黃玲，龍廣鵬

(1.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410217； 2.廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司，廣西柳州 545616)

0 引言

外飾和內(nèi)飾零件是汽車的重要組成結(jié)構(gòu)，汽車外飾零件部分如前后保險(xiǎn)杠蒙皮、擾流板和側(cè)裙板等零件；內(nèi)飾零件則是進(jìn)入車輛內(nèi)部后接觸到的部分，如儀表臺、副儀表臺和門護(hù)板等。正是由于內(nèi)外飾零件對汽車外觀和使用非常重要，而這些零件以注塑成型工藝居多，原因是注塑成型工藝零部件成型的一致性較好，可以成型相對較復(fù)雜造型的零部件，生產(chǎn)效率高，零部件價(jià)格相對較便宜，缺點(diǎn)是正式生產(chǎn)模具價(jià)格較高。因此，為保證實(shí)際零件能達(dá)到設(shè)計(jì)的視覺效果、人體工程學(xué)要求和滿足裝配結(jié)構(gòu)要求，需要在開發(fā)正式模具前安排制造快速成型樣件(Rapid Prototyping,RP)進(jìn)行裝車驗(yàn)證，該批裝車零件同時(shí)還能滿足車型上公告等造車前期零件需求。使用快速成型樣件檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可大幅加快產(chǎn)品上市時(shí)間，降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

目前，國內(nèi)外汽車行業(yè)主流的內(nèi)外飾零件快速成型樣件制造方法主要分為數(shù)控機(jī)床加工零件、3D打印、軟模(硅膠模和玻璃鋼模)、反應(yīng)注塑(Reaction Injection Molding,RIM)等，其中3D打印是近幾年才快速發(fā)展起來的方法。下面介紹一下這幾種方法的原理及應(yīng)用場景案例。

1 數(shù)控機(jī)床加工零件

數(shù)控機(jī)床加工零件一般是指使用數(shù)控機(jī)床設(shè)備直接按設(shè)計(jì)方案加工材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龍等塊狀塑料體成為需要的造型(如果尺寸小于300 mm且結(jié)構(gòu)簡單則直接一次加工成型，如果結(jié)構(gòu)造型不規(guī)則或者尺寸大于300 mm，一般通過將零件分為多個(gè)小塊，分別加工好)，然后拼接裝配后，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求尺寸的零件。這種制造快速成型樣件的方法出現(xiàn)最早，產(chǎn)品加工周期相對較短，采購價(jià)格較低，主要用于結(jié)構(gòu)相對簡單、需求數(shù)量少的中小零件，如立柱、副儀表板和門護(hù)板等。

由于汽車內(nèi)外飾零件的造型需要，通常加工的零件都是不規(guī)則的圓形或方形，當(dāng)零部件尺寸大于300 mm或結(jié)構(gòu)造型不規(guī)則時(shí),如果直接使用一整塊塑料加工零件，則會導(dǎo)致成本成倍增加。因此，實(shí)際制造造型不規(guī)則的零件時(shí)，將零件按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)拆分成幾個(gè)部分，再進(jìn)行粗加工得到大致造型，然后使用專用黏結(jié)劑將零件各個(gè)部分粘好形成零件的整體輪廓造型，再最終一起進(jìn)行精加工，這樣能有效減少因零件結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的材料浪費(fèi)，降低零件成本。缺點(diǎn)是在零部件背面能看到各個(gè)零部件分塊部分間有較明顯的黏結(jié)痕跡，零部件黏結(jié)位置強(qiáng)度較差，容易開裂。圖1為數(shù)控機(jī)床加工完成的快速成型樣件。

圖1 數(shù)控機(jī)床加工完成的快速成型樣件

2 3D打印

3D打印(3D Printing)技術(shù)是一種以數(shù)模文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，快速成型樣件制造就是其應(yīng)用的重要方向之一。通過3D打印制造得到的樣件，周期更短，而且能實(shí)現(xiàn)異形結(jié)構(gòu)打印，整體尺寸精度可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整，滿足不同場合的不同需求。一般3D打印可制造的零件與數(shù)控機(jī)床加工的零件范圍一樣，適用于立柱、副儀表板和門護(hù)板等零件的快速成型。

3D打印中常用的塑料材料有類ABS塑料[丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三種單體的三元共聚物]、尼龍、尼龍加玻纖和透明的光敏樹脂等，類ABS塑料(圖2)的優(yōu)點(diǎn)是單價(jià)低、成型性能好，適用于強(qiáng)度要求不高的結(jié)構(gòu)件；尼龍的強(qiáng)度性能好，耐熱性較類ABS塑料好，但價(jià)格較高，尼龍加玻纖是普通尼龍的性能加強(qiáng)版，適合強(qiáng)度要求比較高的零部件；3D打印光敏樹脂俗稱UV樹脂，主要由聚合物單體與預(yù)聚合物組成，其中加有光引發(fā)劑，在一定波長的紫外光(250～300 nm)照射下會立刻引起聚合反應(yīng)，完成固態(tài)化轉(zhuǎn)換，光敏樹脂固化速度快、成型精度高、表面效果好、機(jī)械強(qiáng)度高(與類ABS強(qiáng)度相當(dāng))、低氣味、通用性強(qiáng)和耐存儲等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 3D打印成型的類ABS塑料零件

3 軟模

軟模主要指硅膠模和玻璃鋼模。

硅膠模一般先采用數(shù)控機(jī)床加工或3D打印得到設(shè)計(jì)零件，然后使用該零件進(jìn)行快速翻制工藝制作模具。該生產(chǎn)工藝周期短、成本低，可以采用真空注型、壓力注型及低壓灌注等工藝進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。硅膠模生產(chǎn)工藝適用于小批量生產(chǎn)(小于100件)、產(chǎn)品材質(zhì)強(qiáng)度和尺寸精度要求較高的產(chǎn)品，產(chǎn)品性能接近常規(guī)ABS塑料。

制模用的硅橡膠為雙組分液體硅橡膠，按橡膠成分劃分又有縮合型模具和加成型模具兩類。一般來說，縮合型硅膠抗剪強(qiáng)度較低，在模具制造過程中容易被撕裂，因此適用于結(jié)構(gòu)簡單、加強(qiáng)筋少的零件；加成型硅膠力學(xué)性能和耐熱老化性能好，適用于制造相對尺寸要求高的模具。

目前，硅膠模生產(chǎn)的小批量零件已經(jīng)在汽車開發(fā)前期的內(nèi)外飾樣件試制中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用最多的部分是汽車內(nèi)飾中的門護(hù)板、立柱和門檻護(hù)板等裝飾類的中小型注塑結(jié)構(gòu)零件。

玻璃鋼(fiber reinforced plastics，F(xiàn)RP)，是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強(qiáng)材料，以合成樹脂作為基體材料的一種復(fù)合材料，如圖3所示。以玻璃鋼材料為基礎(chǔ)，與硅膠模相似,使用快速翻制工藝制作而成的玻璃鋼模，通常用于汽車頂棚飾件和地毯飾件等模壓成型類，結(jié)構(gòu)簡單的中大型裝飾零件。玻璃鋼模適用于模壓工藝、吸塑成型工藝和發(fā)泡成型工藝生產(chǎn)的零部件。

圖3 玻璃鋼模

玻璃鋼模一般生產(chǎn)流程為：零件造型→刷母模→刷凸?！寄！鶱C加工→焊接模具框架→試?！植啃拚?yàn)收。通常一副玻璃鋼模的開發(fā)周期在一周左右，成本只占正式模具的1/10，屬于短周期、低成本的樣件試制模具。這種模具生產(chǎn)方式同樣能滿足小批量產(chǎn)品的制造需求(100～ 1 000套)。

4 反應(yīng)注塑

反應(yīng)注塑是指把兩種或兩種以上的低黏度液體，按一定的比例，在一定的壓力和溫度條件下均勻混合后，立即注入密閉的成型模具內(nèi)，在模具經(jīng)進(jìn)一步反應(yīng)后形成塑料制品的這一成型反應(yīng)過程,其原理如圖4所示。反應(yīng)注塑與普通注塑成型的最大區(qū)別是反應(yīng)注塑使用的設(shè)備簡單，模具可以做到大型化，成型零件強(qiáng)度和表面質(zhì)量好，而且還能滿足尺寸穩(wěn)定的小批量生產(chǎn)需求，成型零件厚度可滿足6～25 mm范圍內(nèi)的變化;缺點(diǎn)是單件產(chǎn)品價(jià)格較高，無法成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件。反應(yīng)注塑模具材料可以是環(huán)氧樹脂和鑄鋁等價(jià)格較低的材料，成本較正式注塑模具價(jià)格大幅降低，通常適用于100～200臺套/月的零部件小批量生產(chǎn)試制。反應(yīng)注塑的模具通常直接使用數(shù)控加工的方法得到，由于反應(yīng)注塑模具結(jié)構(gòu)較簡單，模具加工量少，模具加工周期一般在12 d左右， 然后進(jìn)行組立調(diào)試、試模，這個(gè)階段耗時(shí)3 d左右。反映注塑容易發(fā)生難脫模的情況，若能解決該問題，模具就不會有影響生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。

圖4 反應(yīng)注塑的原理

反應(yīng)注塑模具相對普通注塑模具斜頂頂出、滑塊脫出等自動化運(yùn)動結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，對于有負(fù)角、側(cè)孔的零部件不能正常生產(chǎn)(效率很低)。反應(yīng)注塑通常用于導(dǎo)流罩、裙板和卡車前保等結(jié)構(gòu)簡單且對強(qiáng)度有要求的大型外飾零件制造，目前在商用車領(lǐng)域應(yīng)用較多。

表1為4種快速成型樣件制造工藝特點(diǎn)的匯總。

表1 4種快速成型樣件制造工藝特點(diǎn)的匯總

5 結(jié)語

隨著越來越多的造車新勢力進(jìn)入汽車行業(yè)，它們帶來的多元化互聯(lián)網(wǎng)思維元素也將通過造車展現(xiàn)出來，汽車消費(fèi)者也逐漸適應(yīng)這種多元化的整車風(fēng)格，進(jìn)而要求傳統(tǒng)車企加快推陳出新的速度，否則會被潮流所拋棄。造車開發(fā)前期，通過內(nèi)外飾零部件快速樣件制造得到樣車進(jìn)行展示，根據(jù)市場的反饋進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，從而得到一個(gè)試錯的機(jī)會，可以節(jié)約很大一部分的開發(fā)經(jīng)費(fèi)和縮短開發(fā)周期。因此，快速樣件的制造將會在很長一段時(shí)間內(nèi)，都會作為整車開發(fā)的一個(gè)階段。本文僅針對目前常用的幾種制造快速成型樣件的方法和應(yīng)用進(jìn)行了一般應(yīng)用總結(jié)介紹，隨著相應(yīng)材料和生產(chǎn)工藝等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展將來還會衍生出更多的制造工藝方法，實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)根據(jù)不同需要選擇對應(yīng)的方案可實(shí)現(xiàn)低成本與短周期的平衡。