低密度聚丙烯材料在門飾板上的應用研究

李書鵬，王偉健，李波，張健

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

為了降低燃油或者電能消耗，不論是傳統燃油車還是新能源車，整車的輕量化設計都是一個重要的開發指標。然而在推進輕量化方案時，成本的變化是很多方案難以落地的攔路虎。質量變化和成本的關系如圖1所示，隨著質量的降低，成本也在降低，但隨著質量進一步減少，成本會達到最低的極點后增加。因此，在進行輕量化方案設計時，充分考慮質量和成本的平衡至關重要，也是方案最終得以實施的保障。

圖1 質量和成本的關系

此次通過對材料配方改進，同時在不改變現有模具、生產設備和產品結構的前提下，替代現行材料，實現零件減重的同時維持綜合成本基本持平，最終方案成功搭載應用到量產車型。

1 材料配方及驗證

1.1 材料配方

門飾板常規選材為PP+EPDM-TD20，初步選取PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10兩種方案進行替代開發，3種材料的典型物性對比如表1所示。

表1 性能對比

通過典型物性對比，3種材料在拉伸強度和沖擊強度性能上差別不大，而彎曲模量和收縮率差異較大，如果直接替代應用，則會影響零件的剛性，同時由于收縮率較大也無法共用模具。因此，需要改進材料配方提升其性能。

以PP+EPDM-TD20典型性能值為目標，對PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10的配方進行調整，主要從PP基體樹脂和滑石粉兩方面著手。

PP基體樹脂采用復配方式，提高均聚PP樹脂的含量，彌補由于滑石粉含量減少導致材料彎曲模量降低[1]。無規PP樹脂與均聚PP樹脂的典型物性對比如表2所示。

表2 無規PP和均聚PP物性

塑料改性時通過添加滑石粉改變塑料的多種性能，如成型收縮率、彎曲模量、沖擊強度及拉伸強度等。根據用途的不同，塑料改性時添加的滑石粉粒徑從300目到3 000目不等[2]。

李偉等人[3]采用不同粒徑的滑石粉改性PP，研究不同粒徑的滑石粉對材料拉伸性能、彎曲性能、沖擊能性及流動性能的影響，得到了滑石粉粒徑變小(即目數增加)，材料的拉伸強度和流動性沒有明顯變化、彎曲模量和沖擊性能增加的結論。

因此，降低滑石粉含量時，可以通過提高滑石粉的目數來彌補性能的降低。然而，隨著目數的增加，滑石粉的價格也會增加，需要對配方的性能和成本進行綜合評估，選擇合適目數的滑石粉填充[4]。

1.2 材料性能驗證

以現行材料(PP+EPDM-TD20)的性能數據為目標，基于上述材料配方改進方案，重新開發PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10兩種規格，選取了3家供應商開發的牌號進行驗證，性能測試數據如表3和表4所示。

表3 PP+EPDM-TD5性能數據

表4 PP+EPDM-TD10性能數據

通過表3和表4所示的材料性能數據，PP+EPDM-TD5規格在彎曲模量性能上很難達到目標值的要求[5]，應用時存在零件剛性不足的風險，如繼續對材料配方改進則會帶來成本大幅上升。因此，綜合評估后選取PP+EPDM-TD10方案進行后續驗證。

2 零件成型分析及驗證

2.1 零件成型分析

選取某車型門飾板數據，通過Moldflow分析對比PP+EPDM-TD10和PP+EPDM-TD20的成型性，從注射壓力、體積收縮率及翹曲變形3個方面進行差異分析，分析結果如圖2—圖4所示。

圖2 注射壓力

圖3 體積收縮率

圖4 翹曲變形

分析結果匯總如下：

(1)TD20和TD10材料的注塑壓力分別為59.4 MPa和64.1 MPa，TD10材料注塑壓力略大于TD20；

(2)地圖袋區域因壁厚較厚，保壓不足體積收縮率較大，有縮痕風險，兩種材料相當；

(3)兩種材料翹曲變形趨勢一致，兩個角(紅色區域)上翹，地圖袋區域下凹，TD10變形量略大于TD20。

由Moldflow分析結果可以看出，兩種材料在成型性上差異不大，后期可以通過部分工藝參數的調整進行優化。

2.2 零件成型驗證

選取某量產車型門飾板模具(應用材料：PP+EPDM-TD20)對PP+EPDM-TD10材料進行試模驗證，評估成型性、外觀、質量及收縮率。

根據現場試模確認，零件無缺膠、縮孔等成型缺陷，在喇叭網孔處有比較明顯的熔接痕缺陷，后期通過調整材料的熔指，解決了熔接痕的問題。

與現行零件質量進行對比質量減少192.6 g，質量信息如表5所示。

表5 質量信息

對試模件的尺寸間隙通過檢具進行了測量，測量部位如圖5所示。

圖5 測量示意

尺寸間隙要求值(量產件)和檢測結果(試模件)如表6所示。

表6 尺寸間隙檢測結果 mm

由尺寸間隙的檢測結果可以看出，在現有模具上驗證，局部點存在尺寸間隙超標。初步原因分析：(1)現場試模沒有對注塑條件進行調整；(2)材料的流動性差異。

3 成本分析

在不改變模具、生產設備和產品結構的前提下，通過材料替代達到減重目的。因此在評估成本時，可以忽略模具、設備或結構的變更帶來的成本變化，只需評估材料和制品質量帶來的成本變化。兩種材料的成本對比(基于門飾板)如表7所示。

表7 成本對比

注：表中材料單價未含稅，為供應商初步報價，供分析時參考。

4 結束語

綜上所述，通過提升均聚PP(高模量)基體樹脂含量和選取高目數滑石粉等手段，制得低密度PP+EPDM-TD10材料，材料性能與常規PP+EPDM-TD20基本持平，同時采用量產車型的零件數據和模具，驗證了PP+EPDM-TD10替代PP+EPDM-TD20的可行性，最終該方案成功應用到新研發車型。