新型熱燙印裝飾技術(shù)在汽車格柵的應用研究

王開 趙穎 王召君 張曉略 劉樹文

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

1 前言

熱燙印裝飾技術(shù)（Hot Stamping Decorative Technology）是一種新興綠色環(huán)保的表面裝飾新技術(shù)，由于生產(chǎn)效率高、裝飾圖案多元化且具有替代傳統(tǒng)高污染電鍍工藝的可能性，使其廣泛地應用于塑料、木質(zhì)基材、皮革及紙基等各種制品和半制品材料的表面裝飾。其是通過高溫及高壓，把預先涂在載體箔膜的涂層轉(zhuǎn)印在產(chǎn)品表面，從而形成裝飾層。就汽車產(chǎn)業(yè)的內(nèi)外飾裝飾件應用而言，因熱燙印技術(shù)可提供各種裝潢效果，如桃木、碳纖、仿電鍍高光效果等，并且能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)電鍍工藝難以實現(xiàn)的特殊外觀造型，現(xiàn)階段其主要應用在汽車門踏板、空調(diào)出風口、扶手、中央飾框、顯示面板、標牌、保險杠格柵、A-B-C柱、外飾條、甚至發(fā)動機頂蓋裝潢的優(yōu)化工藝等。目前熱燙印技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在奔馳、大眾、寶馬、奧迪、福特及豐田等主流廠商的車型上[1]。本文將主要對一種新型熱燙印技術(shù)進行介紹，通過清漆保護層優(yōu)化零件外觀性能，從材料、性能驗證等方面分析其在熱燙印高光“滿天星”造型格柵的應用可行性。

2 熱燙印工藝的特點和應用

熱燙印箔實質(zhì)上是一種載體鍍層轉(zhuǎn)移性工藝涂層膜。熱燙印箔的基本構(gòu)造如圖1所示，包括載體和4道涂層[2]。

圖1 熱燙印箔的典型構(gòu)造

a.載體：由滌綸薄膜或聚脂薄膜組成，對其他層起支撐作用；

b.第1道涂層：剝離層，又叫離心層。燙印時便于載體與燙印箔分離；

c.第2道涂層：保護層，又稱染色層。提供顏色，保護鋁層；

d.第3道涂層：裝飾層，反射光線，呈現(xiàn)金屬光澤；

e.第4道涂層：膠水層，膠粘層融化，將鋁層粘到承印物上，與承印物表面形成附著力。運輸、儲存過程中起保護作用。

零件生產(chǎn)過程中，燙印設備通過高溫和高壓共同作用的方式將薄膜貼合在需要裝飾的表層，熱熔膠熔化與內(nèi)外飾零件基材表面形成粘附力，同時在剝離層的作用下載體薄膜與保護層分離，從而在零件表面形成類似電鍍或者其他外觀。由于環(huán)保要求的不斷提高，六價鉻的使用受到越來越嚴格的控制，傳統(tǒng)電鍍工藝的社會成本壓力日趨攀升，許多主機廠都在尋求替代電鍍零件的低成本綠色環(huán)保工藝。而熱燙印工藝是物理過程，不涉及六價鉻的還原，對工人和環(huán)境影響小。加工裝飾面一次成型，減少多次加工可能造成的生產(chǎn)風險。成本優(yōu)勢明顯，而且可以建立成熟、完整、有效的箔膜循環(huán)回收系統(tǒng)，不會存在有毒有害重金屬殘留。

為了追求個性、時尚和科技感和高光澤度效果，近年來，熱燙印金屬箔格柵來替代電鍍格柵的外觀已漸漸在主機廠中流行起來，如表1所示，這些零件外觀都是通過燙印來實現(xiàn)的，滿足零件外觀要求，且性能穩(wěn)定，但對工藝要求較高，否則會出現(xiàn)失光、劃痕等缺陷。汽車零部件受實際工況和行業(yè)標準的限制，其表面裝飾工藝的試驗要求較高，故在產(chǎn)品性能達到要求的情況下，燙印工藝可以極大的節(jié)約成本，方便更改設計。

表1 各主機廠燙印零件

3 新型熱燙印格柵解決方案

3.1 方案概述

汽車前格柵的造型設計代表了各主機廠的設計風格，不僅需要滿足在整車的功能要求，更需要具備符合時代潮流的美學元素，從而大幅度提升客戶主觀滿意度。電鍍格柵一直是各主機廠頻繁使用的一種金屬外觀效果，展現(xiàn)高檔和奢華；基于某項目格柵新穎造型設計，選擇電鍍工藝存在著成本過高，電鍍過程不環(huán)保，零件工藝復雜等問題，本文旨在直接使用金屬光澤燙印膜燙印在格柵塑料基材本體上，使其具有不亞于電鍍和噴漆的外觀效果，得到性能優(yōu)異，綠色環(huán)保且成本低廉的優(yōu)異外觀格柵。

3.2 新型熱燙印基材分析

汽車熱燙印格柵與塑件基材的性能有關(guān)，塑料基材多為ASA（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸共聚物）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PC（聚碳酸酯）、TPO（熱塑性聚烯烴類）、PC/ABS等材料，受使用環(huán)境的影響，需要滿足試驗標準的要求，如耐溫、耐濕、低溫沖擊測試等，因而汽格柵的熱燙印不僅要考慮外觀效果，還要滿足在實際工況環(huán)境長期穩(wěn)定可靠的要求。同時，工藝成型性、合格率、成本的要求也是重要因素。因而需要針對塑件的材料特性進行專門化的研究。目前，汽車熱燙印格柵基材選擇主要有4類，分別為ASA、TPO、ABS、PC。這4種材料在不同的主機廠都有應用，表2對比了各材料的主要性能，從表2中可以看出，針對格柵零件需著重考慮的耐候性能，ASA和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）能夠滿足要求，而對于機械性能而言，需滿足格柵零件的低溫沖擊要求，經(jīng)過綜合考慮，最終選取ASA材料作為優(yōu)化對象。

表2 各材料主要性能對比

ASA屬于無定形三元共聚物，為飽和主鏈結(jié)構(gòu)，大分子鏈中的羰基和腈基具備較強耐紫外線能力，而苯環(huán)是典型的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，很難發(fā)生光化學反應，因此，ASA對紫外線的耐受能力很強，顏色穩(wěn)定，耐候性優(yōu)，同時又具有優(yōu)異的耐刮擦和耐沖擊性能，為長期使用和高質(zhì)量的外觀提供了卓越的性能。ASA材料其優(yōu)良的加工性能和成本優(yōu)勢在該方案中得以凸顯。除此之外，ASA具有出色的尺寸穩(wěn)定性和極好的表面光澤度能夠完美呈現(xiàn)現(xiàn)代汽車與眾不同的前格柵設計。該材料還具有極好的耐水性，顯著改善了該款格柵在雨雪等惡劣天氣下的性能。ASA材料在汽車格柵制造方面還具有2大優(yōu)勢：通過添加特定的耐UV（紫外）助劑，使該材料的耐紫外性能，尤其是顏色和光澤度的保持得到大幅提升，確保在經(jīng)歷多年的日曬雨淋后仍能擁有超高的光澤度和色彩；該材料具有卓越的粘附特性，是在復雜結(jié)構(gòu)上進行燙印箔黏附的理想基材，材料表面非常穩(wěn)定，適用于精密箔應用[3-4]；這也使其可以引入裝飾性箔制造商生產(chǎn)的燙印箔，直接在零件部分特征面上施工，一次成型以滿足造型需求，這也是鍍鉻技術(shù)難以實現(xiàn)的。

3.3 新型熱燙印方案

本文選用新型燙印-清漆結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)汽車格柵目標外觀以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍍鉻工藝，實現(xiàn)了“滿天星”特殊造型格柵，即在基材上進行熱燙印得到高質(zhì)量外觀后再噴涂清漆，該清漆成分主要包括環(huán)氧改性丙烯酸樹脂和硅樹脂等。這層清漆可以提高格柵使用壽命，提高其抗光照老化性能，保護格柵塑料基材和燙印箔膜，提高格柵表面抗石擊和刮擦能力，不僅節(jié)省了相應的生產(chǎn)成本，還可以減少施工的標準工時和人力成本，提升生產(chǎn)節(jié)拍。同時，應用此工藝大大降低了一味追求高性能燙印帶來成本壓力，大范圍應用此燙印-清漆工藝后總成本遠低于傳統(tǒng)鍍鉻和噴漆工藝。

格柵所使用的塑料ASA本身具有優(yōu)異的油漆適配性，并且可以獲得優(yōu)良的附著力。但是，為了滿足熱燙印工藝的技術(shù)要求，保證優(yōu)良的熱燙印膜與基材的附著力，熱燙印格柵表面的塑料基材區(qū)域和熱燙印膜區(qū)域表面能需進行匹配，清漆的表面張力也需要與之匹配才能獲得足夠的附著力。另外漆膜附著力產(chǎn)生于涂料與被涂基材表面極性基團之間的相互引力，而這種極性基團之間的相互引力的產(chǎn)生是以涂料對被涂基材表面的良好潤濕為前提的。因此工藝的關(guān)鍵步驟在于需要做到基材表面、燙印區(qū)域和清漆漆膜之間表面張力的匹配以及改善該格柵表面的浸潤性，使清漆與格柵之間具有良好的附著力。

3.4 零件性能驗證

經(jīng)過材料選擇、方案敲定和數(shù)輪試模工作，成功制造出了滿足外觀要求的零件，如圖2所示，通過燙印-清漆方案制造出的格柵零件色彩飽和度好，光澤度高，表面質(zhì)量高，無縮痕等缺陷。

圖2 試制燙印樣件局部照片

同時對該零件進行了固化、附著力、耐光照、耐飛石沖擊等試驗，試驗項目及試驗結(jié)果見表3，所有的附著力和耐候結(jié)果均能滿足行業(yè)標準要求。

表3 性能驗證結(jié)果

通過以上測試與分析，上述燙印-清漆體系都能滿足零件性能要求。其外觀可與電鍍媲美，并且還能營造出充滿運動氣息的科技感，起到突出車標的效果。熱燙印箔膜表面的清漆涂層不僅增加零件的光澤度，還因其可以抵御長、短波長的侵襲從而提高了耐候性，并且其耐飛石沖擊、耐水沖擊和耐化學試劑性能都有大幅增加，延長了使用壽命。丙烯酸樹脂體系的薄膜保護層在高溫高濕下會與水反應發(fā)生降解，導致部分環(huán)氧基團流失，因此使淺表結(jié)構(gòu)交聯(lián)密度減小[13]。同時在環(huán)境CO2與水氣的共同影響下，表面變得非常粗糙，宏觀上體現(xiàn)為光澤度的下降。通過涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，包括交聯(lián)密度的控制以及提升附著力的硅樹脂的引入，該熱燙印-清漆體系下的零件性能可以得到極大提升，同時硅樹脂的引入，對薄膜耐熱性、疏水性等也有顯著的提高。

在沒有明顯匹配關(guān)系和特殊性能要求的零件區(qū)域，完全可以有針對性的選擇該新型方案來降低目標零件的外觀實現(xiàn)成本，提高收益率。目前限制燙印-清漆方案應用的主要因素為要求供應商同時具備燙印和噴漆的能力，另外需要控制注塑質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性以調(diào)控塑料基材、燙印箔膜和清漆涂層之間的表面張力匹配，用以獲得足夠的附著力和耐久性。相信未來該體系通過生產(chǎn)節(jié)拍、環(huán)保成本核算及共線工藝等優(yōu)化之后是可以同時達到質(zhì)量和成本要求以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電鍍和噴漆工藝。

4 結(jié)束語

通過材料、方案和實際零件的性能驗證，以ASA基材上熱燙印-清漆的格柵工藝方案是可行的，優(yōu)化后的樣件無流掛橘皮等外觀缺陷，耐候、耐刮擦等性能優(yōu)異，完全滿足汽車格柵零件的使用要求。該方案同電鍍和傳統(tǒng)噴漆工藝相比成本優(yōu)勢明顯，伴隨著環(huán)保和成本壓力的日漸凸顯，相信熱燙印-清漆工藝方案將會有更多更詳盡的應用。相信該研究成果對于探索具有類似結(jié)構(gòu)的燙印-噴漆工藝方案也具有借鑒意義。