浅析汽车内外饰快速成型样件的制造方法

黄玲，龙广鹏

(1.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司，湖南长沙 410217； 2.广西艾盛创制科技有限公司，广西柳州 545616)

0 引言

外饰和内饰零件是汽车的重要组成结构，汽车外饰零件部分如前后保险杠蒙皮、扰流板和侧裙板等零件；内饰零件则是进入车辆内部后接触到的部分，如仪表台、副仪表台和门护板等。正是由于内外饰零件对汽车外观和使用非常重要，而这些零件以注塑成型工艺居多，原因是注塑成型工艺零部件成型的一致性较好，可以成型相对较复杂造型的零部件，生产效率高，零部件价格相对较便宜，缺点是正式生产模具价格较高。因此，为保证实际零件能达到设计的视觉效果、人体工程学要求和满足装配结构要求，需要在开发正式模具前安排制造快速成型样件(Rapid Prototyping,RP)进行装车验证，该批装车零件同时还能满足车型上公告等造车前期零件需求。使用快速成型样件检验设计方案可大幅加快产品上市时间，降低开发成本，缩短产品开发周期。

目前，国内外汽车行业主流的内外饰零件快速成型样件制造方法主要分为数控机床加工零件、3D打印、软模(硅胶模和玻璃钢模)、反应注塑(Reaction Injection Molding,RIM)等，其中3D打印是近几年才快速发展起来的方法。下面介绍一下这几种方法的原理及应用场景案例。

1 数控机床加工零件

数控机床加工零件一般是指使用数控机床设备直接按设计方案加工材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、尼龙等块状塑料体成为需要的造型(如果尺寸小于300 mm且结构简单则直接一次加工成型，如果结构造型不规则或者尺寸大于300 mm，一般通过将零件分为多个小块，分别加工好)，然后拼接装配后，最终得到满足设计要求尺寸的零件。这种制造快速成型样件的方法出现最早，产品加工周期相对较短，采购价格较低，主要用于结构相对简单、需求数量少的中小零件，如立柱、副仪表板和门护板等。

由于汽车内外饰零件的造型需要，通常加工的零件都是不规则的圆形或方形，当零部件尺寸大于300 mm或结构造型不规则时,如果直接使用一整块塑料加工零件，则会导致成本成倍增加。因此，实际制造造型不规则的零件时，将零件按结构特点拆分成几个部分，再进行粗加工得到大致造型，然后使用专用黏结剂将零件各个部分粘好形成零件的整体轮廓造型，再最终一起进行精加工，这样能有效减少因零件结构导致的材料浪费，降低零件成本。缺点是在零部件背面能看到各个零部件分块部分间有较明显的黏结痕迹，零部件黏结位置强度较差，容易开裂。图1为数控机床加工完成的快速成型样件。

图1 数控机床加工完成的快速成型样件

2 3D打印

3D打印(3D Printing)技术是一种以数模文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术的应用领域较为广泛，快速成型样件制造就是其应用的重要方向之一。通过3D打印制造得到的样件，周期更短，而且能实现异形结构打印，整体尺寸精度可以根据实际需求调整，满足不同场合的不同需求。一般3D打印可制造的零件与数控机床加工的零件范围一样，适用于立柱、副仪表板和门护板等零件的快速成型。

3D打印中常用的塑料材料有类ABS塑料[丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体的三元共聚物]、尼龙、尼龙加玻纤和透明的光敏树脂等，类ABS塑料(图2)的优点是单价低、成型性能好，适用于强度要求不高的结构件；尼龙的强度性能好，耐热性较类ABS塑料好，但价格较高，尼龙加玻纤是普通尼龙的性能加强版，适合强度要求比较高的零部件；3D打印光敏树脂俗称UV树脂，主要由聚合物单体与预聚合物组成，其中加有光引发剂，在一定波长的紫外光(250～300 nm)照射下会立刻引起聚合反应，完成固态化转换，光敏树脂固化速度快、成型精度高、表面效果好、机械强度高(与类ABS强度相当)、低气味、通用性强和耐存储等优点。

图2 3D打印成型的类ABS塑料零件

3 软模

软模主要指硅胶模和玻璃钢模。

硅胶模一般先采用数控机床加工或3D打印得到设计零件，然后使用该零件进行快速翻制工艺制作模具。该生产工艺周期短、成本低，可以采用真空注型、压力注型及低压灌注等工艺进行产品生产。硅胶模生产工艺适用于小批量生产(小于100件)、产品材质强度和尺寸精度要求较高的产品，产品性能接近常规ABS塑料。

制模用的硅橡胶为双组分液体硅橡胶，按橡胶成分划分又有缩合型模具和加成型模具两类。一般来说，缩合型硅胶抗剪强度较低，在模具制造过程中容易被撕裂，因此适用于结构简单、加强筋少的零件；加成型硅胶力学性能和耐热老化性能好，适用于制造相对尺寸要求高的模具。

目前，硅胶模生产的小批量零件已经在汽车开发前期的内外饰样件试制中得到广泛应用。应用最多的部分是汽车内饰中的门护板、立柱和门槛护板等装饰类的中小型注塑结构零件。

玻璃钢(fiber reinforced plastics，FRP)，是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作为基体材料的一种复合材料，如图3所示。以玻璃钢材料为基础，与硅胶模相似,使用快速翻制工艺制作而成的玻璃钢模，通常用于汽车顶棚饰件和地毯饰件等模压成型类，结构简单的中大型装饰零件。玻璃钢模适用于模压工艺、吸塑成型工艺和发泡成型工艺生产的零部件。

图3 玻璃钢模

玻璃钢模一般生产流程为：零件造型→刷母模→刷凸模→刷凹模→NC加工→焊接模具框架→试模→局部修正→验收。通常一副玻璃钢模的开发周期在一周左右，成本只占正式模具的1/10，属于短周期、低成本的样件试制模具。这种模具生产方式同样能满足小批量产品的制造需求(100～ 1 000套)。

4 反应注塑

反应注塑是指把两种或两种以上的低黏度液体，按一定的比例，在一定的压力和温度条件下均匀混合后，立即注入密闭的成型模具内，在模具经进一步反应后形成塑料制品的这一成型反应过程,其原理如图4所示。反应注塑与普通注塑成型的最大区别是反应注塑使用的设备简单，模具可以做到大型化，成型零件强度和表面质量好，而且还能满足尺寸稳定的小批量生产需求，成型零件厚度可满足6～25 mm范围内的变化;缺点是单件产品价格较高，无法成型结构复杂零件。反应注塑模具材料可以是环氧树脂和铸铝等价格较低的材料，成本较正式注塑模具价格大幅降低，通常适用于100～200台套/月的零部件小批量生产试制。反应注塑的模具通常直接使用数控加工的方法得到，由于反应注塑模具结构较简单，模具加工量少，模具加工周期一般在12 d左右， 然后进行组立调试、试模，这个阶段耗时3 d左右。反映注塑容易发生难脱模的情况，若能解决该问题，模具就不会有影响生产的关键问题。

图4 反应注塑的原理

反应注塑模具相对普通注塑模具斜顶顶出、滑块脱出等自动化运动结构应用较少，对于有负角、侧孔的零部件不能正常生产(效率很低)。反应注塑通常用于导流罩、裙板和卡车前保等结构简单且对强度有要求的大型外饰零件制造，目前在商用车领域应用较多。

表1为4种快速成型样件制造工艺特点的汇总。

表1 4种快速成型样件制造工艺特点的汇总

5 结语

随着越来越多的造车新势力进入汽车行业，它们带来的多元化互联网思维元素也将通过造车展现出来，汽车消费者也逐渐适应这种多元化的整车风格，进而要求传统车企加快推陈出新的速度，否则会被潮流所抛弃。造车开发前期，通过内外饰零部件快速样件制造得到样车进行展示，根据市场的反馈进行设计调整，从而得到一个试错的机会，可以节约很大一部分的开发经费和缩短开发周期。因此，快速样件的制造将会在很长一段时间内，都会作为整车开发的一个阶段。本文仅针对目前常用的几种制造快速成型样件的方法和应用进行了一般应用总结介绍，随着相应材料和生产工艺等领域技术的发展将来还会衍生出更多的制造工艺方法，实际设计开发时根据不同需要选择对应的方案可实现低成本与短周期的平衡。