薄壁低密度PP材料的開發(fā)與應(yīng)用研究

胡成，楊豪

薄壁低密度PP材料的開發(fā)與應(yīng)用研究

胡成，楊豪

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

文章通過一系列原材料及零部件性能試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)出適用于門內(nèi)飾板的薄壁低密度PP材料，并成功在量產(chǎn)車型的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，減重可達(dá)15.6%；另外，薄壁低密度材料的成功開發(fā)應(yīng)用，為我們實(shí)現(xiàn)非金屬零部件輕量化提供重要參考。

薄壁低密度；PP材料；門內(nèi)飾板

前言

為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，達(dá)到節(jié)能減排，改性塑料在整車上的應(yīng)用越來越多，單車重量甚至達(dá)到190 kg以上；而PP材料又以其密度小、性價(jià)比高和便于回收利用等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于汽車內(nèi)外飾零部件，是整車所有塑料材料中用量最大的材料，部分車型PP材料用量占整車塑料材料總量的50%以上[1-3]。

本文以整車重要零部件——門內(nèi)飾板的輕量化為例，對(duì)比分析了不同輕量化方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擬定輕量化效果更加的方案，即薄壁低密度方案，開發(fā)出適用于該方案的PP材料，以下稱薄壁低密度PP材料，以實(shí)現(xiàn)門內(nèi)飾板輕量化，并以此為例，為其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕量化提供參考。

1 輕量化方案選擇

當(dāng)前門內(nèi)飾板相對(duì)成熟的輕量化方案主要有：薄壁化設(shè)計(jì)、低密度材料及微發(fā)泡技術(shù)；薄壁化設(shè)計(jì)和低密度材料方案一般對(duì)材料性能的要求較高[4]，造成材料成本增加，且減重效果較低；而微發(fā)泡技術(shù)是通過對(duì)復(fù)合材料（如PP復(fù)合材料）進(jìn)行微發(fā)泡處理，大幅降低材料密度，并保持一定的機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)輕量化[5]，減重可達(dá)20%以上，但前期模具和生產(chǎn)設(shè)備費(fèi)用投入高達(dá)千萬，限制其應(yīng)用。

針對(duì)上述輕量化方案存在的不足，特提出薄壁化+低密度相結(jié)合的方案，將低密度PP材料替代傳統(tǒng)PP+EPDM-T20應(yīng)用在薄壁門內(nèi)飾板上，在不增加零部件綜合成本的情況下，最大程度地實(shí)現(xiàn)減重。

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和撓度的理論計(jì)算得出[6]，E1/E2=（d2/d1）3，即產(chǎn)品壁厚的微小降低，會(huì)造成產(chǎn)品的剛性大幅降低，而為滿足產(chǎn)品剛性要求，則要選用高模量材料；不同壁厚，材料彎曲模量要求見表1。

表1 不同壁厚門內(nèi)飾板對(duì)材料彎曲模量的要求

普通低密度改性PP材料模量很難達(dá)到1900MPa以上，而通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以增強(qiáng)剛性，以減小對(duì)材料剛性的依賴；但壁厚太薄，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝要求較高，帶來較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)；通過綜合考慮，對(duì)薄壁化+低密度方案，我們最終建議門內(nèi)飾板壁厚設(shè)計(jì)為2.3 mm，相比于傳統(tǒng)的2.5 mm，壁厚減小0.2 mm；而材料采用高模量的PP+EPDM- T10材料（彎曲模量在1700MPa以上），替代傳統(tǒng)的PP+EPDM-T20材料。

2 性能驗(yàn)證

薄壁低密度PP材料目前還沒有可參考的性能標(biāo)準(zhǔn)要求，因此對(duì)于該材料的性能驗(yàn)證，我們通過以下途徑解決：分別從傳統(tǒng)門內(nèi)飾板和薄壁低密度PP材料門內(nèi)飾板上截取標(biāo)準(zhǔn)試樣（取樣部位盡可能平整，且位置一致，同時(shí)要避開背部加強(qiáng)筋、焊接柱等結(jié)構(gòu)），在進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試；評(píng)判原則：薄壁低密度PP材料門內(nèi)飾板上取樣測(cè)試結(jié)果不得低于傳統(tǒng)門內(nèi)飾板上取樣測(cè)試的結(jié)果。

2.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

根據(jù)薄壁低密度方案要求，優(yōu)選3家供應(yīng)商（記為A供應(yīng)商、B供應(yīng)商、C供應(yīng)商）的PP+EPDM-T10材料作為開發(fā)對(duì)象，材料性能見表2（3家供應(yīng)商材料分別記為材料A、材料B、材料C，對(duì)應(yīng)的注塑門內(nèi)飾板分別為門內(nèi)飾板A，門內(nèi)飾板B，門內(nèi)飾板C，門內(nèi)飾板均在相同條件下注塑而成）。

表2 原材料物性表

2.2 力學(xué)性能驗(yàn)證

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別在門內(nèi)飾板上取樣測(cè)試，并與傳統(tǒng)門內(nèi)飾板取樣測(cè)試結(jié)果對(duì)比，相關(guān)結(jié)果見表3。

從表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，僅有門內(nèi)飾板A取樣測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)門內(nèi)飾板取樣測(cè)試結(jié)果基本相當(dāng)，且略高于傳統(tǒng)門內(nèi)飾板，而其他2家主要是在常溫缺口沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)門內(nèi)飾板取樣測(cè)試結(jié)果，且與表2的數(shù)據(jù)對(duì)比，門護(hù)板B和C的常溫缺口沖擊強(qiáng)度遠(yuǎn)低于各自原材料的物性數(shù)據(jù)，這說明材料B和C的性能在零部件上保持率相對(duì)較低（所有測(cè)試均選用多組平行樣，且平行樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好，可排除取樣不良因素，可能原因是材料B、C性能受注塑工藝，如溫度，影響較大所致[7]）。

表3 樣件取樣測(cè)試結(jié)果

另外，從表3中還可看出無論是傳統(tǒng)門內(nèi)飾板還是薄壁低密度門內(nèi)飾板，彎曲模量?jī)H在1200MPa左右，遠(yuǎn)低于表1中理論計(jì)算的模量要求；這對(duì)我們開發(fā)新材料具有重要的參考意義。

2.3 零部件性能的驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)門內(nèi)飾板A進(jìn)行耐刮擦、高低溫交變、老化等零部件級(jí)性能驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 零部件性能試驗(yàn)結(jié)果

上述所有性能測(cè)試項(xiàng)目均滿足零部件技術(shù)要求，另外，在路試驗(yàn)證試驗(yàn)中，也未發(fā)現(xiàn)薄壁低密度門內(nèi)飾板存在缺陷。

綜上試驗(yàn)驗(yàn)證，我們認(rèn)為A供應(yīng)商的PP材料完全可用在2.3mm壁厚的門內(nèi)飾板上，實(shí)現(xiàn)門內(nèi)飾板的輕量化。

2.4 量產(chǎn)應(yīng)用驗(yàn)證

經(jīng)過前期材料和零部件性能驗(yàn)證，薄壁低密度門內(nèi)飾板已于2017年在量產(chǎn)車型上成功推廣應(yīng)用，市場(chǎng)反饋良好。圖1為已量產(chǎn)的某車型門內(nèi)飾板。

以上述量產(chǎn)門內(nèi)飾板為例，產(chǎn)品壁厚從2.5 mm減小到2.3 mm，薄壁化設(shè)計(jì)減重8%；PP+EPDM-T20材料密度在1.05 g/cm3，而PP+EPDM-T10材料密度在0.97 g/cm3，材料密度減重7.6%；因此，零部件總共減重可達(dá)15.6%，輕量化效果非?？捎^。

圖1 量產(chǎn)某車型薄壁低密度門內(nèi)飾板

而在成本方面，原材料PP+EPDM-T10價(jià)格僅比PP+ EPDM-T20高約15%左右，但由于單件用量的降低，單件原材料成本與傳統(tǒng)以門內(nèi)飾板基本持平；另外，薄壁低密度門內(nèi)飾板在模具設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝及設(shè)備等方面，無特殊要求，未造成其他費(fèi)用增加。因此，與傳統(tǒng)門內(nèi)飾相比，成本基本持平。

憑借在量產(chǎn)車型上的的應(yīng)用，并結(jié)合其優(yōu)異的輕量化效果及成本優(yōu)勢(shì)，薄壁低密度PP材料已作為我司平臺(tái)化推廣應(yīng)用材料。

3 結(jié)論

通過對(duì)原材料性能及零部件性能驗(yàn)證分析，成功開發(fā)出適用于門內(nèi)飾板輕量化的薄壁低密度PP材料，可在不增加成本的情況下，實(shí)現(xiàn)15.6%的減重效果，相比于傳統(tǒng)輕量化方案，綜合優(yōu)勢(shì)明顯；同時(shí)，薄壁低密度PP材料在量產(chǎn)車型上已成功應(yīng)用。

薄壁低密度PP材料的成功開發(fā)應(yīng)用，為非金屬零部件輕量化提供了重要參考，即相比于單一輕量化方案，多種輕量化方案相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)較好的輕量化效果。后期我們將會(huì)沿著這個(gè)方向，開展其他系統(tǒng)的輕量化工作。

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Development and Application Research on Lightweight Scheme of Door Panels

Hu Cheng, Yang Hao

（Zotye Automotive Engineering Research Institute, Zhejiang Hangzhou 310018）

A lightweight scheme of door panels, namely thin-walled low density scheme, which achieved 15.6% weight reduction without cost increase, was developed in this paper. And it was applied in production cars successfully through a series of performance test of materials and components. In addition, it also provide an important reference for us to realize the non-metallic parts lightweight by the development and application of the thin-walled low density PP material.

Thin-Walled low density; PP; Door panel

U463.83+9.2

A

1671-7988(2019)18-208-03

U463.83+9.2

A

1671-7988(2019)18-208-03

胡成，畢業(yè)于西南石油大學(xué)，碩士，就職于眾泰汽車工程研究院，主要負(fù)責(zé)汽車內(nèi)外飾非金屬零部件材料的開發(fā)與應(yīng)用工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.071