汽车内外饰设计与实战手册：用于成型仪表板表皮的真空吸附工艺

1.吸塑成型

吸塑即真空吸附，是指在成型模具的上模或下模开出抽真空的细孔，利用真空产生的压力使皮面与模具更紧密地贴合，从而使产品的外观更符合设计要求。其成型工艺步骤：首先将塑料板材夹持固定在真空成型模板上，待塑料板材加热到玻璃化温度后，在真空成型模内抽真空，使板材紧贴在真空成型模型腔成型，最后充分冷却并拔模。

用于成型仪表板表皮的真空吸附工艺有两种：阳模真空吸附和阴模真空吸附。

图4-70 阳模真空吸附和阴模真空吸附

1）阳模真空吸附（图4-70a）是使被夹紧的表皮片材超出模面一定高度进行加热，当表皮达到拉伸成型温度要求时，上升阳模，使加热表皮与阳模形成真空腔，开启阳模真空抽吸系统，抽真空，使仪表板片材紧贴于阳模表面，冷却后拔模，制得定型的表皮，成型表皮即可转入下道发泡成型工序。本法对于制造壁厚和深度较大的制品比较有利。其制品的主要特点是模腔壁贴合的一面质量较高，结构上也比较分明细致。壁厚最大的部位在阳模的顶部，而最薄的部位在阳模侧面与底面的交界处。阳模真空吸附工艺的优点是模具投资小、寿命长、生产效率高，设备投资只有搪塑设备的1/4～1/3。缺点是花纹损失随着表皮拉伸度增大而增大，当拉伸较大时，细皮纹就会使皮纹消失，粗皮纹会淡化形成明显的视觉差，影响美观；阳模真空成型的工艺特征，决定了阳模吸塑加工对产品阴阳角尺寸的局限性，一般R角都要设计在R1.5以上，给产品外观设计带来了局限性。

随着汽车设计师对仪表板的颜色、光泽和皮纹一致性及造型的复杂程度要求的不断提高，传统的阳模真空吸附成型工艺已经难以满足这些要求。为此，一种新的且经济的工艺技术——阴模真空吸附成型工艺应运而生。该技术在很大程度上弥补了阳模真空吸附成型的缺点，可以避免皮纹的变形或者消失。相比之下，采用阴模真空吸附成型的仪表板表皮的精度较高。

2）阴模真空吸附（图4-70b）就是把表皮片材固定在模具的上方，为防止空气进入板材和型腔中间，固定部分加密封圈，然后把加热器移到片材的上方，片材加热后移开加热器，抽真空，表皮片材覆盖在阴模上。利用该工艺生产的制品与模腔贴合的一面质量较高，结构上也比较分明细致，壁厚的最大部位在模腔底部，最薄部位在模腔侧面与底面的交界处，而且随着模腔深度的增大，制品底部转角处的壁厚就变得更薄。因此，阴模真空吸附工艺不适于生产深度很大的制品，但适合生产圆角小、皮纹和光泽均匀的制品。

用于阴模真空吸附成型的模具表面刻有皮纹，皮纹通过真空成型转压到表皮上。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，这是阳模真空吸附成型工艺难以做到的。阴模真空吸附工艺和传统成型或复合工艺相比较，还可以在一个零件上实现不同的皮纹形式，皮纹均匀、清晰、手感好，与搪塑效果相当。优点是表面花纹效果接近搪塑，模具寿命比搪塑提高3～6倍，生产效率高；缺点是材料利用率低，设备要求高，模具的一次投入高。

真空吸附的优点是模具价格便宜，缺点是细小的圆弧很难成型，本体的高度变化较小时成型效果较好，高度尺寸变化较大的部位易成型失败；对皮纹有一定的要求，细密的皮纹成型后变形严重；由于空气压力分布不均匀性，产品局部的剥离强度不同，在耐寒耐热试验和实际使用中容易发生脱胶剥离现象；为了避免产生局部的剥离现象，在真空成型工艺完成后，表皮切边时需多留一条边，贴在零件背面，通过塑料零件的结构设计在两个零件焊接时压住贴在零件背面的表皮。

3）采用吸塑成型工艺生产仪表板表皮大致流程如下：①注射仪表板本体。②在本体上钻孔，孔可根据具体的形状来确定，一般为0.8～1.0，太大吸附完成后会有痕迹，分布的方法是在曲率变化小的表面分布较少，较均匀，曲率变化大的表面，如圆角、型面变化处等较多、较密集（骨架上的排气孔可以是手工钻出来的，也可以直接在数模上按照起伏的剧烈程度布置出排气孔与背面的流槽，做模具时直接做出前后模的碰穿孔）。③表面打磨，目的是不要在表面留下钻孔产生的塑料渣和毛刺。④在塑料件表面喷胶，并加热到50～60℃保持一定的时间（主要是使胶活化保证贴合强度）。⑤将喷有胶水的塑料件放在真空成型设备的模具上，在其上把表皮张平放置，加热表皮抽真空瞬间成型，然后保持一段时间（这些都是机器自动操作的），最后切割表皮，取出工件。⑥经检验合格后，切除多余表皮，准备超声波焊接。⑦在专门的超声波焊接夹具上把若干需要焊接的工件放置好，然后焊接。⑧检验，完成。

2.搪塑成型

搪塑成型是一种表皮成型工艺，常用来加工仪表板用表皮和门护板用表皮。

（1）工艺原理 带皮纹的搪塑模具（镍壳）背面或整体加热，模具正面扣上装有PVC（或TPU）粉末的粉箱，一边加热，一边转动，粉末在重力和热的作用下粘附在模具表面上，成型为所需要形状的表皮，取下粉箱，模具冷却后，人工取下表皮。

（2）工艺流程（图4-71）

1）首先将搪塑模具本体加热至230～250℃。

图4-71 工艺流程

2）然后将模具与粉箱对合并夹紧（以防粉末漏出），模具在上，粉箱在下。

3）模具和粉箱一起旋转至粉箱在上、模具在下，粉箱里的粉末这时落在模具里，在高温的作用下，紧贴在模具的那一层就融化并相互粘在一起，然后继续旋转，使得模具的每个角落都有粉末，且融化并粘在一起，直至形成的表皮厚度增加至符合要求为止（一般PVC的厚度为1.0～1.2mm），这时粉箱在下方，剩余的粉末又回到粉箱里。

4）模具与粉箱分离，并移到冷却工位，用水或空气等对模具进行快速冷却至60～80℃时，人工撕下表皮。

（3）搪塑优缺点 在搪塑工艺之前，仪表板表皮多采用真空吸附成型，在吸附过程中，由于要经过不均匀的拉伸，表皮变形大，纹理深度会受到影响。搪塑表皮纹理清晰均匀，设计自由度大，产品设计时基本不用考虑拔模角度。

（4）搪塑设备 根据模具的加热方式（气加热、油加热和沙加热），可将搪塑设备分为三种。

1）气加热设备：通过燃烧天然气或重油产生的热风来加热模具，整个模具置于加热炉中。缺点为模具温度控制不精确，成品的合格率低。模具的寿命约为2万模次，价格便宜。

2）油加热设备：价格最贵。模具的加热和冷却都是通过油来进行的（分别是热油和冷油），模具各部分的温度可以根据需要分别控制，表皮质量好，模具的寿命高，约为2.5万模次，但设备系统复杂、昂贵，并存在油管泄漏可能引起火灾的风险。

3）沙加热设备：价格适中。模具加热是通过电加热沙子，沙子与模具背面接触加热模具实现的。模具加热时可以旋转，这时沙子与模具各部分接触的时间长短可以调整，即模具各部分的温度可以根据需要来调整，表皮质量较好，模具的冷却是通过水来实现的，冷却速度较快，模具寿命为1.8～2万模次。该方法模具温度均匀，易于控制，无安全隐患，模具造价相对较低，但寿命比油加热要短。

3.软质聚氨酯发泡工艺

聚氨酯软泡按生产工艺又可以分为块状泡沫及模塑软泡，前者是通过连续法工艺生产的大体积泡沫再切割成所需形状的泡沫制品，而模塑软泡一般为间隙法生产，原料直接在模具中发泡成型，即制成所需形状的泡沫制品。

（1）块状软泡 块状软质聚氨酯泡沫塑料是以大体积泡沫形式生产的软质聚氨酯泡沫塑料。块状软泡的生产方式主要有连续机械发泡和箱式间隙发泡两种，得到的大块泡沫“半成品”根据需要切割成型片状或其他形状的制品。块状软泡是最早实现工业化生产的聚氨酯制品之一，许多年来一直是聚氨酯材料的最大应用领域。目前块状软泡的生产技术已相当成熟。

反应物料混匀后立即倒入一只木制或铁皮制成的箱子一样的敞口模具中发泡成型，故得名“箱式发泡”。箱式发泡的模具（箱体）可以是长方形或圆柱形。为防止泡沫块形成拱圆形顶，可在发泡箱上部设置浮动盖板，发泡时盖板紧贴在泡沫体的顶部，并随泡沫体的升起而逐渐上移。生产时，需在箱内壁涂用少量拔模剂，以使泡沫容易脱出。

1）箱式发泡的主要设备包括：

①电控机械搅拌器、混合料筒。

②模具。

③称量工具，如磅秤、台秤、量杯、玻璃注射器等计量器具。

④用以控制搅拌时间的秒表。

2）采用箱式发泡法生产软泡的优点主要有设备投资少、占地面积小、设备结构简单、操作和维修简单方便、生产机动灵活。国内一些资金不足的小型企业和乡镇企业多用这一方法生产聚氨酯软泡。

因为箱式发泡为非连续性生产软泡的技术，所以生产效率比连续法低，设备多为手动操作，劳动强度较大，生产能力受到限制，泡沫塑料的切割损失也较大。

（2）模塑软泡 模塑软泡的生产方法是将聚氨酯原料混合后直接注入模具发泡成型，因而泡沫制品的形状完全由模具决定。模塑软泡与块状软泡的主要区别在于发泡工艺不同。与块状软泡制造工艺相比，模塑工艺无须切割成型工序，可减少泡沫边角料的浪费，对于外形复杂制品的生产，模塑成型的优势更为突出，还可制成“双硬度”的坐垫。模塑软泡发展在软泡市场上占有重要的地位。

1）软泡生产可以使用高压或低压发泡机进行。因为模具必须逐个充填，所以生产形式为间歇式。但通过自动化程度高的生产线，可连续高效率地生产。根据所用原料的反应特性，模塑聚氨酯软泡的生产分为热熟化工艺和冷熟化工艺两种。

①热熟化模塑泡沫的原料反应活性较低，反应混合物在模具中发泡结束后，需要连同模具一起加热，泡沫制品在烘道中熟化完全后才能拔模。这种聚氨酯泡沫塑料的配方组成与普通块状软质泡沫塑料基本相同，热熟化模塑也需使用含部分端伯羟基的聚醚多元醇，以缩短熟化周期，催化体系及催化剂用量方面与块状软泡有所不同。

②冷熟化模塑所用原料的反应活性较高，熟化时无须外部供热，依靠体系产生的热量，短时间即可基本上完成熟化反应，原料注模后几分钟内即可拔模。由于原料体系及发泡反应过程的特点，大多数冷熟化模塑软泡具有较高的回弹性，而且压陷比大，一般称为冷熟化高回弹泡沫塑料。

2）影响泡沫密度的因素有模具形状、制品尺寸、模温、物料填充量及出气孔的大小。配方中水的用量影响着泡沫的密度和硬度。其次是泡沫在模具中的填充系数（即浇注于模具中的物料与所需最少物料重量之比）和TDI指数。受模具温度、模内压力等的影响，模塑泡沫中心到表面的密度呈现出一定的变化梯度，芯密度比表皮附近的密度小。泡沫密度变化的程度取决于原料和模具温度、多元醇的活性、催化剂及泡沫稳定剂。

（3）热模塑泡沫 热模塑泡沫在许多方面都与较高密度块状泡沫塑料相似，但冷模塑泡沫塑料则大不同，见表4-34。

表4-34 热熟化及冷熟化模塑泡沫的比较

1）热模塑泡沫的生产工艺：生产模塑软泡时，必须先将模具清理干净，喷涂上拔模机，将模具温度调整至30～40℃。若在泡沫内放置金属或塑料嵌入件，则先将内插件等固定在模具内，然后用高压或低压发泡机将混合物料注入模具中，锁上模盖，在120℃以上的烘道内熟化。熟化后打开模盖，取出泡沫制品，然后进入下一个操作循环。

2）清模时，应将模具中残存的泡沫碎屑清理干净，否则会影响拔模效果。因为聚氨酯泡沫在成型过程中，很容易与钢、铝一类的模具粘接在一起。一般需在模具内涂拔模剂。用于热模塑软泡的拔模剂一般是高熔点微晶蜡，可制成蜡乳液，也可用其他水性拔模剂，用喷枪喷涂在模腔表面。由于模具刚从高温烘道内缓慢输送出来时，模具温度达100℃以上，足可将水性拔模剂中的水分蒸发掉，而在模腔表面留下薄薄的一层拔模剂，这样便可起到良好的拔模效果。有一种半永久性有机硅拔模剂，在中高温时会发生聚合反应，从而在模腔表面形成有一定强度的低表面有机硅薄膜，经一次喷涂后可经受多次拔模操作。

（4）冷模塑高回弹软泡 冷熟化模塑泡沫又称高回弹模塑泡沫。冷熟化高回弹软泡与热熟化软泡相比，具有以下特点：

1）生产过程中不需外部提供热量，可节省大量热能。

2）压陷比高，舒适性能好。

3）回弹率高。

4）不加阻燃剂的泡沫也有一定的阻燃性能。

5）生产周期短，可节省模具，节约成本。

与热模塑泡沫和高回弹块状软泡相比，冷模塑泡沫的原料可选择范围较宽，助剂品种多。通过选用不同的原料体系，可得到各种性能的泡沫塑料。

（5）生产工艺 冷模塑泡沫的生产过程与热模塑泡沫相似，一般同样采用环形转台生产线。与热模塑工艺相比，模具温度较低，无须冷却过程，一般喷涂含低沸点有机溶剂的拔模剂。根据实际需要可敞模也可闭模充填物料。泡沫熟化温度低，一般在50℃左右加热数分钟即可。

热模塑泡沫在1～2h之内能达到最终硬度，而冷熟化泡沫体的熟化温度低，故时间较长，可能要半天。冷熟化模塑体的硬度在未达到最终硬度的90%之前，必须单独存放和运输，如受挤压则可能留下不可恢复的永久变形。而快速拔模体系熟化时间相对较短。

4.聚氨酯喷涂成型

聚氨酯喷涂成型（Polyurethane Spray，PU Spray）工艺流程（图4-72）：聚氨酯的两种组分——异氰酸酯（ISO）与多羟基化合物（Polyol），在经过精确计量后，在一定的温度和适量催化剂的控制下，经过高压混合反应然后被喷涂到镍壳模具上，经过一段塑化时间后，聚氨酯附着在镍壳上形成一种手感很好的多孔性的弹性体表皮。在此过程中，聚氨酯的两个组分混合反应属于化学反应，反应生成的是热固性材料，它不像热塑性材料那样容易受外部物理条件的影响，因此材料具有良好的环境适用性能。

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图4-72 PUSpray工艺操作流程

（1）PU Spray的优点和缺点

1）PU从喷枪出来后是液态的，粘附在模具上，PU Spray的表皮在模具皮纹的复现性上比较优秀，可以更加接近于真皮的效果。PU Spray的表皮皮纹可以做得很深，可以更好地吸收和反射光线，从而降低表皮表面的光泽度。

2）仪表板表皮可以实现双色效果。在实现双色表皮的时候，PU Spray工艺相对搪塑工艺要简单很多。搪塑需要在模具里通过密封条来分隔两种不同的颜色，要取得比较好的密封效果，就要求两种颜色分界线的轨迹变化比较平缓，否则可能出现串色现象。因此，搪塑双色表面难度很大，工艺操作性不是很高。而双色的PU Spray表皮实现起来相对要简单得多。

3）由于PU的表皮在成型后的化学反应已经完成，不会再受外部环境温度的影响。而PVC是热塑性材料，受外部环境影响相对要高一些，尤其是低温下会发脆，无论是无缝低温爆破性能，还是低温状态的手感，都比较差。而PU则没有这方面的不足，尤其是低温状态的手感相对要好很多。

4）无析出现象：由于PVC为达到低温柔性和高温热老化性，添加了大量的增塑剂，存在小分子物质从内部向外部迁移的风险，即析出。而PU Spray则无此担忧，两种组分经过充分的反应生成热固性材料，材料本身具有的性能超过了部件的耐寒和耐热要求。

5）PU Spray表皮具有优秀的低温爆破性能，韧性好，不易撕裂，对于采用隐形安全气囊的仪表板而言，上述优点尤为明显，该工艺可以使表皮在低温下的爆破性能非常好，而且不会产生表皮碎屑。

6）PU Spray表皮的厚度可以通过喷涂的时间和流量来调节和控制。PU Spray工艺的缺点是表皮厚度很难精确控制，厚度不太均匀，特别是倒扣很深的地方，这是设计必须考虑的问题。另外喷枪的操纵也是该工艺的另一个难点。喷射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；模具内也要求有足够的空间供其进入并运动，否则无法完成喷涂作业。这对产品的结构和形状有一些限制。本工艺中另外一个问题在于原料利用率的提升。

（2）应用 PU Spray表皮具有优秀的性能，但其成本比搪塑PVC要高，作为最接近真皮风格和极佳手感的一种新工艺表皮，其在欧洲车型上应用较多。

将几种表皮成型工艺进行对比，其优缺点见表4-35。

表4-35 表皮成型工艺对比

（续）

5.模压成型

模压成型又称压缩模塑，这种方法是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的塑料放入加热的阴模中，合上阳模后加热使其熔化，并在压力的作用下，使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经加热或冷却，拔模后即得制品。从工艺角度看，上述过程可分为三个阶段：流动阶段、胶凝阶段、硬化阶段。模压成型主要用于热固性塑料制品的生产。

（1）模压适用对象

1）适用于几乎所有热固性塑料。常见的有酚醛、脲醛、环氧塑料、不饱和聚酯、氨基塑料、聚酰亚胺、有机硅等，也可用于热塑性的聚四氟乙烯和PVC生产。

2）适于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，如电器零件、电话机件、收音机外壳等。

3）无翘曲变形的薄壁平面热塑性塑料制品。

（2）模压优点

1）设备投资少，工艺简单，易操作。

2）压力损失小，多用以成型大型平面制品及多型腔制品。

3）材料取向小。

4）无流道及浇口，材料浪费少。

5）适用的材料广泛（可成型碎屑状、片状及纤维状填料制品）。

（3）模压缺点

1）固化时间长，生产效率低。

2）精度不高。

3）合模面处易产生飞边。

4）对形状复杂或带嵌件的制品不易成型。

5）自动化程度低。

6.挤出成型

挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑，是借助螺杆和柱塞的挤压作用，使塑化均匀的塑料强行通过模口而成为具有恒定截面和连续制品的成型方法。

（1）挤出成型的特点

1）连续化，效率高，质量稳定。

2）应用范围广。

3）设备简单，投资少，见效快。

4）生产环境卫生，劳动强度低。

5）适于大批量生产。

（2）适用的树脂材料 绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等。

（3）挤出原理 原料从料斗进入料筒，在螺杆旋转作用下，通过料筒内壁和螺杆表面摩擦剪切作用向前输送到加料段，在此松散固体向前输送同时被压实；在压缩段，螺槽深度变浅，进一步压实，同时在料筒外加热和螺杆与料筒内壁摩擦剪切作用下，料温升高开始熔融，压缩段结束；均化段使物料均匀，定温、定量、定压挤出熔体，到机头后成型，经定型得到制品。

挤出成型工艺流程如图4-73所示。

图4-73 挤出成型工艺流程

（4）挤出方法 按塑化方式分为干法挤出与湿法挤出；按加压方式分为连续挤出与间歇挤出。

（5）挤出工艺 一般根据所加工聚合物的类型和制品或半成品的形状，选定挤出机、机头和口模，以及定型和牵引等相应的辅助装置，然后确定挤出工艺条件，如螺杆转速、机头压力、物料温度，以及定型温度、牵引速度等。在挤出过程中，物料一般都要经过塑炼，但定型方法则有所不同。例如，挤出的塑料常需冷却定型，使其固化，而挤出橡胶的半成品，则尚需进一步硫化。采用不同的挤出设备和工艺，可得到不同的制品。

（6）挤出设备 塑料挤出机的主机是挤塑机，它由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成。

1）挤压系统：挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地挤出机头。

2）螺杆：是挤塑机的最主要部件，它直接关系到挤塑机的应用范围和生产率，由高强度耐腐蚀的合金钢制成。

3）机筒：是一金属圆筒，一般由耐热、耐压强度较高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料。一般机筒的长度为其直径的15～30倍，以使塑料得到充分加热和充分塑化为原则。

4）料斗：料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料斗的侧面装有视孔和标定计量装置。

5）机头和模具：挤出机中使挤出物形成规定横截面形状的部件称口模，料筒与口模之间的过渡部分称机头，如果口模与机头是一个整体，一般就统称为机头，也可称为口模。在机头内装有多孔板和滤网，其作用是过滤熔融料和增加料流阻力，借以滤去机械杂质和提高塑炼效果。口模内流道的作用是：

①过滤后的柱状熔体通过口模分配腔转变成与产品相似的截面。

②逐渐缩小的流道横截面，使熔体密实。

③熔体以均匀的流速进入模唇，便形成与产品相适应的截面形状，口模平直部分应有足够的长度，以克服熔体的“记忆效应”。常用的机头有挤管用口模、吹膜用口模和挤片材用口模。

6）传动系统：传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速器和轴承等组成。

7）加热冷却装置：加热与冷却是塑料挤出过程能够进行的必要条件。