一步实现塑料部件的电子功能化

来源:荣格国际汽车设计及制造

发布时间:2019年5月7日下午 12:05:35

七家公司在一个联合项目中开发了一系列用于制造高质量电子功能化表面(如:适用于汽车内外饰应用的表面)的技术。演示部件在 Fakuma 2018 上首次公开展示。

将电子功能直接无缝集成到注塑成型塑料部件是目前塑料行业的热门话题之一。这些部件主要集中在汽车工程的内饰件和外饰件上。专为制造此类部件而开发的 模内电子(IME)和结构电子(SE)技术为电子功能化部件提供了全新的设计潜力。部件形状不是由电子功能决定的,但功能设计必须完美匹配部件形状。可自由编程的电路载体能够实现这一点,它可经过高精度高压成形工艺的改造来适应部件形状。以这种方式预制的电路载体通过由传统模内贴标(IML)技术衍生的特殊注塑工艺集成到部件或靠近其表面。

通过这一方式,操作元件、传感器、通信系统和加热元件等功能都可集成到部件表面(图 1)。自主研发的聚氨酯填充系统确保了高质量的表面加工,高光泽元件可在其上通过激光纹理化的模具表面与超细纹理元素相结合。这种一步式工艺技术也就是恩格尔的 Clearmelt 方法,它使即用型车辆部件可通过单一制造工序生产出来,而无需后续功能化、涂漆或其他二次精加工。

图1 加热解决方案集成到部件的示例(© ATT advanced thermal technologies)

这种类型的功能集成具有多个优势。由于这些功能可集成在靠近部件表面的任意位置,因此能够获得最大的传感器效率 和能源效率。将电子器件功能无缝集成到热塑性塑料体中,能够保护其免受外部物理和化学影响。与通过传统方式集成的电子解决方案相比,通过 IME 或 Clearmelt 工艺制造的部件还具有结构深度显著降低的特点,因此能够同时节省空间以及材料和重量。从整体来看,制造功能部件所需的部件数量明显减少, 制造工艺精简了复杂的工序而变得更加高效,两者均有助于降低整体制造成本。

图2 回动板概念:首先,功能性薄膜或含有装饰性和功能性薄膜的夹层结构用热塑性塑料反向注塑,然后在第二道工序中用聚氨酯填充 (Clearmelt)(© 恩格尔奥地利公司)

可自由编程的电路载体示例

可集成到部件表面的加热元件将电能直接转换成辐射热。 它们既节能又具有极快的响应速度。因此,这些部件能够广泛应用在汽车内饰和外饰领域,并且在电动汽车领域具有巨大的附加潜力。

这种特殊的加热系统由 ATT advanced thermal technologies GmbH 公司生产。这家技术公司专门从事集成了加热和传感器以及控制功能的智能表面的开发、工业化和生产。ATT 产品组合包 括 PTC(正温度系数)加热箔以及含集成传感器的加热箔等,它们可用于汽车、飞机和铁路行业以及建筑等领域。基于丝网印刷技术的加热膜生产在洁净室条件下进行。其生产也在一定的环境条件下(设定的温度和空气湿度)进行。严格的工艺控制和专门 定制的材料使功率密度、电阻等技术参数能够高精度调整。此外, ATT 与众多材料制造商都保持着良好的关系,因此能够直接影响他们的开发活动。

针对汽车领域,ATT 通常会优先使用具有显著 PTC 效应的加热聚合物,用以支持“安全关闭”功能,从而为特定的应用提供额外的安全性能。通过项目合作伙伴之间的合作,ATT 实现了可热成型加热箔的开发。其关键点是一种能够承受热成型工艺的电极系统的开发。

自由形态的控制面板

奥地利技术公司 plastic electronic 开发的触控表面将操作功能和照明功能集成到各种表面,以便在 2D 表面应用电子功能,但 具有统一外观的 3D 形状表面也可应用。其核心要点是通过 FIM (薄膜嵌入注塑成型)工艺加工电功能化塑料薄膜。Hueck Folien 公司将条形导线通过工业卷对卷工艺应用于塑料薄膜,然后再进行成型。个别机械部件,例如:必须单独制造和安装的旋转开关和控制键,可用电子功能化塑料薄膜代替,该塑料薄膜可通过单一工序全自动集成到注塑件中。这种创新的多层薄膜在应用中非常稳定,尤其是在机械应力和环境影响方面。

电子箔的精密成型

为了通过高压成型(HPF)实现电子功能化箔的精确成型, 该团队借助了德国 Niebling GmbH 公司的专业技能。该公司 30 多 年来一直从事这种特殊的热成型工艺专用系统和模具技术的开发和销售。由于高压超过 100 巴,该工艺能够缩短薄膜预热时间, 因此在定位和重复精度方面具有更高的准确性,并且薄膜伸缩率与传统的热成型工艺相比更低。这些薄膜目前主要用于汽车内饰, 如导航和显示器等饰件,或用作多功能触摸控制元件,其精度要求高并非只因为视觉需求。Niebling 生产的自动化高压成型系统实施成本低,还可用于生产车间的大批量生产。

大批量薄膜反向注塑和 PU 填充

生产具有优质表面的功能性注塑件需要结合多种富有挑战性的技术,其中恩格尔已经与其合作伙伴一起开发出了适用于大批量生产的工艺,名为 Clearmelt(图 2)。第一道工序是反向注塑设计或电子功能化薄膜嵌入(FIM——薄膜嵌入注塑成型)。根据要求,功能性薄膜(例如:集成了加热功能)或装饰性和功能性薄膜夹层结构用热塑性塑料反向注塑,然后在第二道工序中用 聚氨酯填充。

PU 涂层能够提供稳定的优质表面。PU 的低粘度特性导致涂 层极薄,从而薄膜可以很接近部件表面并减少对装饰性或功能性 薄膜上的过度剪切。但是,由于 PU 铸造漆的流动性高,传统的模具解决方案不足以进行密封。因此,在薄膜反向注塑阶段就应 考虑将密封功能集成到热塑性载体的特殊密封概念。

Schöfer GmbH 公司专门针对这一集成工艺开发了模具解决方 案。根据生产数量的不同,模具可配备一个用于顺序工艺的滑动台或一个用于平行工艺的标尺台。如果产量小,滑动台解决方案较为经济可行,而大批量生产则更适合在载体铸模的同时在同一 模具的第二个工位用 PU 填充载体。借助 PU 漆的快速固化时间, 用户可得到接近的薄膜反向注塑和 PU 填充周期时间。在这两个 概念中,整个工艺均可由恩格尔注塑机统一控制。由于 PU 配料 系统已集成到 CC300 控制系统中,因此灵活的顺序编程也可实现 (图 3)。从部件设计支持到模具制造再到全自动制造单元部件 生产,Schöfer 提供完整的工艺能力(图 3)。

图3 系统图:从模具制造到配备注塑机和集成PU进料系统的生产单元,Schöfer提供完整的工艺能力(© Schöfer)

具有自我修复功能的铸造漆

如上所述,由 Votteler Lackfabrik 制造的 Puriflow 双组分无溶剂聚氨酯铸造漆可用于涂覆多种塑料以及复合材料、玻璃、薄膜和实木饰面。外观、触觉特性、耐刮檫性和性能均可根据特定应用进行调整。无论是透明色、具有深度效果的钢琴黑饰面、纯色还是金属饰面、皮革纹理涂层,这种漆几乎没有颜色和设计的限制。 此外,从高光到亚光可选的光泽程度以及粗糙、有纹理或触感柔软的表面也是一大优势。从耐刮檫性来看,涂有 Puriflow 铸造漆的表面同时也满足汽车等工业的要求。

尽管铸造漆的耐刮擦性好,但也不能避开所有的划痕,因此涂层材料还具有一定的自我修复或回流效果,从而确保划痕在特定温度下甚至是在室温下(根据系统的不同)自我修复或不可见。

全数字化激光纹理加工

长达 35 年来,德国 Reichle Tech-nologiezentrum GmbH 公司 一直致力于激光纹理加工技术的应用。该技术能够再现通过传统化学蚀刻、EDM 或喷砂加入注塑模具的所有颗粒。它拥有无限的设计可能性。通过激光纹理加工可精确观察到最终用户指定的颗粒深度和光泽度,并且还可通过数字化随时精确再现甚至提前准确匹配。

工艺稳定性取决于其全数字化工艺,5 轴激光系统无需手动 操作,轴移可达 4000x3000x1500mm。因此,与传统的蚀刻工艺相比,其加工时间显著减少。蚀刻工艺需要数周时间才能完成中等尺寸部件的纹理加工,但激光纹理加工仅需数天。此外,通过 使用 5 轴激光系统,其纹理几乎可应用于任何模具或原型部件。 激光产生的不同结构之间的流畅淡化就像颗粒表面和高光表面之间的清晰边缘一样稳定。

除了无限的设计自由度,所有塑料材料( 例 如:PC、 PC+ABS、ASA 等)的光泽度、光滑木纹和耐刮擦木纹等挑战均可通过现代激光技术实现。因此,客户的要求均可得到满足,例如: 高光或亚光、光滑或有层次、硬或软、整体或局部、透明或有色等。 凭借全数字化工艺,整个工件可通过 3D 渲染在计算机上预先模拟并可视化,并且其结果可在激光纹理加工开始之前经过最终用户检查。

图4 通过Clearmelt工艺制造的演示部件:表面具有高光细纹理元素(© Reichle Technologiezentrum)

将激光技术与 Clearmelt 工艺结合的优势主要是高精度和大量纹理细节,包括皮革纹理、精细结构和几何纹理等(图 4)。 此外,光泽度只需通过激光技术而无需喷砂即可进行调整。因此, 该工艺组合是一种平价的制造解决方案,可用于代替传统的含压花表皮的包覆件,因为它再不需要常用于生产包覆件的昂贵镍壳。

本文摘自《国际塑料商情》杂志

 

 

□ 本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

作者:Markus Koppe

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