陳玲

摘 要：目前全球汽車市場競爭激烈，汽車品牌眾多，汽車外飾件除了安全功能外，更要追求個性化。熱燙印工藝有很多的優(yōu)點，因而得到更多的應用。本文結合某格柵的開發(fā)，提出了熱燙印工藝的設計準則。

關鍵詞：汽車外飾件 熱燙印 設計準則

Design Criteria for Auto Exterior Parts Using Hot Stamping Process

Chen Ling

Abstract：At present， there are many automobile brands in the world so that the global automobile market is highly competitive. In addition to safety functions， automotive exterior parts are more personalized. Due to many advantages， hot stamping process has more applications in automobile industry. This paper combines the development of a grill and proposes the design criteria of hot stamping process.

Key words：exterior parts， hot stamping， design criteria

1 引言

目前全球汽車市場競爭激烈，汽車品牌眾多，汽車外飾件除了安全功能外，更要追求個性化。長久以來，汽車外飾件大多采用電鍍和油漆工藝來達到提高品質、區(qū)分配置的目的，效果較為單一。熱燙印工藝，對于以“去塑料感，提升質感”為目標的汽車內外飾研發(fā)中，具有明顯的成本和環(huán)保優(yōu)勢;跟傳統(tǒng)電鍍工藝相比較，具有無需安裝防錯措施和零件輕量化的優(yōu)點，因此日益受到青睞，成為汽車裝飾工藝的新寵兒。

熱燙印的基本原理是通過燙印壓頭（加熱盤）的作用，使得上胎模（硅膠模）、燙印膜和燙印零件三者接觸時候的溫度達到190～200 攝氏度，同時施加足夠的壓力使得燙印模跟燙印零件充分接觸，將燙印膜的粘結層，金屬層（鋁或者鉻）和保護層留在燙印零件的燙印特征面上，從而完成零件燙印的過程，如圖1所示。但是如果在設計上考慮不夠周全，會產生很多的多燙，漏燙，燙印膜起泡、褶皺、飛邊等缺陷。結合本次新開發(fā)的進氣格柵，討論研究了熱燙印零件的設計準則。

2 汽車外飾件常用的熱燙印基材

針對熱燙印這種特殊表面處理工藝，表面附著要求比較高，滿足燙印要求的材料有：ASA、PC-ABS、ABS。

ASA材料本身有抗紫外線的性能，作為燙印的基材，燙印后表面無需噴清漆來保證外觀效果和質量，主要應用有早期的寶馬瀑布式進氣格柵等;如圖2所示為ASA基材皮紋的燙印效果。

PC-ABS基材自身亮度優(yōu)于ASA ，燙印以后會有高光黑的外觀效果，但材料自身不具備抗紫外線的性能，必須在燙印以后噴涂清漆，才可以抵抗紫外線照射，防止燙印零件在陽光下長期曝曬而導致的零件變灰，沒有亮度等缺陷，也可以用于燙印膜的保護，防止燙印膜在顛簸路面被石頭打擊而使燙印膜剝落等問題。目前大眾和斯柯達的外飾熱燙印零件都采用PC-ABS材料，燙印結合清漆的方式，此次新開發(fā)的下格柵亦采用此種工藝，其表面效果如圖3所示。

3 熱燙印零件的分段

在熱燙印的過程中，熱燙印的零件可以理解為陽模凸版，上胎?？梢岳斫鉃殛幠０及妫瑸榱舜_保熱燙印零件的精度，提高產品的質量，上胎模（硅膠模）凹下的位置跟零件上凸起的部位必須一一相對應的。下胎模可以理解為夾具，用于固定需要熱燙印的零件，為了提高零件和下胎模之間的定位精度，確保零件被上胎模壓緊時，底部有足夠的支撐，燙印膜在足夠的壓力和溫度下將金屬層粘附到零件上，那么下胎模需盡量一一對應燙印零件背面結構，使得下胎模與零件背面結構也是凹凸對應。

截止2019年底的市場調研，上胎模的最大尺寸為500*300，去掉導柱等部件，有效尺寸為400*300。故需結合產品結構和尺寸，可以分為一模一件，一模多件和一件多模的設計方案。奔馳的星空版燙印工藝上格柵，是由4個燙印零件組合而成;寶馬的瀑布式格柵也左右兩個燙印零件組成，燙印壓頭往下壓一次，出一個燙印零件，屬于一模一件的方案;以內飾的撥紐飾條為典型例子，他們的零件尺寸較小，為了提高生產效率，燙印壓頭往下壓一次，可以出3-4個零件，此為一模多件的方案;以斯柯達的燙印上格柵為典型例子的，由于上格柵的尺寸較大，一副上胎模無法覆蓋所有的燙印面，結合了實際的造型面，需要制造3副上胎模的模具，分3段進行燙印，如圖4所示。

此次新開發(fā)下格柵長1.6米，高0.25米，造型元素中含有較多中空的菱形網格，結構較為復雜。注塑零件尺寸隨季節(jié)、隨工藝等容易有波動，尺寸跨度太大容易有不良品，受限于目前國內燙印壓頭設備和硅膠模的尺寸，以及下格柵整體的造型弧度，為保證燙印質量及成品率，將此格柵本體分為5個區(qū)域進行燙印，也就要有5副上胎模，根據零件的輪廓形狀，下胎模（夾具）的擺放位置和方向不同，其分段示意如下圖5所示。此項目的拖鉤位于下格柵位置，為確保外觀一致性和協調性，拖鉤蓋板也是菱形造型，定義相同的燙印效果。為了節(jié)約拖鉤蓋板單獨燙印的工裝，胎模。將下格柵內部結構局部挖空后加強優(yōu)化，使得下胎具在夾持支撐下格柵的同時，又可以透過下格柵的開孔來支撐定位拖鉤蓋板的每個菱形燙印特征，上胎模也相應匹配，使得拖鉤蓋板的燙印步驟集成在下格柵分段1的燙印工序中，減少了工時，提高了生產效率。故此次開發(fā)的下格柵首次結合了一模多件和一件多模的工藝。

4 燙印面與非燙印面的要求

燙印由于其自身工藝的局限性，無法做到電鍍零件那樣整個零件呈現出完整地高光亮銀效果，只能在滿足特定要求的外表面上粘附各種效果的燙印膜來實現各種個性化的效果。那么滿足特定技術要求的燙印面有嚴格的要求，燙印面和非燙印面的距離要求如下：

4.1 當燙印面高于非燙印面，為了是硅膠材料的上胎模和燙印面之間有足夠的壓緊力，使得硅膠模有足夠的下壓空間，燙印面和非燙印面之間的高度差h要大于2.0mm，極限情況下為了滿足某些特定造型面的需求，可以將h做到1.0mm，同時成本上也會有所增加。距離a則不做要求，示意圖如圖6：

4.2 當燙印面低于非燙印面，如圖7所示時，則需要定義燙印面和非燙印面的距離;如果它們的距離a大于15mm，可以認為燙印面和非燙印面之間的空間足夠滿足上胎模的工作空間要求，對于高度差h不做要求;如果它們的距離a在5mm到15mm之間，那么對于在燙印方向上的高度差h則要求小于1/3*a;當距離a<5mm，同時燙印面又低于非燙印面時，由于非燙印面的阻礙，使得硅膠模（上胎模）與燙印面之間無法產生充分地接觸，上胎模，燙印膜和燙印零件三者之間沒有足夠的壓力和適合的溫度，使得燙印膜充分粘附到燙印面上，容易產生燙印膜褶皺，起泡等質量問題。

此次新開發(fā)的進氣格柵是由無數個菱形的燙印特征組成，在開發(fā)中，由于在Y0區(qū)域有一塊固定牌照板的結構，它比右側的燙印面高13.7mm，根據高度差h/距離a≤1/3的原則，燙印面與周邊的面需要大于41.4mm，實際上如圖8的截面A-A中，燙印面與牌照結構的距離只要做到15mm，在工藝上非燙印面和燙印面之間的距離已經滿足上胎模的工作空間了。在燙印面右側的非燙印封閉面比燙印面低8.2mm，滿足燙印特征需要高于非燙印特征2mm的要求。

5 燙印面的設計要求與外凸物檢測

熱燙印技術的核心就是要能夠使得燙印的部位充分的得到燙印，燙印的痕跡要平滑、整潔、沒有飛邊、沒有水跡。在注塑時盡量不要采用脫膜劑，尤其是含有有機硅油的脫膜劑更是嚴禁使用。還要求模具的制造精度在800目以上。

5.1 燙印面的弧度

為了達到燙印膜與零件之間粘接效果，零件的燙印面要盡可能地平整，使得燙印膜不會產生褶皺。圖9截面B-B所示的單個燙印面的高度h不能大于0.3mm;同時燙印面寬度b要大于10倍的高度h;原則上燙印面的寬度和燙印膜粘附到以后產生的氣泡比例成正比，即燙印面越寬，則越有可能造成排氣不良，導致氣泡的產生，影響燙印質量和報廢率;為保證排氣，其寬度不能太寬，建議寬度b做到15mm以內。即：b≥10h（h≤0.3mm? b≤15mm）。

燙印面的高/寬比越小，則燙印面越平，燙印膜與零件的粘附質量會越好，但是實際零件生產中，當寬度b大于5mm以上時，由于塑料零件的自身特性，需要做成雙層料厚，此時必須考慮縮印的風險。需要綜合考慮燙印面質量和注塑零件的質量，使兩者達到一個統(tǒng)一平衡狀態(tài)。建議將燙印的特征面做成光滑圓弧面Ra（圖9的截面B-B），Ra最小值為R75mm，推薦R90～120mm為佳。

5.2 燙印面的邊界

燙印的原理是通過燙印壓頭的作用，將燙印膜粘結層，金屬層（鋁或者鉻）和保護層留在燙印零件的燙印面上的過程。為了燙印膜的金屬層可以干凈、快速地從燙印膜中剝離出來，粘附在燙印零件的燙印面上，不產生燙印飛邊，多燙，漏燙等質量問題，可以把燙印面的邊界理解為剪切燙印膜的工具，那么這個邊界要盡可能地尖銳，其圓角Rb如圖8所示，不能大于R0.3mm。

5.3 汽車外部突出物要求

外飾零件需滿足強制性標準GB 11566-2009 乘用車外部凸出物的要求，其條款4.4中明確：車身外表面突出零件的圓角半徑Rp不應小于R2.5;目前燙印在汽車外飾件上的應用大多是有進氣功能的格柵，針對用于固定元件或活動元件間的間隙寬度d小于40mm、且此間隙有功能要求的情況。當間隙寬度在25mm～40mm之間時，圓角半徑不應小于1mm;若間隙寬度等于或小于25mm時，其外邊緣的圓角半徑不應小于0.5mm。同時要求，形成格柵或間隙的每個元件的前端與側端的結合處應是圓滑的，其測量方法示意如圖10所示。

乘用車外凸物強制性標準要求所有與100mm直徑的外凸?jié)L球有接觸的面至少大于R0.5， 此要求與燙印面邊界圓角的要求不能大于R0.3相沖突，那么如何在滿足燙印要求的前提下，將燙印面的曲面進行優(yōu)化，合理有效地滿足外凸物強制性標準就尤為重要。下圖11是新格柵造型最初的造型，2個菱形燙印特征之間的距離是22.5mm，R50mm的外凸?jié)L球剛好碰到了2個菱形燙印特征的R0.3mm的邊界上，不滿足乘用車外凸物強制性標準，那么此造型就不能滿足乘用車上市要求。根據如圖12所示的外凸物要求的燙印特征邊界優(yōu)化方法，根據R50外凸?jié)L球碰到的距離小于等于25mm，25mm到40mm之間，大于等于40mm這3種情況，將R50外凸?jié)L球碰到的邊界圓角調整到R0.5mm， R1.0mm或者R2.5mm以上，再使用燙印面高度不高于0.3mm的要求，將燙印邊界圓角切除，形成較為尖銳的圓角，在三維結構數據不體現出圓角，制造時滿足零件制造的工藝圓角即可。優(yōu)化以后的結構如圖13所示，滿足外凸要求的截面C1-C1，與外凸?jié)L球相切的邊界為R0.5mm，注意若優(yōu)化以后的距離d大于25mm，那么邊界則需要調整為R1.0mm。

5.4 燙印面的角度要求

本文所提到的燙印零件都是塑料零件，那么零件中涉及的所有燙印面和非燙印面都必須滿足塑料零件的拔模要求，為保證零件表面光滑無毛刺，建議拔模角大于3°。此次新開發(fā)的的燙印零件的燙印方向與零件拔模方向不一致，故對于非燙印面還有一個要求，要求所有非燙印面與燙印方向之間的夾角要大于135°，否則存在燙印邊界不齊整，非燙印面多燙等質量問題。

從上圖1的燙印原理圖中可以看到，上胎模固定在燙印壓頭（加熱盤）里面，燙印方向永遠都是Z向正向向下的。在設計燙印面造型的前期分析時，可以假定燙印方向是燙印面的法向，法向是確保燙印質量的最優(yōu)方向。燙印方向與非燙印面的夾角α大于等于135°，可以簡化理解為燙印面和非燙印面之間的夾角β要小于等于135°，以新格柵端部為例的截面示意如圖14所示。

6 結語

結合本次大尺寸、造型中較多中空菱形特征的下格柵的研發(fā)，對熱燙印技術應用于汽車外飾件的設計準則進行了探討，簡單介紹了熱燙印技術的原理，熱燙印面造型的設計要求，熱燙印零件的基材要求，以及大尺寸熱燙印零件分段工藝，為今后的汽車外飾件研發(fā)提供了新的設計思路，提高了企業(yè)的市場競爭力。

參考文獻：

[1]谷曉杰.熱燙印技術在汽車內外飾件上的應用[J].絲網印刷，2014，第二期：13～18.