PVC搪塑 聚氨酯喷涂成型表皮(PU SPRAY)

仪表板表皮加工技术的介绍及最新进展

搪塑成型表皮（Slush Moulded Skin） 搪塑工艺是对带皮纹的搪塑模具（采用镍制壳）对背面或整体进行加热，模具和搪塑粉末的粉箱对接后旋转或一边加热一边旋转，粉箱中的塑料粉末自然落入模具中融化，热模表面上就会形成一个形状与模具一致的带皮纹的表皮，然后取 下粉箱，对模具进行冷却后人工取下得到的表皮。模具的加热主要通过热风， 热砂或热油来进行。 冷却的话通过冷油，冷冻空气或冷水等 媒介 。每一个成型周期都是一次模具的加热和冷却过程， 温度从四五十度升高到二百多度， 再降低到原来的四五十度， 时间 搪塑成型表皮（Slush Moulded Skin）

搪塑工艺是对带皮纹的搪塑模具（采用镍制壳）对背面或整体进行加热，模具和搪塑粉末的粉箱对接后旋转或一边加热一边旋转，粉箱中的塑料粉末自然落入模具中融化，热模表面上就会形成一个形状与模具一致的带皮纹的表皮，然后取 下粉箱，对模具进行冷却后人工取下得到的表皮。模具的加热主要通过热风， 热砂或热油来进行。 冷却的话通过冷油，冷冻空气或冷水等媒介。每一个成型周期都是一次模具的加热和冷却过程， 温度从四五十度升高到二百多度， 再降低到原来的四五十度， 时间也就是五六分钟， 因此模具受到的热应力冲击很大，主要是用镍作为原料加工。 模具的寿命很短。一般就是2~4万次。目前全球的汽车仪表板搪塑模具制造商只有五六家，都在日本和德国等发达国家，而且由于其制作过程很大程度上依赖于技术熟练的技师，因此成本相对来说比较高。

搪塑工艺加工出来的表皮的花纹均匀， 手感好，表皮的厚度均匀性也相对好，生产过程便于控制，易于掌握， 但生产过程中的能耗很大的。搪塑表皮的设计宽容度在现有的几种模塑表皮技术里面是最高的。搪塑表皮的R角最小只能加工到1。5毫米， 再小的话， 模具在承受热应力冲击时会损坏。目前在中国的汽车行业内， PVC搪塞塑表皮被广泛应用在各种中高档车型的仪表板上,几乎超过80%的中高档车型采用了PVC材料。因为PVC具有比较低的成本，比较成熟的应用历史，因而是很多公司的设计人员的首选。但PVC的环保方面的不足及低温脆性一直为行业内人士所诟病。因为低温脆性可能导致安全气囊的低温爆破实验不能通过。另外一种用得比较多的材料是热塑性聚氨酯（TPU），主

要是在日本的中高档车上， 例如丰田的凯美瑞， 日产的08款天籁， 马自达6等。与PVC 相比，TPU 的优点是：抗紫外线和长期热老化性能好，密度低15%，且可在原用PVC 的加工设备上生产。其材料价格大概比PVC 高出3 倍多。但是采用TPU从经济角度考虑是合算的。其原因是TPU 密度较小且可省去若干项其他工序和操作。Bayer 公司和Textron汽车公司共同开发了热塑型聚氨酯（TPU）仪表板面层Texin DPT-3014，以取代PVC，并用于ChryslerConcorde，Chrysler LHS，Chrysler 300M 等车型上。TPU不含任何增塑剂和卤素，而且在低温时仍具有很好的弹性，因此在寒冷环境下不易开裂，这对安全气囊的安全性能是至关重要的。

此外，美国DELPHI公司曾经开发过TPO的材料用于搪塑,只是未能得到推广和应用。

聚氨酯喷涂成型表皮（ PU Spray Skin）

聚氨酯喷涂成型表皮(PU Spray Skin)的加工工艺过程是：将两组分的聚氨酯原料在经过计量设备精确计量后增压至高压状态，再经高压混合反应，然后喷涂到镍壳模具上，聚氨酯附着在镍壳上成为一张表皮。在此过程中，两组分聚氨酯的混合反应属于化学反应，反应完成后起形状和尺寸及固定下来.它不像热塑性材料那样容易受使用外部物理条件的影响，因此材料具有良好环境适用性能。一般上，表皮的厚度可以通过喷涂的时间和流量来调节和控制。该工艺过程中，喷涂混合头一般由机器人操纵，为了便于机器人在很小的空间内灵活地移动，通常要求机器人的结构要紧凑，体积要小。原料冲混合头出来是为液态,流动性非常好.

作为中高档汽车A面表皮的应用量逐渐增加的加工方法之一，聚氨酯喷涂成型工艺具有如下优点:

●可产生清晰的表皮纹理；而且皮纹的深度可以达到300微米， 是目前皮纹复制性最好的技术

●表皮的手感非常好， 给人的感觉好像不是塑料 ●表皮具有良好的抗紫外线照射性能； ●表皮颜色具有良好的一致性； ●可较为容易地实现双色或者多色

●设计宽容度高，

●可以加工小至0。5毫米的R角， 更好地满足造型要求 ●可以嵌入其他材料，例如织物或塑料，真皮等 ●耐热性和耐老化性能好； ●可以生产光泽度较低的表皮

●可以采用多种模具，模具使用寿命长；而且可以在同一模具的不同区域实现不同的花纹对于采用隐形安全气囊的仪表板而言，上述优点尤为明显，聚氨酯材料在低温下的弹性仍然很好,低温爆破实验很容易满足实验要求.。

该工艺的不足之处主要体现在生产的节拍时间比较长,同时表皮的厚度的控制在某些情况下相对搪塑要难一些.在欧洲和美国，聚氨酯喷涂成型工艺主要被用于中高档汽车上，如宝马3、5系，奔驰C，E，S级，大众PASSAT B6，通用凯迪拉克 CTS等。尽管目前其应用还不及搪塑和吸塑那样广泛，但其优点正在逐渐为业内所认可，因此应用范围正在逐渐扩大。在国内，目前已经有几款车型采用了该工艺技术，例如上海大众的斯科达明锐，宝马的3系和5系，奔驰的C级车和E级车， VOLVO的S80等。

目前的材料分为两个体系, 脂肪族和芳香族. 其中脂肪族的抗紫外线性性能好,但价格较高. 芳香族的耐侯性差, 作为仪表板表皮时需要喷涂一层抗紫外线的油漆,但价格稍低. 瑞克赛尔公司目前已经开发了新一代的材料,COLOR-SENSE, 将脂肪族的材料做为外表面, 达到比较好的抗紫外线的效果, 同时以芳香族的材料作为底层, 在满足物理性能要求的情况下降低材料成本.

图：嵌入纺织面料的双色仪表板表皮

注射成型的聚氨酯表皮(RIM-Skin)

利用高压注射机对PU原料进行计量和混合，然后将其注入到模具内成型，从而可生成注射成型的聚氨酯表皮(RIM-SKIN)。与喷涂成型工艺所不同的是，注射成型技术在短短的几秒钟内即可完成，原料在充模后能够很快进入固化状态，表皮厚度一般与模具型腔高度完全一致。该工艺的优点是产品的设计自由度较大。但是，由于是在闭模状态下进行注射，再加上表皮厚度通常比较小，因此为充模带来了一定的难度，要求上下模闭合后要形成密闭的型腔。此外，为了保证产品的最终质量，与A面表皮接触的模具部分最好采用镍壳或钢材料，这些都使模具成本明显提高。

除了具有聚氨酯材料本身的优点之外， 注射成型表皮的另一主要优点的表皮的厚度可以得到有效的控制， 厚度均匀度可以做得很好。注射成型的时间也非常短，因此生产效率比较高。

该工艺的不足之处是设计宽容度不高，模具的成本很高。同时， 结构比较复杂的零件可能由于充模不满的问题导致表皮的报废。

目前在欧洲投产的斯科达SUPERB的仪表板手套箱的表皮就是采用注射成型的表皮，该技术在我国也已经投入使用。

图：注射成型仪表板表皮的OPEL ASTRA 真皮（Leather）

真皮作为高档次和高品质的代名词, 在各种消费品领域得到广泛的应用. 汽车行业也不例外. 真皮在高档的汽车上也得到了广泛的应用. 真皮毛孔清晰、细小、紧密、排列不规律，表面丰满细致，富有弹性及良好的透气性，使用舒适耐久且美观。人们不仅把真皮装饰当做一件享受的舒适化装备，更把它当做是显示档次、体现豪华的标志。 真皮的背部发泡

目前，高档汽车的内饰表皮大多采用真皮。以宝马7系车型为例，该车型最高配置版本中的仪表板就是采用真皮背部发泡（Leather Back Foaming）工艺制成的。其工艺过程是：首先进行真皮的预成型，然后将真皮转移至发泡模具内并定位好，最后进行背部发泡。通常，由于真皮非常柔软，因此其表皮的预成型不是采用搪塑或喷涂成型的方法，而是采用先裁剪再缝制的方式加工出来，加工好的表皮也主要由人工将其定位到模具内，然后进行背部发泡。这个过程一般需要30～60分钟的时间，而这也正是采用该工艺进行批量生产的不足之处。

为了保证产品的最佳质量以及生产的经济性，一般由人工来缝制真皮的皮套并将其定位到胎具上，然后整个胎具被自动地转移到发泡模具内。相对于传统的、由手工直接在模具内完成定位过程而言，这一方法可以减少多达80%的节拍时间(以仪表板为例)。

真皮复合技术

在一些配置较高的中级车和大多数高档车中，仪表板、门板，尤其是一些扶手、嵌板等，均是采用真皮复合(Leather Lamination)技术加工而成。如前所述,由于真皮通常需要通过缝纫的方法来进行预成型,具有一定的透气性,而且比较柔软，因此一般不采用真空复合技术，而是采用压制复合或者博膜传递复合的方法，而且还需要使用预定位工装对真皮进行定位。奔驰的SL和劳斯莱斯的RR01的内饰均由真皮复合技术加工而成。 人造革(Artificial Leather)

人造革又称仿皮, 由于其外观手感接近真皮,柔软而且耐磨,同时由于因为真皮资源稀缺性和昂贵的价格,人造革在仪表板的表皮方面亦有不少的应用,以降低成本. 主要是基于PU的人造革.虽然透气性和透湿性不如真皮, 但具有一定的强度和耐磨性.某种原因.人造革的加工工艺和真皮的加工工艺差别不大.宝马7系也有部分仪表板采用了基于PU的人造革. 无论是背部发泡还是复合, 人造革都使用真皮的加工设备.

真空成型表皮(Thermoformed Skin) 阳模真空成型

阳模真空成型曾经是主流仪表板表皮的成型工艺技术，因为其很高的生产效率和低廉的模具成本， 但其致命的缺陷是由于表皮在各部位拉伸量的不均匀而导致的皮纹的变形甚至消失,由于花纹的变形会导致表面光泽的变化.同时由于是当时搪塑技术的盛行使得基于PVC/ABS几乎失去了其市场, 而随着无缝安全气囊的出现而引起的低温爆破实验的要求又进一步加剧了这中情况， 尤其是在欧洲. 因此， 在上世纪80年带末到来本世纪初， 阳模真空成型技术几乎销声匿迹了。直到第二代TPO表皮材料的出现----在2005年。 德国BENECKE KALIKO公司推出了新开发的TPO 表皮，这种材料通过对表皮表层的特殊的交链处理,保证了表面层的稳定性,从而在一定程度上保持了花纹的原状, 能够有效地克服表皮拉伸所引起的变形，因此这种工艺有重新找到了其市场。当然, 对于花纹的深度和表皮的拉伸量有一定的限制. 相对于阴模真空成型， 阳模真空成型的模具表面不需要花纹， 因此无论是加工周期和成本都要低很多，可以有效地缩短开发周期, 而且不需要将花纹转印到表皮上， 因此对于表皮的加工温度不需要那么高，对设备的要求也不是那么高, 总体而言, 其综合成本还是比较阴模吸塑要低。.TPO II是德国BENNECK KALIKO公司2005年才推出的， 之后在欧洲的一些车车型上有了一些应用，2008年才有应用此材料的技术的新车上市，属于最新的应用成果之一。

阴模真空成型

前文提到，因为真空成型的表皮，花纹的变浅或者消失主要取决于拉伸的情况，表面的视觉效果也会因光泽度的变化而改变。为此，一种相对较新而且经济的工艺技术——阴模真空成型（IMG）技术便应运而生。该技术在很大程度上改善了这些缺点，可以避免皮纹的变形或者消失。同时，可以在一副模具上实现不同的花纹，本从而将不同的花纹转印到表皮上， 实现花纹的多样化。

用于阴模真空成型技术的模具表面上刻有皮纹，一般只有在真空成型时皮纹才会转压到表皮上去。因此，表皮上的皮纹是均匀的，不随表皮拉伸量的变化而变化，而这正是传统的真空成型工艺难以做到的。此外，阴模真空成型工艺还可以和复合工艺结合到一起使用，将衬有发泡层的表皮成型后直接复合到仪表板骨架上， 从而省略了发泡工艺。既保证了经济性，又保证了表皮的外观质量，其外观质量

可以与搪塑表皮的外观质量相媲美。在生产周期和成本方面，阴模吸塑技术要比搪塑工艺要低，

因此该工艺在欧美尤其在日本已得到了广泛应用，目前正在被逐渐引入中国市场。国内也是最近两年才有仪表板上采用采用整体的阴模成型技术的车型上市.

图：阴模成型示意图

总体而言， 真空成型工艺的生产效率是比较高的而且设备的投资成本相对是比较低的，在模具的成本上也是比较低的， 寿命又很长， 因此其经济性很好。 其不足主要是在设计宽容度方面， 带倒扣的结构无法实现， 在R角方面，也只能做到1。5毫米左右。 结论：

本文介绍的各种仪表板表皮的材料及加工工艺， 性能特点各不相同，成本的差别也很大，正所谓尺有所短,寸有所长, 无法进行简单的孰优孰劣的比较而得出结论。 只有结合汽车本身的市场定位、 造型及设计人员对内饰造型和设计要求，包括功能性要求,审美性要求, ,经济性和适用性要求,创造性要求等来进行综合的权衡和比较后,才能作出恰当的选择. 参考文献：

Trends in Automobile Interiors, Berhard Klein, Kunstoffe International 3/2009 因需而生的A面表皮加工技术， FRIMO公司王继武 汽车塑化，2007年2期。 汽车仪表板表皮专用材料，现代塑料加工应用，王慧芳等，2001年7月 阴模成型及模内压纹技术 FRIMO公司，王继武译 汽车塑化 2007年4期 汽车仪表板骨架设计中的优化分析

关键字：仪表板骨架 刚度 优化 CAE 仪表板骨架是仪表板总成及附件的关键承力件，其一般结构形式为一根从左到右的横梁及焊装支架以承受各种电子、空调、转向模块。对仪表板骨架的一个重要设计要求是保证一定的结构刚度，其定义为骨架安装在车身上，转向管柱通过支架连到骨架上（转向系统当作刚性处理），方向盘处受垂直力和侧向力时抵抗变形能力，刚度方向如图１所示。此刚度值作为仪表板总成设计早期的关键指标，直接影响到驾驶员可感知的方向盘抖动和碰撞过程中方向盘的侵入变形量，在设计早期必须得到严格保证。

关键字：仪表板骨架 刚度 优化 CAE

仪表板骨架是仪表板总成及附件的关键承力件，其一般结构形式为一根从左到右的横梁及焊装支架以承受各种电子、空调、转向模块。对仪表板骨架的一个重要设计要求是保证一定的结构刚度，其定义为骨架安装在车身上，转向管柱通过支架连到骨架上（转向系统当作刚性处理），方向盘处受垂直力和侧向力时抵抗变形能力，刚度方向如图１所示。此刚度值作为仪表板总成设计早期的关键指标，直接影响到驾驶员可感知的方向盘抖动和碰撞过程中方向盘的侵入变形量，在设计早期必须得到严格保证。

图1 仪表板骨架刚度分析模型 2 影响刚度的因素分析

汽车仪表板骨架刚度由仪表板骨架本身的刚度和仪表板骨架在车身上的安装刚度共同决定。对于仪表板骨架本身的刚度，鉴于转向管柱的安装方式，转向管柱的安装支架的设计好坏直接影响到仪表板骨架本身的刚度，所以转向管柱的安装支架的设计很重要。此外，仪表板骨架中的横梁与Ａ柱连接处的接头刚度，横梁与前地板的连接形式，横梁与防火墙的搭接设计均会对仪表板骨架本身的刚度有影响。

汽车仪表板骨架在车身上的安装点比较多，一般有十多个，每个安装点的一般只关注三个平动方向的刚度就可以了。每个安装点的刚度对系统刚度的贡献量不一样，同一个安装点的不同方向的刚度对系统刚度的贡献量也不一样。对贡献量大的安装点的刚度、对贡献量大的方向，需要在设计之初有一个充分的认识，进而便于下一步采取有效的结构形式来尽量满足仪表板骨架在车身上的安装刚度要求。

为了降低油耗和减少制造成本，减重是当务之急。当整个系统的构架已经完成，每个零件的形状以及与周边零件的连接都已经确定，这时可通过对仪表板骨架这一子系统各个零件的厚度进行优化设计，在不降低性能的基础上，进一步减重。

图2 仪表板骨架结构 3 优化分析

下面就从影响汽车仪表板骨架刚度的几个主要方面来对汽车仪表板骨架进行优化分析设计。

3.1 转向管柱安装支架的优化

转向管柱安装支架的优化模型没有考虑车身，与车身连接的地方约束住。 (1) 在原始设计结构的基础上进行拓扑优化，整个上下支架均为优化区域。

目标是：上下支架质量最小；

约束是：反映刚度的位移小于原始结构位移的 1.05倍，以确保一定的优化余量； 优化参数是：上下支架的壳单元的密度。 结果见图3

图3 转向管柱安装支架的拓扑优化结果

拓扑优化结果中，浅兰色的区域为趋向保留的材料，ISO surface 取 0.3。 (2) 在原始设计结构的基础上对支架进行形状优化。 目标是：反映刚度的位移最小； 没有约束；

优化的参数是：上支架某形状的线性变化因子。 结果见图4

图4 转向管柱安装支架的形状优化结果

图5 转向管柱安装支架新设计 形状优化刚度能提高 7.8%。

通过上面转向管柱安装支架的拓扑优化和形状优化的结果，可以看到： 支架两边的材料比较重要，而中间的可以挖减重孔，甚至可以把中间的材料全部去掉；

支架前后过渡越缓，对性能越有利。

根据优化结果，将转向管柱安装支架设计成分体式，见图５，新的设计刚度提高了５％，质量减少了 0.95Kg。 3.2 仪表板骨架在车身上的安装刚度的优化

首先算出现有结构仪表板骨架在车身上的安装刚度值。然后每一个安装点用一个 cbush来模拟，cbush的 x，y，z向的初始刚度分别设置为已经算出的刚度值，不考虑cbush的转动刚度。最后对每一个安装点的cbush的三个方向的刚度值进行优化。

用不考虑转动刚度的cbush来代替车身结构算仪表板骨架刚度，两者的刚度值差别仅有0.7%，这说明用 cbush来模拟是正确的。

本文采用尺寸优化方法优化安装刚度。首先用 DESVAR卡片来定义优化变量，每个安装点，每个方向的初始刚度定义为现有结构计算出的安装刚度，下限定义为 0.5KN/mm，上限定义为 20.0KN/mm。然后用 DVPREL1来定义与优化变量相关的属性，属性是用一个优化变量的函数来定义，定义如下：

P为要优化的属性，Ｃiw为与优化变量相关的线性比例，ＤＶｉ为优化变量。本文优化时C0取零，Ci取 1.0。

用DEQATN卡片来定义一个公式，然后用DRESP2卡片定义一个与公式相关的新变量，此变量为所要优化变量之和，此变量用以定义cbush各方向的刚度值的总和。

Table 1安装刚度优化结果 目标是：反映刚度的位移最小；

约束是：cbush各方向的刚度值总和小于初始刚度值总和； 优化参数是：每个 cbush各方向的刚度值。

第一轮优化的约束是全部 33个刚度总和小于 33个初始刚度总和。 第二轮优化，是根据第一轮优化的结果选出 13个刚度值增加的刚度作为优化参数，约束所选 13个刚度总和小于这 13个初始刚度总和。

图6 仪表板骨架在车身上安装点位置

根据优化结果，可以看到当提高Ｇ点和Ｉ点ｚ向的安装刚度、Ｊ点ｘ向和ｚ向刚度时，对仪表板骨架刚度有利。

如果能够把上面提到的初始刚度提高到右表中红色区域所要求的值，则仪表板骨架在车身刚度可提高 13%。 3.3 仪表板骨架各个零件厚度优化 厚度优化采用尺寸优化方法。

目标是：进行优化的各零件质量之和最小；

约束是：反映刚度的位移小于优化前的位移，即性能不降低； 优化参数是：仪表板骨架各个零件厚度。

目标中的质量要用所优化零件的质量和，而不要用总模型的质量和，否则会影响收敛性，优化循环次数会很少，优化不充分。各零件厚度采尺寸优化变量用 DDVAL卡片定义为离散变量，这样结果的可用性更强。

第一轮优化对所有11个零件的厚度进行优化。因为工程上的种种原因，零

件4的厚度不能增加，零件9和11的厚度不能降低，零件7的厚度只能增加到2.0mm。

第二轮优化是零件7的厚度增加到2.0mm后，对除了有更改限制外的其余7个零件进行厚度优化。 优化的结果见表2．

图7 仪表板骨架

表2 厚度优化结果

第一轮优化结果是：质量减少 341g，刚度提高 2.4%。 第二轮优化结果是：质量减小 288g，刚度提高 0.1%。 4 结论

(1) 通过对局部重要结构进行拓扑优化和形状优化，可以寻求到一个质量小，性能高的结构型式；

(2) 通过对安装点的刚度进行尺寸优化，可以知道哪个位置哪个方向的安装刚度比较重要，提高什么位置的安装刚度对性能提高有利；

(3)在设计后期，整个系统的构架已经完成，每个零件的形状以及与周边零件的连接都已经确定，这时可通过对子系统各个零件的厚度进行优化设计，在不降低性能的基础上，进一步减重，达到降低成本的目的。 汽车内饰设计十原则 (转贴）

１．部件的分割设定为单纯的面（分割规则） ２．构成部件的插入感、使P/L看不见的设计（P/L规则） ３．不一体的部件是不同的面的构成（另外的部件的规则） ４．开口部的水平间隙，设定为从目线开始看不见的位置（间隙的规则） ５．设定和临接部件同样的安装基准，使变动变为钝感（安装基准的规则） ６．盖子的开口末端部要有厚感（开口末端的规则） ７．仪表、ＳＷ的文字、标志，设定为两眼或单眼能看见（视认的规则） ８．用手按压时有刚性感（刚性的规则）。 ９．可动部件的操作力设定为无偏曲点（操作力的规则）

１．部件的分割设定为单纯的面（分割规则）

２．构成部件的插入感、使P/L看不见的设计（P/L规则） ３．不一体的部件是不同的面的构成（另外的部件的规则）

４．开口部的水平间隙，设定为从目线开始看不见的位置（间隙的规则） ５．设定和临接部件同样的安装基准，使变动变为钝感（安装基准的规则） ６．盖子的开口末端部要有厚感（开口末端的规则）

７．仪表、ＳＷ的文字、标志，设定为两眼或单眼能看见（视认的规则） ８．用手按压时有刚性感（刚性的规则）。

９．可动部件的操作力设定为无偏曲点（操作力的规则）

１０．杂异音的防止对策要放入所有的F试验里（异杂音的规则） 分析：

１．部件的分割设定为单纯的面（分割规则）

原解释：仪表板和门装饰板、仪表板和安全气囊等，分割复杂的面时稍有偏差就很明显， 分割简单的面时即使有偏差也不明显。

评析：分割规则即分缝原则，内饰分缝、表面分缝都存在该问题：将一个部件分割出几个安装件或闭合件，分隔线要在平坦简单的大面上分割，避免跨特征分割，

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7leg.html