結構零件。

玻璃鋼(fiber reinforced plastics，F(xiàn)RP)，是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作為基體材料的一種復合材料，如圖3所示。以玻璃鋼材料為基礎，與硅膠模相似,使用快速翻制工藝制作而成的玻璃鋼模，通常用于汽車頂棚飾件和地毯飾件等模壓成型類，結構簡單的中大型裝飾零件。玻璃鋼模適用于模壓工藝、吸塑成型工藝和發(fā)泡成型工藝生產(chǎn)的零部件。

圖3 玻璃鋼模

玻璃鋼模一般生產(chǎn)流程為：零件造型→刷母?！⑼鼓！寄！鶱C加工→焊接模具框架→試模→局部修正→驗收。通常一副玻璃鋼模的開發(fā)周期在一周左右，成本只占正式模具的1/10，屬于短周期、低成本的樣件試制模具。這種模具生產(chǎn)方式同樣能滿足小批量產(chǎn)品的制造需求(100～ 1 000套)。

4 反應注塑

反應注塑是指把兩種或兩種以上的低黏度液體，按一定的比例，在一定的壓力和溫度條件下均勻混合后，立即注入密閉的成型模具內(nèi)，在模具經(jīng)進一步反應后形成塑料制品的這一成型反應過程,其原理如圖4所示。反應注塑與普通注塑成型的最大區(qū)別是反應注塑使用的設備簡單，模具可以做到大型化，成型零件強度和表面質量好，而且還能滿足尺寸穩(wěn)定的小批量生產(chǎn)需求，成型零件厚度可滿足6～25 mm范圍內(nèi)的變化;缺點是單件產(chǎn)品價格較高，無法成型結構復雜零件。反應注塑模具材料可以是環(huán)氧樹脂和鑄鋁等價格較低的材料，成本較正式注塑模具價格大幅降低，通常適用于100～200臺套/月的零部件小批量生產(chǎn)試制。反應注塑的模具通常直接使用數(shù)控加工的方法得到，由于反應注塑模具結構較簡單，模具加工量少，模具加工周期一般在12 d左右， 然后進行組立調試、試模，這個階段耗時3 d左右。反映注塑容易發(fā)生難脫模的情況，若能解決該問題，模具就不會有影響生產(chǎn)的關鍵問題。

圖4 反應注塑的原理

反應注塑模具相對普通注塑模具斜頂頂出、滑塊脫出等自動化運動結構應用較少，對于有負角、側孔的零部件不能正常生產(chǎn)(效率很低)。反應注塑通常用于導流罩、裙板和卡車前保等結構簡單且對強度有要求的大型外飾零件制造，目前在商用車領域應用較多。

表1為4種快速成型樣件制造工藝特點的匯總。

表1 4種快速成型樣件制造工藝特點的匯總

5 結語

隨著越來越多的造車新勢力進入汽車行業(yè)，它們帶來的多元化互聯(lián)網(wǎng)思維元素也將通過造車展現(xiàn)出來，汽車消費者也逐漸適應這種多元化的整車風格，進而要求傳統(tǒng)車企加快推陳出新的速度，否則會被潮流所拋棄。造車開發(fā)前期，通過內(nèi)外飾零部件快速樣件制造得到樣車進行展示，根據(jù)市場的反饋進行設計調整，從而得到一個試錯的機會，可以節(jié)約很大一部分的開發(fā)經(jīng)費和縮短開發(fā)周期。因此，快速樣件的制造將會在很長一段時間內(nèi)，都會作為整車開發(fā)的一個階段。本文僅針對目前常用的幾種制造快速成型樣件的方法和應用進行了一般應用總結介紹，隨著相應材料和生產(chǎn)工藝等領域技術的發(fā)展將來還會衍生出更多的制造工藝方法，實際設計開發(fā)時根據(jù)不同需要選擇對應的方案可實現(xiàn)低成本與短周期的平衡。