新型热烫印装饰技术在汽车格栅的应用研究

王开 赵颖 王召君 张晓略 刘树文

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

1 前言

热烫印装饰技术（Hot Stamping Decorative Technology）是一种新兴绿色环保的表面装饰新技术，由于生产效率高、装饰图案多元化且具有替代传统高污染电镀工艺的可能性，使其广泛地应用于塑料、木质基材、皮革及纸基等各种制品和半制品材料的表面装饰。其是通过高温及高压，把预先涂在载体箔膜的涂层转印在产品表面，从而形成装饰层。就汽车产业的内外饰装饰件应用而言，因热烫印技术可提供各种装潢效果，如桃木、碳纤、仿电镀高光效果等，并且能够实现传统电镀工艺难以实现的特殊外观造型，现阶段其主要应用在汽车门踏板、空调出风口、扶手、中央饰框、显示面板、标牌、保险杠格栅、A-B-C柱、外饰条、甚至发动机顶盖装潢的优化工艺等。目前热烫印技术已经广泛应用在奔驰、大众、宝马、奥迪、福特及丰田等主流厂商的车型上[1]。本文将主要对一种新型热烫印技术进行介绍，通过清漆保护层优化零件外观性能，从材料、性能验证等方面分析其在热烫印高光“满天星”造型格栅的应用可行性。

2 热烫印工艺的特点和应用

热烫印箔实质上是一种载体镀层转移性工艺涂层膜。热烫印箔的基本构造如图1所示，包括载体和4道涂层[2]。

图1 热烫印箔的典型构造

a.载体：由涤纶薄膜或聚脂薄膜组成，对其他层起支撑作用；

b.第1道涂层：剥离层，又叫离心层。烫印时便于载体与烫印箔分离；

c.第2道涂层：保护层，又称染色层。提供颜色，保护铝层；

d.第3道涂层：装饰层，反射光线，呈现金属光泽；

e.第4道涂层：胶水层，胶粘层融化，将铝层粘到承印物上，与承印物表面形成附着力。运输、储存过程中起保护作用。

零件生产过程中，烫印设备通过高温和高压共同作用的方式将薄膜贴合在需要装饰的表层，热熔胶熔化与内外饰零件基材表面形成粘附力，同时在剥离层的作用下载体薄膜与保护层分离，从而在零件表面形成类似电镀或者其他外观。由于环保要求的不断提高，六价铬的使用受到越来越严格的控制，传统电镀工艺的社会成本压力日趋攀升，许多主机厂都在寻求替代电镀零件的低成本绿色环保工艺。而热烫印工艺是物理过程，不涉及六价铬的还原，对工人和环境影响小。加工装饰面一次成型，减少多次加工可能造成的生产风险。成本优势明显，而且可以建立成熟、完整、有效的箔膜循环回收系统，不会存在有毒有害重金属残留。

为了追求个性、时尚和科技感和高光泽度效果，近年来，热烫印金属箔格栅来替代电镀格栅的外观已渐渐在主机厂中流行起来，如表1所示，这些零件外观都是通过烫印来实现的，满足零件外观要求，且性能稳定，但对工艺要求较高，否则会出现失光、划痕等缺陷。汽车零部件受实际工况和行业标准的限制，其表面装饰工艺的试验要求较高，故在产品性能达到要求的情况下，烫印工艺可以极大的节约成本，方便更改设计。

表1 各主机厂烫印零件

3 新型热烫印格栅解决方案

3.1 方案概述

汽车前格栅的造型设计代表了各主机厂的设计风格，不仅需要满足在整车的功能要求，更需要具备符合时代潮流的美学元素，从而大幅度提升客户主观满意度。电镀格栅一直是各主机厂频繁使用的一种金属外观效果，展现高档和奢华；基于某项目格栅新颖造型设计，选择电镀工艺存在着成本过高，电镀过程不环保，零件工艺复杂等问题，本文旨在直接使用金属光泽烫印膜烫印在格栅塑料基材本体上，使其具有不亚于电镀和喷漆的外观效果，得到性能优异，绿色环保且成本低廉的优异外观格栅。

3.2 新型热烫印基材分析

汽车热烫印格栅与塑件基材的性能有关，塑料基材多为ASA（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸共聚物）、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、PC（聚碳酸酯）、TPO（热塑性聚烯烃类）、PC/ABS等材料，受使用环境的影响，需要满足试验标准的要求，如耐温、耐湿、低温冲击测试等，因而汽格栅的热烫印不仅要考虑外观效果，还要满足在实际工况环境长期稳定可靠的要求。同时，工艺成型性、合格率、成本的要求也是重要因素。因而需要针对塑件的材料特性进行专门化的研究。目前，汽车热烫印格栅基材选择主要有4类，分别为ASA、TPO、ABS、PC。这4种材料在不同的主机厂都有应用，表2对比了各材料的主要性能，从表2中可以看出，针对格栅零件需着重考虑的耐候性能，ASA和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）能够满足要求，而对于机械性能而言，需满足格栅零件的低温冲击要求，经过综合考虑，最终选取ASA材料作为优化对象。

表2 各材料主要性能对比

ASA属于无定形三元共聚物，为饱和主链结构，大分子链中的羰基和腈基具备较强耐紫外线能力，而苯环是典型的稳定结构，很难发生光化学反应，因此，ASA对紫外线的耐受能力很强，颜色稳定，耐候性优，同时又具有优异的耐刮擦和耐冲击性能，为长期使用和高质量的外观提供了卓越的性能。ASA材料其优良的加工性能和成本优势在该方案中得以凸显。除此之外，ASA具有出色的尺寸稳定性和极好的表面光泽度能够完美呈现现代汽车与众不同的前格栅设计。该材料还具有极好的耐水性，显著改善了该款格栅在雨雪等恶劣天气下的性能。ASA材料在汽车格栅制造方面还具有2大优势：通过添加特定的耐UV（紫外）助剂，使该材料的耐紫外性能，尤其是颜色和光泽度的保持得到大幅提升，确保在经历多年的日晒雨淋后仍能拥有超高的光泽度和色彩；该材料具有卓越的粘附特性，是在复杂结构上进行烫印箔黏附的理想基材，材料表面非常稳定，适用于精密箔应用[3-4]；这也使其可以引入装饰性箔制造商生产的烫印箔，直接在零件部分特征面上施工，一次成型以满足造型需求，这也是镀铬技术难以实现的。

3.3 新型热烫印方案

本文选用新型烫印-清漆结构来实现汽车格栅目标外观以代替传统镀铬工艺，实现了“满天星”特殊造型格栅，即在基材上进行热烫印得到高质量外观后再喷涂清漆，该清漆成分主要包括环氧改性丙烯酸树脂和硅树脂等。这层清漆可以提高格栅使用寿命，提高其抗光照老化性能，保护格栅塑料基材和烫印箔膜，提高格栅表面抗石击和刮擦能力，不仅节省了相应的生产成本，还可以减少施工的标准工时和人力成本，提升生产节拍。同时，应用此工艺大大降低了一味追求高性能烫印带来成本压力，大范围应用此烫印-清漆工艺后总成本远低于传统镀铬和喷漆工艺。

格栅所使用的塑料ASA本身具有优异的油漆适配性，并且可以获得优良的附着力。但是，为了满足热烫印工艺的技术要求，保证优良的热烫印膜与基材的附着力，热烫印格栅表面的塑料基材区域和热烫印膜区域表面能需进行匹配，清漆的表面张力也需要与之匹配才能获得足够的附着力。另外漆膜附着力产生于涂料与被涂基材表面极性基团之间的相互引力，而这种极性基团之间的相互引力的产生是以涂料对被涂基材表面的良好润湿为前提的。因此工艺的关键步骤在于需要做到基材表面、烫印区域和清漆漆膜之间表面张力的匹配以及改善该格栅表面的浸润性，使清漆与格栅之间具有良好的附着力。

3.4 零件性能验证

经过材料选择、方案敲定和数轮试模工作，成功制造出了满足外观要求的零件，如图2所示，通过烫印-清漆方案制造出的格栅零件色彩饱和度好，光泽度高，表面质量高，无缩痕等缺陷。

图2 试制烫印样件局部照片

同时对该零件进行了固化、附着力、耐光照、耐飞石冲击等试验，试验项目及试验结果见表3，所有的附着力和耐候结果均能满足行业标准要求。

表3 性能验证结果

通过以上测试与分析，上述烫印-清漆体系都能满足零件性能要求。其外观可与电镀媲美，并且还能营造出充满运动气息的科技感，起到突出车标的效果。热烫印箔膜表面的清漆涂层不仅增加零件的光泽度，还因其可以抵御长、短波长的侵袭从而提高了耐候性，并且其耐飞石冲击、耐水冲击和耐化学试剂性能都有大幅增加，延长了使用寿命。丙烯酸树脂体系的薄膜保护层在高温高湿下会与水反应发生降解，导致部分环氧基团流失，因此使浅表结构交联密度减小[13]。同时在环境CO2与水气的共同影响下，表面变得非常粗糙，宏观上体现为光泽度的下降。通过涂层结构的优化，包括交联密度的控制以及提升附着力的硅树脂的引入，该热烫印-清漆体系下的零件性能可以得到极大提升，同时硅树脂的引入，对薄膜耐热性、疏水性等也有显著的提高。

在没有明显匹配关系和特殊性能要求的零件区域，完全可以有针对性的选择该新型方案来降低目标零件的外观实现成本，提高收益率。目前限制烫印-清漆方案应用的主要因素为要求供应商同时具备烫印和喷漆的能力，另外需要控制注塑质量和工艺稳定性以调控塑料基材、烫印箔膜和清漆涂层之间的表面张力匹配，用以获得足够的附着力和耐久性。相信未来该体系通过生产节拍、环保成本核算及共线工艺等优化之后是可以同时达到质量和成本要求以代替传统电镀和喷漆工艺。

4 结束语

通过材料、方案和实际零件的性能验证，以ASA基材上热烫印-清漆的格栅工艺方案是可行的，优化后的样件无流挂橘皮等外观缺陷，耐候、耐刮擦等性能优异，完全满足汽车格栅零件的使用要求。该方案同电镀和传统喷漆工艺相比成本优势明显，伴随着环保和成本压力的日渐凸显，相信热烫印-清漆工艺方案将会有更多更详尽的应用。相信该研究成果对于探索具有类似结构的烫印-喷漆工艺方案也具有借鉴意义。