基于化學微發泡工藝的門飾板設計

中圖分類號：U465；U466 文獻標志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20250094

Abstract：In order to promote the practical application of chemical micro-foaming polypropylene material as a lightweightmeans，thispaperfirstlydiscussestheapplication feasibilityofchemicalmicro-foamingondoorinterior panels in terms of material property definition，structural design，CAE simulationand mold flow analysis.Then， diferencesbetweenconventional injectionmoldingand chemical micro-foaming injectionmoldingarecompared. Finall，the structure design and process requirements of chemical micro-foaming products based on core-back process is proposed，and the application of chemical micro-foaming process is prospected.

Keywords：Automotive interior，Polypropylenematerial，Chemicalmicro-foaming，Lightweight

1前言

聚丙烯（Polypropylene，PP）作為一種性價比高且綜合性能優異的材料，在汽車領域應用廣泛。節能減排對汽車輕量化提出了更高要求，PP也成為材料級輕量化的主要對象之一。目前，PP的輕量化路線包括低密度PP、薄壁化、物理微發泡、化學微發泡等，其中，注塑級化學微發泡是通過二次開模（Core-back）工藝，使產品中間層發泡形成微孔結構，從而降低整體密度，達到輕量化效果，相比其他輕量化手段，化學微發泡具有更高的輕量化收益，同時技術難度更高，是目前國內外材料廠商和主機廠研究的熱點。目前，已有關于適合化學微發泡工藝的PP材料研發及Core-back工藝的相關報道[-]，但在實際產品開發中，化學微發泡成本偏高，對結構設計、CAE仿真等缺少系統分析。

本文從化學微發泡的材料物性定義、結構設計要求、CAE仿真模擬和模流分析等方面對化學微發泡在門內飾板上的應用可行性進行探討，并橫向對比了常規注塑和化學微發泡注塑之間的差異，提出了基于Core-back工藝的化學微發泡產品結構設計和工藝要求，展望了化學微發泡工藝的應用前景。

2聚丙烯材料的輕量化技術應用

2.1聚丙烯化學微發泡工藝的優勢

聚丙烯在汽車內外飾上的輕量化路線包括低密度PP、薄壁注塑、物理發泡、化學發泡等工藝，如表1所示。其中，化學微發泡在其成型過程中存在二次開模工藝，熔融塑膠在二次開模之前需充滿模腔，屬于由薄壁注塑衍生的新工藝，如圖1所示。理論上，將化學微發泡材料更換為低密度PP（減少改性填料含量），再結合薄壁化工藝和微發泡工藝，能夠最大限度發揮化學微發泡的輕量化優勢，減重效果可達 30% 以上。

發泡材料FC--C注塑 注塑完成冷卻 []發泡 取出零件

由圖2中減重成本比可知，減重會帶來一定程度的成本增加，對比常見的材料減重工藝，化學發泡減重成效明顯，但成本并未大幅提高。以某車型門飾板為例，相比常規注塑，開模化學發泡使質量減輕 1.2kg/ 臺，減重效果約 16.4% ，成本增加22.3元/臺。若將該技術拓展到其他部件，減重效果更加顯著，如門飾板、儀表板骨架、掀背門、立柱飾板等，預計每件可減重 3kg 以上。

圖2不同材料減重工藝的成本效益對比

2.2化學微發泡材料性能

聚丙烯是一種結晶聚合物，其發泡僅能在結晶熔點附近進行，超過熔點后熔體黏度迅速下降、無法成孔，且注塑成型過程中，靠近模腔兩側的熔膠首先降溫形成密實結構（極少發泡），中間層繼續發泡，最終形成類似三明治的穩定結構（圖3），所以，聚丙烯發泡工藝較為復雜且條件苛刻。

圖1化學微發泡注塑工藝過程

圖3化學微發泡材料結構

常規聚丙烯直接發泡成型時通常會出現大量并孔、凹陷等缺陷，且力學性能下降，不適合用于發泡成型。為此，研究人員開展了大量工作，希望能找到一種適用于發泡成型的改性聚丙烯材料。

目前，在微發泡方面的報道僅解決了微發泡材料工藝的部分問題，沒有系統解決微發泡注塑聚丙烯的所有技術問題[58]。用于汽車注塑零部件微發泡注塑成型的聚丙烯材料必須兼顧材料的可發泡性、流動性、部件外觀效果、力學性能、環保性及成本等因素。因此，注塑級微發泡聚丙烯的推廣應用，必須系統地解決材料內在屬性與材料使用要求之間的矛盾。

本文對比了當前市面上多款化學微發泡材料的性能。與常規注塑PP相比，化學微發泡PP的熔融指數需大幅提升，原因為在二次開模工序之前，熔融塑膠需快速充模，材料必須具有良好的流動性。表2對比了主流材料廠商適合化學發泡工藝的材料物理性能（發泡前），并給出了相應推薦值。

表2不同牌號發泡聚丙烯材料的物性對比

化學微發泡工藝的核心在于通過微發泡形成泡孔均勻分布的三明治結構（圖3），這是一種非均質結構，上、下表層為堅實皮層，中間層為發泡芯層。

發泡材料的物理性能參數與常規注塑PP相比存在明顯差異，如表3所示，與常規PP相比，發泡材料的密度和彈性模量基本存在 40%～50% 的降低。

圖4為發泡聚丙烯的高速拉伸曲線和塑性應變-應力曲線。隨著應變率的增加，曲線的剛度出現未按順序增加的反常趨勢，與傳統注塑樣件的規律不一致，推測原因為：測試樣件在不同區域裁取，樣件不同區域的發泡率不一致，或微發泡樣件為非均質材料，拉伸曲線規律與傳統均質材料不一致。上述差異導致發泡材料CAE仿真比常規均質PP材料可能存在更大失真。另外，發泡PP材料剛度更低，更易發生應力屈服。

（a）高速拉伸曲線

圖4發泡聚丙烯的高速拉伸曲線和應力應變曲線

2.3 設計規范

化學微發泡產品結構與常規注塑產品結構存在明顯差異，如化學微發泡工藝產品的實際發泡區域僅限于大面區域，在翻邊域或與出模方向夾角很小的情況下，發泡程度較小；因工藝限制，背部結構（包括Doghouse或其他加強結構）無法發泡。

化學微發泡產品的設計要素包括發泡前、后的壁厚設計、分型線位置結構設計、加強結構設計、連接結構設計，具體如表4所示。

表4化學微發泡產品的設計要素

2.4 CAE仿真分析

CAE仿真對常規均質PP材料具有較高的準確度，但對非均質的化學微發泡結構層級，CAE仿真模型在網格參數化方面需基于三明治結構建立新的模型參數。本文針對非均質材料網格參數化和CAE仿真進行模擬，并基于某車型對比了常規均質PP材料和非均質化學微發泡PP材料產品性能，分別從產品的剛度、強度和側碰性能方面進行對比，性能對比的位置如圖5所示。

圖5用于CAE仿真的某車型門飾板

a.剛度工況（表5）：相比常規注塑工藝，化學微發泡門板扶手和地圖袋剛度下降一倍以上，但剛度變形量仍滿足標準；

b.強度工況（表6、圖6）：相比常規注塑工藝，地圖袋本體位置在Y向 220N 壓力下，位移為11.88mm ，接近目標值，存在一定的風險，原因為化學微發泡導致材料的塑性變形量增大，但仍小于材料斷裂延伸率，可通過提高結構厚度或增加加強筋進行改善。

表6常規注塑和化學微發泡注塑產品的強度對比%

（a）非發泡門飾板（地圖袋強度工況：拉222N）

（b）發泡門飾板（地圖袋強度工況：拉222N）

（c）非發泡門飾板（地圖袋強度工況：拉222N）

圖6產品的強度性能對比

c.沖擊側碰工況：相比于傳統注塑，腹部和胸部的沖擊反彈力大幅下降 50% 以上，如表7所示，說明化學微發泡有利于提升產品沖擊性能。沖擊性能的提升可歸因于發泡工藝后材料彈性模量降低，在吸能方面更具有優勢。

表7常規注塑和化學微發泡注塑產品的側碰性能

2.5 模流分析

常規PP注塑工藝與化學微發泡PP注塑工藝存在較大的差異，模具需進行特殊設計和前期模流分析，表8列舉了常規注塑與化學微發泡注塑工藝的模具參數對比。結果表明：為滿足化學微發泡工藝快速充模要求，其澆口數量需為常規注塑的2倍以上（圖7），填充時間不足常規注塑的一半，注塑過程中熔融塑膠的前沿流動溫差更小。

圖7常規注塑和化學微發泡注塑的模流分析

化學微發泡在Core-back之前的工序本質上是薄壁注塑，模腔壁厚（產品壁厚）越小，注塑壓力和流動阻力越大，所以要求熔融塑膠具有很高的熔融指數和流動性；同時為提高填充模腔的速度，需要更多的澆口同時進膠，否則塑膠尚未完全填充，材料已開始微發泡，會導致模腔無法充滿而成型失敗。

另外，為滿足工序要求，化學微發泡工藝還需配備性能良好的排氣設備和表面溫控設備。同時，為滿足產品更高的外觀要求，還需配備反壓充氣設備（圖8），通過在熔融塑膠的熔體流動前沿區域的腔體內施加一定的外部壓力，防止微發泡產生的氣體溢出到產品表面，以保證產品的外觀質

量，減少氣痕等[1，10]

圖8反壓充氣設備的工作原理

3結束語

本文從化學微發泡的材料物理性能定義出發，對比了常規注塑工藝與化學微發泡工藝的產品性能，發現化學微發泡整體性能基本滿足當前汽車內飾設計要求，且側碰安全性方面表現更出色，是一種具有良好性能優勢的材料級輕量化手段。

目前，化學微發泡在汽車行業有較高的應用潛力，汽車輕量化設計和節能減排要求的不斷提高對該工藝起到了顯著的助推作用。隨著更多的原材料供應商陸續開展化學微發泡材料的研發，原材料成本有望繼續下降，同時，隨著相關設備的投入以及模具設計能力和工藝水平的提升，化學微發泡的技術成熟度和質量控制系統將更加成熟，并逐步擴大商業化應用規模，推動汽車行業向更高效、更環保的方向發展。

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