低密度聚丙烯材料在门饰板上的应用研究

李书鹏，王伟健，李波，张健

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

为了降低燃油或者电能消耗，不论是传统燃油车还是新能源车，整车的轻量化设计都是一个重要的开发指标。然而在推进轻量化方案时，成本的变化是很多方案难以落地的拦路虎。质量变化和成本的关系如图1所示，随着质量的降低，成本也在降低，但随着质量进一步减少，成本会达到最低的极点后增加。因此，在进行轻量化方案设计时，充分考虑质量和成本的平衡至关重要，也是方案最终得以实施的保障。

图1 质量和成本的关系

此次通过对材料配方改进，同时在不改变现有模具、生产设备和产品结构的前提下，替代现行材料，实现零件减重的同时维持综合成本基本持平，最终方案成功搭载应用到量产车型。

1 材料配方及验证

1.1 材料配方

门饰板常规选材为PP+EPDM-TD20，初步选取PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10两种方案进行替代开发，3种材料的典型物性对比如表1所示。

表1 性能对比

通过典型物性对比，3种材料在拉伸强度和冲击强度性能上差别不大，而弯曲模量和收缩率差异较大，如果直接替代应用，则会影响零件的刚性，同时由于收缩率较大也无法共用模具。因此，需要改进材料配方提升其性能。

以PP+EPDM-TD20典型性能值为目标，对PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10的配方进行调整，主要从PP基体树脂和滑石粉两方面着手。

PP基体树脂采用复配方式，提高均聚PP树脂的含量，弥补由于滑石粉含量减少导致材料弯曲模量降低[1]。无规PP树脂与均聚PP树脂的典型物性对比如表2所示。

表2 无规PP和均聚PP物性

塑料改性时通过添加滑石粉改变塑料的多种性能，如成型收缩率、弯曲模量、冲击强度及拉伸强度等。根据用途的不同，塑料改性时添加的滑石粉粒径从300目到3 000目不等[2]。

李伟等人[3]采用不同粒径的滑石粉改性PP，研究不同粒径的滑石粉对材料拉伸性能、弯曲性能、冲击能性及流动性能的影响，得到了滑石粉粒径变小(即目数增加)，材料的拉伸强度和流动性没有明显变化、弯曲模量和冲击性能增加的结论。

因此，降低滑石粉含量时，可以通过提高滑石粉的目数来弥补性能的降低。然而，随着目数的增加，滑石粉的价格也会增加，需要对配方的性能和成本进行综合评估，选择合适目数的滑石粉填充[4]。

1.2 材料性能验证

以现行材料(PP+EPDM-TD20)的性能数据为目标，基于上述材料配方改进方案，重新开发PP+EPDM-TD5和PP+EPDM-TD10两种规格，选取了3家供应商开发的牌号进行验证，性能测试数据如表3和表4所示。

表3 PP+EPDM-TD5性能数据

表4 PP+EPDM-TD10性能数据

通过表3和表4所示的材料性能数据，PP+EPDM-TD5规格在弯曲模量性能上很难达到目标值的要求[5]，应用时存在零件刚性不足的风险，如继续对材料配方改进则会带来成本大幅上升。因此，综合评估后选取PP+EPDM-TD10方案进行后续验证。

2 零件成型分析及验证

2.1 零件成型分析

选取某车型门饰板数据，通过Moldflow分析对比PP+EPDM-TD10和PP+EPDM-TD20的成型性，从注射压力、体积收缩率及翘曲变形3个方面进行差异分析，分析结果如图2—图4所示。

图2 注射压力

图3 体积收缩率

图4 翘曲变形

分析结果汇总如下：

(1)TD20和TD10材料的注塑压力分别为59.4 MPa和64.1 MPa，TD10材料注塑压力略大于TD20；

(2)地图袋区域因壁厚较厚，保压不足体积收缩率较大，有缩痕风险，两种材料相当；

(3)两种材料翘曲变形趋势一致，两个角(红色区域)上翘，地图袋区域下凹，TD10变形量略大于TD20。

由Moldflow分析结果可以看出，两种材料在成型性上差异不大，后期可以通过部分工艺参数的调整进行优化。

2.2 零件成型验证

选取某量产车型门饰板模具(应用材料：PP+EPDM-TD20)对PP+EPDM-TD10材料进行试模验证，评估成型性、外观、质量及收缩率。

根据现场试模确认，零件无缺胶、缩孔等成型缺陷，在喇叭网孔处有比较明显的熔接痕缺陷，后期通过调整材料的熔指，解决了熔接痕的问题。

与现行零件质量进行对比质量减少192.6 g，质量信息如表5所示。

表5 质量信息

对试模件的尺寸间隙通过检具进行了测量，测量部位如图5所示。

图5 测量示意

尺寸间隙要求值(量产件)和检测结果(试模件)如表6所示。

表6 尺寸间隙检测结果 mm

由尺寸间隙的检测结果可以看出，在现有模具上验证，局部点存在尺寸间隙超标。初步原因分析：(1)现场试模没有对注塑条件进行调整；(2)材料的流动性差异。

3 成本分析

在不改变模具、生产设备和产品结构的前提下，通过材料替代达到减重目的。因此在评估成本时，可以忽略模具、设备或结构的变更带来的成本变化，只需评估材料和制品质量带来的成本变化。两种材料的成本对比(基于门饰板)如表7所示。

表7 成本对比

注：表中材料单价未含税，为供应商初步报价，供分析时参考。

4 结束语

综上所述，通过提升均聚PP(高模量)基体树脂含量和选取高目数滑石粉等手段，制得低密度PP+EPDM-TD10材料，材料性能与常规PP+EPDM-TD20基本持平，同时采用量产车型的零件数据和模具，验证了PP+EPDM-TD10替代PP+EPDM-TD20的可行性，最终该方案成功应用到新研发车型。