基于注塑成形的轎車(chē)玻璃輕量化技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

吳松，崔厚學(xué)

1.東風(fēng)鴻泰控股集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)管理部 湖北武漢 430056

2.東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司戰(zhàn)略規(guī)劃與科技發(fā)展部 湖北武漢 430056

中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)十余年高速增長(zhǎng)，產(chǎn)銷(xiāo)量連續(xù)位居全球第一，成為世界第一汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)大國(guó)。隨之而來(lái)的高油耗、高污染等問(wèn)題也日漸突出。同時(shí)，國(guó)內(nèi)汽車(chē)業(yè)進(jìn)入微增長(zhǎng)階段，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)油耗、性能和外觀提出了新的更高的要求。未來(lái)轎車(chē)應(yīng)該是一種更安全、更舒適、更輕便、更經(jīng)濟(jì)及更節(jié)能環(huán)保，同時(shí)能兼顧用戶審美要求的產(chǎn)品。

輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輕量化材料推廣，是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的必經(jīng)之路。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA（Polymethyl Methacrylate）材料在轎車(chē)上的推廣應(yīng)用將是一個(gè)很好的發(fā)展方向。PMMA俗稱(chēng)有機(jī)玻璃，是目前汽車(chē)零部件應(yīng)用較多的透明塑料品種之一，也是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地優(yōu)異、價(jià)格適宜的塑料品種。

1901年德國(guó)奧托·羅姆博士發(fā)明了醇鈉和丙烯酸酯的縮聚產(chǎn)物，1921年他又推出了以乙烯通過(guò)氯乙醇合成丙烯酸酯的工業(yè)路線，并于1927年在德國(guó)率先實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。歐洲給這種材料取名ACRYLIC，中文譯做“亞克力”。PMMA具有質(zhì)量輕、耐熱性好及光學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于車(chē)身部件制作。其單體MMA（甲基丙烯酸甲酯）在常溫下呈無(wú)色透明狀。PMMA塑料有極好的透光性能，透光率可達(dá)92%，機(jī)械強(qiáng)度較高，具有良好的耐熱、耐寒及耐腐蝕性，易于成型且尺寸穩(wěn)定，可用于加工有一定強(qiáng)度要求的透明零部件。有效降低車(chē)輛整備質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化?；诖四康?，本文進(jìn)行了PMMA有機(jī)玻璃替代傳統(tǒng)無(wú)機(jī)玻璃的可行性試驗(yàn)論證。

汽車(chē)玻璃材料

1.汽車(chē)玻璃材料

玻璃材料一般有透光、透明、保溫、隔聲、耐磨以及耐氣候變化等性能要求。平板玻璃主要物理性能指標(biāo)有：折射率約1.52，透光度85%（厚2mm的玻璃，有色和帶涂層者除外），軟化溫度650～700℃，熱導(dǎo)率0.81～0.93W/（m·K），膨脹系數(shù)9×10-6～10×10-6/K，比重約2.5，抗彎強(qiáng)度16～60MPa。其中，厚度、透光率、抗磨性、抗沖擊和耐候性等，是汽車(chē)玻璃選材需要主要考慮的性能指標(biāo)。我國(guó)目前汽車(chē)玻璃主要參照法規(guī)是GB9656—2003,該標(biāo)準(zhǔn)與歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)制定的ECE R43—2000《安全玻璃材料的統(tǒng)一規(guī)定》的內(nèi)容基本一致。

2.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

PMMA的基本特性如下，決定了其適合用于汽車(chē)玻璃。

1）質(zhì)量輕。PMMA密度大約在1150～1190kg/m3，是普通玻璃（2400～2800kg/m3）的一半。

2）可見(jiàn)光透過(guò)率高。PMMA是目前最優(yōu)良的高分子透明材料，可見(jiàn)光透過(guò)率達(dá)到92%。

3）耐候性好。PMMA具有突出的耐老化性能，大大優(yōu)于其他塑料材料。

4）加工性能好。PMMA不但可以進(jìn)行注塑、熱壓、吹塑和擠出等塑料成形加工，而且可以進(jìn)行切削、鉆孔、粘結(jié)的后續(xù)加工，適合設(shè)計(jì)制造較大曲率的車(chē)窗。

汽車(chē)玻璃是整車(chē)質(zhì)量中占比較大的零部件，通常單車(chē)玻璃用量可達(dá)40kg。目前傳統(tǒng)汽車(chē)一般使用以硅酸鹽為基礎(chǔ)原料的無(wú)機(jī)玻璃，如果用PMMA有機(jī)玻璃取代無(wú)機(jī)玻璃，將使玻璃質(zhì)量減半，對(duì)整車(chē)減重效果明顯。而且PMMA適用注塑、擠出及熱壓等多種成型工藝，比無(wú)機(jī)玻璃的成型工藝自由度更大，可以設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的曲面，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，給汽車(chē)外形設(shè)計(jì)留下更多造型空間。

PMMA在汽車(chē)玻璃上應(yīng)用

采用PMMA有機(jī)玻璃擠出板制成的采光體，與傳統(tǒng)無(wú)機(jī)玻璃采光裝置相比，具有整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、透光率高和安全性能好等特點(diǎn)。

PMMA有機(jī)玻璃用于制造汽車(chē)風(fēng)窗的成功案例有：長(zhǎng)安奔奔后三角窗（見(jiàn)圖1），雪鐵龍DS5后側(cè)窗（見(jiàn)圖2）。

圖1 長(zhǎng)安奔奔（后三角窗）

圖2 雪鐵龍DS5（后側(cè)窗）

1.PMMA在汽車(chē)玻璃上的應(yīng)用

以雪鐵龍DS5后側(cè)圍窗玻璃為研究對(duì)象，對(duì)其使用PMMA材料制作汽車(chē)后側(cè)圍玻璃案例進(jìn)行了研究分析。曲率斑馬線如圖3所示，曲面曲率分析如圖4所示，結(jié)構(gòu)均勻度分析如圖5所示。

圖3 曲率斑馬線分析

圖4 曲面曲率分析

圖5 結(jié)構(gòu)均勻度分析

（1）結(jié)構(gòu)分析 此零件設(shè)計(jì)按照兩層結(jié)構(gòu)處理，分內(nèi)框和外殼，內(nèi)框材料為ABS/PC合金材料，其強(qiáng)度優(yōu)異，抗老化性能佳；外殼使用日本帝人提供的PMMA材料。ABS/PC合金材料和PMMA材料物理性能可通過(guò)注塑方式融合。

（2）成型工藝分析 如圖6所示，采用多色注塑技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)疊加式雙色零件的成型，使用多色注塑機(jī)成型高光PMMA材料注塑技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)只有為數(shù)不多的專(zhuān)業(yè)廠家能獨(dú)立完成，東風(fēng)旗下的神光模塑公司具備該項(xiàng)技術(shù)完整的設(shè)計(jì)、工藝及工業(yè)化能力。

圖6 成型工藝分析

2.基于PMMA材料的汽車(chē)玻璃的性能驗(yàn)證

針對(duì)雪鐵龍DS5車(chē)型進(jìn)行分析，研究PMMA汽車(chē)玻璃材料。

根據(jù)GB9656《汽車(chē)安全玻璃》和ECER43《關(guān)于安全玻璃材料及其在車(chē)輛上的安裝認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》中規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目，汽車(chē)安全玻璃關(guān)鍵性能要求為：高透光率、高耐候性、高耐熱性、抗沖擊性、抗刮擦性及化學(xué)穩(wěn)定性。具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如下。

（1）柔性測(cè)試 該項(xiàng)測(cè)試的目的是檢驗(yàn)有機(jī)玻璃材料屬于剛性類(lèi)還是柔性類(lèi)。

（2）人頭模型沖擊測(cè)試 目的是驗(yàn)證人頭部沖擊有機(jī)玻璃時(shí)，頭部受傷程度是否符合相關(guān)的限度要求。

（3）機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試 227g鋼球測(cè)試：評(píng)估PMMA有機(jī)玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。

（4）耐磨性測(cè)試 確定有機(jī)玻璃的耐磨性是否大于規(guī)定值。

（5）耐模擬氣候性測(cè)試 驗(yàn)證對(duì)模擬天氣變化條件下的承受力。

（6）涂層附著力測(cè)試 檢查有機(jī)玻璃耐刮擦涂層是否具備足夠高的附著力。

（7）耐濕性測(cè)試 檢驗(yàn)有機(jī)玻璃長(zhǎng)期暴露在潮濕環(huán)境而性能無(wú)明顯變化。

（8）光學(xué)質(zhì)量 檢驗(yàn)有機(jī)玻璃的透光性是否滿足PMMA三角窗玻璃能滿足各項(xiàng)性能要求，從而有力地支持了PMMA材料在乘用車(chē)三角窗上的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

使用PMMA材料，在汽車(chē)玻璃上比傳統(tǒng)材料有顯著優(yōu)點(diǎn)，比如：

1）區(qū)別于傳統(tǒng)玻璃，在滿足功能和性能的前提下，PMMA注塑工藝能夠給設(shè)計(jì)師提供各類(lèi)曲面造型風(fēng)格的支持，從而有效提升車(chē)身識(shí)別度及車(chē)型檔次。

2）PMMA注塑能提供光澤度超過(guò)120的高光表面效果，且可方便對(duì)其顏色按客戶需求進(jìn)行調(diào)制。

3）相對(duì)傳統(tǒng)玻璃生產(chǎn)，PMMA多次注塑技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，能耗低，成形周期短，生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染且材料可回收再利用。

在汽車(chē)行業(yè)進(jìn)入微增長(zhǎng)的今天，車(chē)輛個(gè)性化、輕量化及環(huán)境友好將是未來(lái)消費(fèi)者更加關(guān)注的特質(zhì)，這也是未來(lái)汽車(chē)的發(fā)展方向。采用PMMA材料，使用多色注塑技術(shù)成形的新型汽車(chē)玻璃必將有更加廣泛的應(yīng)用空間。