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挑战不可能——含有集成显示器的大面积塑料曲面板如何成型?

来源:国际塑料商情 发布时间:2020-07-31
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显示屏在车辆驾驶舱的地位越来越突出。目前,大多数车型都配有两只全彩色图形显示器。仪表盘通常包括一只大显示屏(全数字化仪表盘,FDC)。此外,中控台通常还有第二只通常具有触摸功能的显示屏,用于显示与驾驶没有直接关系的内容,诸如导航、信息娱乐和操作等等。多年以来,增加显示器的数量及其对角线尺寸和分辨率已成为一种趋势。


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两台显示器无缝整合在一只连续3D成型的仪表板上(© Continental)


精确协调这种并行显示的技术特性(白点、色温、色坐标和黑色均匀性)是一项重大的挑战。另一挑战是确保显示器表面能与驾驶舱内的产品布局相互协调。基于玻璃的显示器在这方面有点棘手。曲面显示器的曲率范围可以达到800~3000mm。很明显,AMOLED(有源矩阵OLED)等柔性显示器更有前景。但AMOLED显示器必须带有保护层,以适应需要触摸操作的相对恶劣的车辆使用环境。


连续三维塑料面板


为了解决这一难题,大陆集团开发了一款连续三维塑料面板(标题图)。它可以保护两只12.3英寸的AMOLED显示器免受机械损伤。此外,该款部分印刷面板可以与周围环境无缝融合,整个曲面因此就像一个连续的仪器。为了生产这种特殊内饰件,多种特殊生产工艺首次被结合在一起。如,采用所谓的高压成型(HPF),将二维印刷薄膜成型为最终零件的三维轮廓,然后嵌入模内进行背面注塑成型,这一过程被称为薄膜嵌入注塑成型(FIM)。在模内装饰(IMD)中,当部件仍处于注塑模具中时,在卷到卷工艺阶段对其进行硬涂层。结合注射-压缩工艺,就可以保证部件处于低应力状态。开发这种生产工艺的技术挑战来自于面板的尺寸:显示器的尺寸约为200mmx700mm。这种尺寸无论是采用IMD还是采用FIM工艺处理都不适用,因为其成形高度不能大于100mm。因此,调试时所用的一些机器也是世界上独一无二的。


该3D仪表板由三个功能层构成。反面由厚度为375µm的印刷薄膜(FIM)组成,正面为15µm厚的硬质层,该硬质层来源于模内装饰膜(IMD)工艺的转移膜层。部件的夹芯层由2.1mm厚的聚碳酸酯(PC)构成,它位于背面的FIM膜和前面的IMD膜之间。随后的冷却阶段,该部件在均匀的压力和300°C的初始温度下留在模具中。尽管尺寸达200mmx700mm,但厚度为2.5mm的成品仅重350g。


如果缺乏对所使用的所有制造技术的丰富技术经验,想要实现这种高度集成是不可能的。所有步骤相结合,再加上三维状的面板,实际上是一个全新的工艺。大陆集团能够掌握这项全新的工艺,得益于其几十年来在印刷和薄膜成型领域的经验,如传统转速表的刻度盘。这家汽车供应商在注塑成型光学和高度透明部件——如平视显示器的视镜和防护玻璃——方面的经验非常重要。多年来,薄膜的转移应用也已成为一个庞大的工艺系列,例如,在塑料板上提供具有发光表面的透明指示点,或在塑料板上塑造高品质的黑色钢琴外观。


寻找合适的原材料


除了制造技术,另一个主要挑战是选择合适的原材料。实际上,汽车行业对材料的要求非常高。包括耐热性(能引导直射阳光或显示器发出的热量等),尺寸稳定性,耐受多次磨损性冲击的耐刮擦性,以及必须与矿物玻璃等高品质材料相媲美的光学质量。还必须具有高抗冲击强度,以防玻璃破碎,哪怕是在最糟糕的头部撞击情形下。此外,还必须能够集成触屏操作。与车辆中的每个处于寿命期的部件一样,预期疲劳强度应超过10年或30万公里,并经过全面测试。因此,只有经过特别挑选的材料才会被纳入考虑范围。


图1所示为制造过程的两条工艺链。上面一条通过FIM生成印刷面板的印刷反面;下面一条喂入带硬质涂层的转移膜。在两条工艺链交汇处,两层薄膜经注塑-模塑进行包覆加工而成。


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图1 塑料面板分别采用两种不同的工艺制造,然后整合在一起(© Continental)


在上方工艺链起始处,有一大片PC膜(牌号:MakrofolHF,供应商:位于德国利物库森的科思创)。MakrofolHF是这一用途的理想选择,该材料耐高温、透明,且在较宽的温度范围内都具有优异的成型性和弹性。这种375µm厚的薄膜首先采用数字和丝网印刷相结合的工艺,印刷出功能和装饰图案以及颜色特征。数字印刷用于创建具有挑战性的色彩渐变和图案花型。即使是逼真的打印也可以通过这些方法实现。


大型部件的3D成型


在HPF设备中,加热瓦将最终的2D印刷薄膜片加热至150°C的玻璃转化温度,再将加热的薄膜片置于3D模具,闭合成型模具。对3D模具上的薄膜施加60bar左右的气压(图2)。成型薄膜从机器上取下后在紫外光下固化。在原型生产中,用铣床将3D毛坯修整成零件的轮廓,并钻取所需的孔。经过此道加工步骤,仪表板背面就形成了。来自德国彭茨伯格的制造商Niebling的HPF机器可以加工最大尺寸为1150mm×650mm的膜片,并做出拉伸深度≤150mm的真正3D的大型零件。所用到的成型模具是专为这一工艺设计的。


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图2 用于大尺寸聚碳酸酯弧面的3D热成型的FIM机器,工作压力60 bar(©Continental)


在图1所示的下方工艺链上,转移膜涂有硬质涂层。这种IMD薄膜以卷材形式喂入注塑机。因为显示面板采用了3D和大尺寸设计,所以采用这一制造工艺也需要跨越现有不同技术的边界。


在背面成型之前,将3D打印膜嵌入复杂的注塑模具中。两只半模的重量加起来超过16吨。此外,由于模具几何形状复杂,所以以可编程逻辑控制器(PLC)的形式内置了某种智能功能,尤其支持用智能手机通过WLAN进行操作。PLC负责监控和协调模具内60多个执行机构和传感器,独立处理注塑机和其它两个次级外围设备的相互作用。在嵌入FIM的过程中,IMD防护膜(类型:BrightView;供应商:位于德国菲尔特的LeonhardKurzStiftung)由一个特殊的送膜器放置在模具中。为了将该薄膜固定在模具中,使用了12部位锁模框架概念,通过精确定义的速度和位置控制顺序,将薄膜固定在模具中(图3)。此时,将转移膜平整地在真空状态下置入模具中,而不会起皱。


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图3 用于定位IMD膜的12部位张紧框架,用以确保膜在背部成型前得到 精确固定(©Continental)


当两种薄膜定位后,两个半模闭合,在高达300°C的温度下对薄膜用PC(等级:MakrolonAi,供应商:科思创)进行背部成型。在高温和高压下,打印的FIM和IMD透明防护涂层成为整个面板的一部分。为了确保后续面板具有稳定一致的高光学质量,在模腔仍然处于轻微开启的情况下将塑料注射进模腔,直到注射动作结束后模具才完全闭合,这样确保了较低的填充压力,且在冷却阶段压力分布均匀。由于模具会承受一定的压力,机器的液压装置必须产生高达1500吨的锁模力。当机器打开时,从3D面板的正面拿掉IMD转移膜,而硬质层(防护涂层)仍保留在PC上。


更强的触觉反馈


PC具有玻璃般的透明性,即使在低温下也具有很高的抗冲击强度。良好的尺寸稳定性则赋予3D仪表板很高的强度。冷却后,最终面板上的IMD防护涂层在紫外线下硬化。随后去除浇口,现在面板可以与两只12.3英寸的AMOLED显示器进行光学干粘合。


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图4 面板的表面形态使显示器功能的盲操作更为容易(© Continental)


采用塑料面板有望在面板的正面生成额外的3D结构,在操作中控台时,引导驾驶员的手指(图4),用于音量控制的滑动控制器等数字操作元件也同样可以如此。这些触觉定向辅助工具降低了对于手眼协调的依赖,驾驶员可以减少眼睛离开路面的时间,更好地保持对交通状况的观察。此外,3D仪表板可以为驾驶员提供触觉反馈,如,当成功地进行了触摸输入时,指尖可以感觉到。因此,需要的目视检查更简单或根本没有必要,从而进一步提高了安全性。出于设计的考虑,仪表板采用了3D形式,因此也支持车辆操作界面上的人体工程学要求。


联合工艺的优点


文中提到的制造工艺包括FIM-3D成型、卷到卷的IMD涂层和注塑-压缩成型,通过这种工艺可生产出具有高光学质量的大尺寸仪表板。除了能够成型重量轻的部件外,这种技术还具有其它许多关键的优点。首先,组合工艺可以实现曲线形显示表面的集成,从而有助于将中央控制操作更好地转移到驾驶员右手可触及范围内,集成在中央控制台显示屏上的功能也因此更加符合人体工程学。另外,在面板表面生成三种3D结构的可能性,使驾驶过程中的操作更加安全和直观。最后,该工艺有助于单独的AMOLED显示器实现无缝集成,不会在屏幕和面板表面之间出现明显的过渡,其结果是获得和谐的驾驶舱与迷人的流动曲线。带有专用机器的创新型制造技术已证明其可以成功应用于原型面板的制造,因此,该创新工艺也适合未来的批量生产部署。






本文翻译自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL杂志


1条评论

辅助果果

2020-08-03 16:21:26
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