汽车A柱外饰黑膜的产品工艺设计及其施工方法研究

冉明浩，张思洋，刘晓炜，刘可人，陈威涯

汽车A柱外饰黑膜的产品工艺设计及其施工方法研究

冉明浩，张思洋，刘晓炜，刘可人，陈威涯

（上汽通用汽车有限公司，上海 201208）

文章先后从车身设计和生产制造这两个阶段分析了A柱黑膜工艺的影响因素。在车身设计方面，介绍了如何通过A柱区域的合理结构设计来降低黑膜工艺的实现难度，并总结了黑膜工装孔的预留和选用原则。在贴膜施工方面，分别介绍了车身底材状态、贴膜步骤和手法以及过程温度控制对黑膜质量的影响。

黑膜；A柱外饰膜；车身设计；贴膜操作

引言

随着乘用车市场的竞争愈发激烈，汽车产品外观造型的比拼也趋于白热化，不少汽车品牌都试图采用前卫的“悬浮车顶”设计吸引客户眼球，提高产品竞争力。要实现“悬浮车顶”的独特视觉效果，常用的方法就是将车门窗框、A柱甚至C柱设计成黑色，使前挡风玻璃和车门玻璃等在视觉上连成一体，与安装黑色塑料外饰板相似，张贴黑膜也是一种常见的将车门窗框或A柱“变黑”的手段。如今，世界各地许多汽车公司及汽车品牌都开始了黑膜工艺的尝试和探索并在实践中积累了一定的经验。

目前常见的汽车外饰黑膜从外观和纹理上区分主要有高亮膜、哑光膜和皮纹膜三类，材料以PVC或PU为主，具有良好的耐候性、耐脏污性和一定的耐刮擦性能。黑膜背面的压敏胶粘层设计有导气槽，便于张贴时黑膜和底材中残留空气的排出，黑膜良好的延展性使其能够紧贴具有一定弧度的外形面，不过，由于车体结构、贴膜工装、人员操作等原因，黑膜的质量控制并非轻而易举，相反，各类黑膜缺陷一直是工程师们所面临的棘手问题，尤其是面积较大的A柱黑膜。因此，本文就车身设计和贴膜施工对A柱黑膜的影响进行了分析，并提出了相应的解决方案。

1 车身设计对贴膜的影响

良好的车身造型设计和结构设计是黑膜工艺成功的关键与前提，在项目前期就充分考虑黑膜工艺的制造要求将会大大减少黑膜缺陷并提高操作便利性，下文将具体阐述车身设计对贴膜的影响。

1.1 A柱上下两端车体造型和结构设计

A柱上端通常情况下为连贯的弧面，但是对于有A柱黑膜造型设计的车型来说，在黑膜上边缘设计一条与之齐平的钣金造型线将会是一个更佳的选择，这种设计一方面能够使油漆和黑膜的表面材质变化变得更加自然，另一方面也能为黑膜的张贴提供直观的定位参考线。

对于A柱下端，通常可采用两类设计方案。第一类是在A柱下端安装塑料饰件，使黑膜的下端边缘隐藏在塑料饰件背面。这种设计不仅使贴膜操作变得简单，也有利于贴膜质量的控制，具体来说，我们通常对A柱黑膜的上端有较高的定位要求，以使黑膜上边缘与钣金造型线之间的距离控制在很小的范围内，因此黑膜预贴定位时一般将预贴面选在靠近A柱上端的位置，然后用工具自上而下刮压黑膜完成张贴，由于黑膜本身具有一定的延展性，在刮压过程中会导致黑膜受力拉长，导致黑膜的下边缘位置难以精确控制，通常黑膜下边缘沿A柱方向上有±1.5mm的位置公差，如果A柱黑膜的下端隐藏在塑料饰件的背面，那么就无需设法精确控制黑膜下边缘的位置与外观，制造的便利性将大为提高。实际上，许多A柱贴黑膜的车型都采用了上端有造型线、下端有塑料外饰件的设计，如图1所示。

图1 A柱下端第一类设计案例

A柱下端的第二类设计就是将A柱黑膜的下边缘延伸至前翼子板或前盖的下方，如图2所示。相比前文所述的安装塑料外饰件方案，第二类设计对贴膜操作往往有更高的要求，A柱黑膜下端必须延伸至前翼子板或前盖下方一定的距离以避免顾客从缝隙中轻易观察到底漆颜色，这就要求贴膜员工在A柱与翼子板/前盖的狭小缝隙中进行贴膜操作并且能够对黑膜施加足够的按压力以使黑膜的压敏胶发挥功效。因此在车身结构设计时应充分考虑A柱下端贴膜的可行性，若A柱与翼子板/前盖的缝隙过小，会导致贴膜操作难度增大，通常认为A柱与翼子板/前盖的缝隙应大于3mm，在A柱下端延伸至前盖下方的情况下，即使能够通过在黑膜预贴完成并卸下工装后打开前盖实施A柱下端的贴膜操作来改善操作空间，但这也将消耗大量的工时。而若缝隙过大，尽管贴膜操作空间得到了改善，但同时意味着需将黑膜贴得更深以避免底漆颜色外露的情况。因此在设计时需要进行综合考量并通过模拟验证找到缝隙大小与贴膜深度的平衡点，值得注意的是，贴膜深度的评估不仅要考虑工具的可达性，还需考虑黑膜与环境件的粘连风险，如图3所示，A柱下端过长的黑膜极易与翼子板翻边发生粘连而使贴膜变得困难。

图2 A柱下端第二类设计案例

图3 黑膜与翼子板翻边粘连示意图

1.2 A柱/前风挡区域设计

A柱与前风挡缝隙区域的黑膜设计也是工程师们非常关注的问题。在前挡风玻璃边缘有橡胶密封条的情况下，A柱黑膜的设计与施工会变得非常简单，仅需将黑膜贴到A柱靠近前风挡一侧立面的下部位置就能使黑膜边缘隐藏于密封条之下，如图4所示，对于黑膜工艺这是一种推荐的设计。

图4 带前挡风玻璃密封条的车体设计

对于没有前风挡密封条的车型，黑膜在此处的设计与施工将会面临许多问题。为了消除A柱与前风挡缝隙中底漆颜色外露的风险，黑膜需要延伸至前挡风玻璃胶的安装面，这就意味着施工时必须将黑膜贴过圆角，而这对于贴膜操作来说是一种高风险操作，处理不当会在圆角处产生鼓泡的缺陷，同时贴膜所需的工时也会大幅提高。一般来说黑膜贴得越深，贴膜困难程度就越大，产生质量缺陷的概率也越大，为了在底漆颜色不外露的前提下改善贴膜的实施性，需要在项目前期对A柱造型进行优化设计，如图5(a)所示，陡峭的A柱侧立面能够使顾客难以观察到A柱/前风挡缝隙深处，黑膜也就不必张贴超过圆角很长距离，反之，较平缓的A柱侧立面意味着视线能够到达缝隙深处，甚至非常接近前档玻璃胶的边缘，如图5(b)所示，这种情况下就要求黑膜的边缘也要尽可能贴近玻璃胶（挤压变形后）的边缘，存在黑膜与玻璃胶干涉的风险，对于生产控制十分不利。

图5 A柱造型与视野极限的关系示意图

1.3 工装孔的预留和选用

由于A柱黑膜面积大、长度长并且有严格的张贴位置要求，因此需借助特殊的工装来进行贴膜操作，实现黑膜的准确定位。A柱黑膜工装的设计多种多样，但其使用原理与步骤大致相同，首先是将黑膜固定在工装之上，并通过黑膜两端的定位孔与工装上的定位销的配合等手段来确保黑膜相对工装有准确的位置，然后将带黑膜的工装安装至车身，从而实现黑膜与车身A柱的准确定位，因此，如何保证工装与车身的精准定位直接影响了最终黑膜在A柱上的定位准确程度。在黑膜工装设计过程中一般会在A柱的上下两端寻找合适的特征结构，如图6所示，可供选择的特征结构通常包括：

A、A柱下端侧围上的特征孔

B、前门后视镜区域的特征孔

C、前翼子板靠近A柱区域的特征孔

D、前挡风玻璃定位孔

E、车顶行李架/饰条的安装孔或螺柱

图6 A柱上下两端特征结构示意图

各车型由于造型和布置的差异（例如外后视镜的设计位置、有无车顶行李架等）会有不同的车身结构，黑膜工装定位孔的选择也不尽相同。对于A柱下端，从提高定位精度的角度出发，与A柱同处于一个侧围零件的A类定位孔是最佳的选择，而车门和翼子板是通过螺接安装在车身上的，其本身存在一定的位置公差，因此B类和C类定位孔的定位精度往往不如A类孔。对于A柱上端，前挡风玻璃定位用的D孔和车顶行李架/饰条的E类安装孔一般都有很好的位置精度，这对于A柱黑膜上端的定位是有十分有利的。当选用前挡风玻璃定位孔D孔作为黑膜工装的上定位孔时，需注意左右两侧的定位孔形状是否相同，若出现一侧为圆孔另一侧为腰孔的情况，左右两副黑膜工装的定位销应设计成对应的形状以达到最佳的定位效果。实际上，在黑膜工装定位孔的选择过程中还需综合考虑多种因素，包括定位孔本身的尺寸精度和上下定位孔相对位置的稳定性等等，避免在实车贴膜过程中出现黑膜工装难以同时卡入上下两端定位孔的问题。此外，若出现A柱上端无法找到合适的定位孔的情况，则可以考虑通过侧围和车顶的特征结构来实现工装上端定位（如图7所示），或者将工装架置在车门横梁上，通过确定三角形工装的一条边来实现对角的A柱上端定位（如图8所示），不过这种工装设计对车门的尺寸及安装精度有很高的要求，黑膜定位难度相对较大。

图7 车顶和侧围特征结构作为工装定位点的案例及示意图

图8 借助车门横梁实现定位的黑膜工装案例

2 施工环节对贴膜质量的影响

A柱贴膜最终的效果和质量不仅与前文所述的车体结构有关，在很大程度上也与贴膜施工的过程有着十分紧密的联系。良好的车身底材状态、合理的施工步骤和手法以及全面的温度控制对减少黑膜缺陷数量有着至关重要的贡献，下文将具体阐述贴膜施工过程中几个不容忽视的要点。

2.1 车身底材状态

图9 底材橘皮对贴膜后橘皮的影响关系图

洁净、平整、光滑的车身底材是黑膜质量控制的前提，底材上的油污、打抛灰和残留抛光液等都会影响黑膜的粘贴力，严重时可能出现黑膜起翘、鼓泡甚至剥离的情况。除此以外，底材表面的灰粒、颗粒缺陷也必须在贴膜之前处理完毕，否则这些底材上的凸起将直接导致黑膜表面形成更大的凸起，这种缺陷在高亮黑膜上将会特别显著，有研究表明，在使用高亮黑膜的情况下，底材漆膜上的灰尘颗粒直径应小于0.2mm[1]。另外，底材漆膜的光滑程度也对高亮黑膜的外观目视效果有着一定的影响，如图9所示，总体而言高亮黑膜张贴完成后的表面橘皮R值随着底材R值的提高而提高，但由于高亮黑膜材料本身表面也有一定的橘皮（平均R值为7.8），所以即使通过打抛等手段将底材漆膜的R值做得很高，贴膜后的橘皮也不会超过黑膜本身的橘皮，因此若要提高A柱黑膜成品的外观目视效果，应同时对车身底材和黑膜材料的橘皮进行控制并且详细研究长短波的配合及影响。

2.2 贴膜步骤及手法

黑膜的胶粘层大多为丙烯酸类压敏胶，并且胶粘层中设计有纵横交错的导气槽，张贴时对黑膜施加一定的压力，使胶水与底材漆膜充分接触，同时将黑膜与底材之间的空气排出，导气槽封闭。因此，在A柱黑膜预贴定位完成并取下工装后，还需用软质刮板沿着A柱方向将黑膜大面压紧贴实，然后依次张贴A柱两侧圆角部分以及圆角以外的小面，将黑膜与底材之间的空气从粘贴面的中间区域逐渐往外侧驱赶并最终完全排尽残留空气。如果贴膜时施加的压力过小或者有部分区域没有按压，粘贴面中残留的极薄的一层空气会随着黑膜胶水的分子运动而逐渐聚集在一起，从而出现张贴完成时黑膜没有鼓泡但经过一段时间后出现鼓泡的现象。

2.3 过程温度控制

张贴时黑膜与底材漆膜的粘结力为初始粘结力，完成后其粘结强度会随着时间逐渐增大，在72小时左右达到最终粘结力[2]，而这一过程与温度密切相关，随着温度的升高，胶水分子运动速度加快，黑膜的初始粘结力提高，达到终粘力所需的时间也相应缩短。在A柱黑膜的张贴过程中，一个合理的初始粘结力既有利于贴膜操作又有利于质量控制，一般要求贴膜的温度在25±5℃范围内，此时黑膜的初粘力约为350N/m。如果温度过低，黑膜的初粘力下降，则容易出现黑膜边缘起翘的情况；反之，如果温度过高，则黑膜容易软化变形，对于延展性较好的皮纹膜这个问题最为显著，往往会出现黑膜在工装上松弛下榻的情况，给贴膜操作造成困难，同时也会使黑膜的上下边界和一些防皱切口偏离目标位置，影响A柱黑膜成品质量。值得注意的是，贴膜过程温度的控制不仅包括贴膜工作室体的环境温度和黑膜原料的温度控制，也应包括车体的温度控制，而且车体温度的高低对黑膜达到终粘力所需的时间长短也有着直接的影响，倘若总装车间需在A柱黑膜下端安装塑料饰件并且安装过程中会对黑膜产生横向剪切力的话，过低的黑膜粘结力会导致塑料饰件附近的黑膜与底材漆面发生滑移，从而产生黑膜起皱的缺陷。因此，车间应根据现场硬件条件和气候条件等实际情况选择有效的温度控制方式，对室体温度、黑膜温度及车体温度进行控制以满足黑膜工艺的要求。

3 结论

A柱黑膜工艺的实现贯穿了整个设计和制造过程。在设计阶段建议采用A柱上端有造型线、下端有覆盖件并且前挡风玻璃有密封条的设计来提高A柱黑膜的操作便利性，同时应在车身上选择尺寸及位置精度较高的工艺孔作为黑膜工装的安装孔。在制造阶段，首先应对A柱底材漆面的洁净、平整和光滑程度进行控制；然后应仔细规划贴膜操作的步骤和手法，从中间向四周逐步压实黑膜以使空气排尽；此外还需对室体温度、黑膜温度及车体温度进行控制以保证黑膜质量。

[1] 郝松,华云,李克涵.汽车车身粘贴高亮黑膜的工艺设计及实施[J]. 技术与经验交流,2018,21(7):20~22.

[2] 黄远发.汽车装饰黑膜起皱机理和对策[J].现代涂装,2018,21(8):43 ~48.

Study of process design and operation method of vehicle’s A-pillardecoration black film

Ran Minghao, Zhang Siyang, Liu Xiaowei, Liu Keren, Chen Weiya

（SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 201208）

In this article, the impact factor of A-pillar black film process was analyzed at design phase and launch phase. In terms of car body design, we introduced how to design a reasonable A-pillar structure to make black film easier to realize; we summarized the selection principle of holes for the black film tool. From manufacturing aspect, the impact of substrate status, operation methods and temperature control to the black film quality were also introduced.

black film; A-pillar exterior decoration film; car body design; stick operation

U466

A

1671-7988(2019)14-189-04

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冉明浩（1987-），男，硕士，工程师，就职于上汽通用汽车有限公司。主要从事汽车涂装同步工程分析和涂装工艺规划工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.061