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利用精简的材料组合打造轻质内饰

来源:荣格 发布时间:2017-07-05 470
化工塑料橡胶模具及零件材料处理、计量与检测
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2018年,轻质材料微夹层结构的首次批量应用最高可使车辆内饰件的重量降低50%。基于现有的制造系统,高效的一步法凭借较短的周期时间为部件生产提供了经济有效的解决方案,下文以车门槽为例进行了阐述。

车门槽是一种适用于可承受弯曲应力的轻质结构材料的部件。四门车车门槽先进的 NF-PP微夹层结构还经过了生命周期分析(©戴姆勒)

车门槽是一种适用于可承受弯曲应力的轻质结构材料的部件。四门车车门槽先进的NF-PP微夹层结构还经过了生命周期分析(©戴姆勒)

客户对汽车安全性、舒适性和功能性的要求促进了汽车内饰和外饰零件数量的增长。这些零件增加了汽车本身的重量,因此与汽车制造商降低汽车重量以适应新型和传统驾驶技术的目标相冲突。解决方案之一是采用基于新材料概念的轻质结构。因此,专门研发的聚丙烯(PP)混合非织造材料和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫材料组合使内饰件以精简的夹层结构实现了高效生产。这种3mm厚夹层材料的芯材是常用于风力涡轮机的转子叶片的PET泡沫。这种精简的夹层结构(又称“微夹层”)的大规模利用可使汽车内部各种饰件的重量减少5千克以上。由于各层均可自由配置,还可定制设计来满足特定部件的需求。

利用泡沫减少单位面积重量

在大部分车辆上,单位面积重量为1200-1800g/m²的非织造材料常用于弯曲应力饰件,例如:置物板、门饰板、行李箱衬垫和后面板。这些饰件通常由含纤维的聚丙烯基体和至少一种增强组分组成,可选织物——如玻璃纤维(GF)、天然纤维(NF)和聚酯纤维(PES)等由热力学要求决定。利用含PET泡沫的非织造材料的改性复合结构可将对应的单位面积重量降低至660g/m²。作为夹层的芯材,薄壁PET泡沫为承受弯曲应力的部件提供功能材料结构(图1)。

图1 微夹层复合材料的材料结构由PP非织造材料和PET泡沫芯材以 及装饰材料组成(©戴姆勒)

图1 微夹层复合材料的材料结构由PP非织造材料和PET泡沫芯材以及装饰材料组成(©戴姆勒)

夹层半成品(包括装饰材料)通过一步法压缩成型工艺转化为成品。两层织物外层(如:针织物)和聚合物材料[如:聚氯乙烯(PVC)]以及热塑性弹性体(TPO)均可用作装饰材料。PP和PET的热性能使半成品工件能够在180-220 ℃的温度范围内进行加工(图2)。此时,外层的PP已到达熔融温度,而PET泡沫芯材仍处于玻璃化转变至熔融的温度范围内。当温度达到约220 ℃时,PET才能进入熔融状态。温度未达到时,还可对其他工艺参数进行调整,以防止泡沫芯材的蜂窝结构在成型过程中塌陷,而结构化PET基材可以模压成型。夹层半成品的热输入和必要的厚度校准在接触式热压机中实现。热压机在合模工序(图3,步骤1-3)完成约45秒后在复合夹层中均匀产生200 ℃目标温度。将材料放入成型模具后,再通过成型工艺生成部件(图3,步骤4-6)。PP非织造材料和PET泡沫芯材能够在复合材料中轻松地热成型,可实现复杂的部件形状。因此,最新的微夹层材料可用于大多数内饰部件,如图5所示的车门槽拥有复杂的边缘和多种外形变化。

图2 在氮气环境中对PP和PET材料进行动态扫描量热法(DSC)的 结果(©戴姆勒)

图2 在氮气环境中对PP和PET材料进行动态扫描量热法(DSC)的结果(©戴姆勒)

覆盖层和芯层材料性能组合

与紧凑型非织造材料相似,微夹层的弯曲强度来自于覆盖层中轻质非织造材料的性能(依据平行轴定理)和夹层的厚度。PET泡沫芯材确保了覆盖层之间的间隙,因弯曲应力在覆盖层中产生的拉伸和压缩载荷则由轻质PP非织造材料选择性地吸收。图4展示了单位面积重量为860g/m²的天然纤维增强微夹层复合材料的力位移曲线的斜率。从图中可以看出,该材料可获得与单位面积重量为1500g/m²的紧凑型NF-PP垫相当的挠曲刚度值。力曲线的方向依赖性来自于生产导致的非织造材料的正交各向异性材料反应。因此,部件厚度仅增加1mm,支撑材料的单位面积重量可以减少40%以上。此外,材料系统在高动态应力下表现出良好的断裂行为,因为泡沫芯材和轻薄非织造材料组合带来了柔化边缘。闭孔泡沫芯材还具有隔热的作用,可减少车内的热量损失。

图3 微夹层部件的生产步骤(©戴姆勒)

图3 微夹层部件的生产步骤(©戴姆勒)

图4 由PP-NF紧凑型或NF-PP微夹层制成的样品部件的四点弯曲试 验结果(节选自DIN 53293)(©戴姆勒)

图4 由PP-NF紧凑型或NF-PP微夹层制成的样品部件的四点弯曲试验结果(节选自DIN 53293)(©戴姆勒)

以四个基准车门槽为例,用单位面积重量为860g/m²的天然纤维微夹层代替单位面积重量为1500g/m²的NF-PP紧凑型复合结构,将为每辆车减少0.5千克的重量。从图6可以看出,无论是生产、使用还是处理阶段,轻质夹层车门槽在产品生命周期的每个阶段的一次能源需求都比基准车门槽要低。生产阶段考虑了原材料供应以及半成品零部件的制造。生产阶段减少了15%能源需求是因为微夹层复合材料中的热塑性塑料比例较低。使用阶段对生态造成的影响最大,因为部件重量直接影响着燃料消耗。减重0.5千克后,轻质车门槽超过20万公里所需的能耗降低了37%,相当于每辆车减少1.5升的燃料消耗量。作为生命周期分析的一部分,当车门槽进行热回收时,从轻质NF-PP微夹层回收的能量较少,但温室气体排放量也较低。因为热回收产生的排放量与重量成比例,轻质结构在处理阶段还可使每辆车额外减少1.5千克的二氧化碳排放量。

图5 梅赛德斯-奔驰GLC(X253)门饰板的结构(©戴姆勒)

图5 梅赛德斯-奔驰GLC(X253)门饰板的结构(©戴姆勒)

结语和展望

内饰供应商利用现有的生产设备,即可通过高效的制造工艺和轻质材料微夹层生产轻质汽车内饰部件。PP混合非织造材料和PET泡沫的组合构成了一种经济的轻质材料,因为易于成型,它可用于一系列装饰部件。这种用于汽车弯曲应力部件的微夹层材料的大批量应用可以减少5千克以上的总重量。此外,它在整个产品生命周期都具有生态效益,并且在隔热和碰撞行为方面具有良好的次级性能。


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