基于注塑成形的轿车玻璃轻量化技术开发及应用

吴松，崔厚学

1.东风鸿泰控股集团有限公司运营管理部 湖北武汉 430056

2.东风汽车集团有限公司战略规划与科技发展部 湖北武汉 430056

中国汽车产业经过十余年高速增长，产销量连续位居全球第一，成为世界第一汽车产销大国。随之而来的高油耗、高污染等问题也日渐突出。同时，国内汽车业进入微增长阶段，消费者对汽车油耗、性能和外观提出了新的更高的要求。未来轿车应该是一种更安全、更舒适、更轻便、更经济及更节能环保，同时能兼顾用户审美要求的产品。

轻量化结构设计及轻量化材料推广，是实现汽车轻量化的必经之路。聚甲基丙烯酸甲酯PMMA（Polymethyl Methacrylate）材料在轿车上的推广应用将是一个很好的发展方向。PMMA俗称有机玻璃，是目前汽车零部件应用较多的透明塑料品种之一，也是迄今为止合成透明材料中质地优异、价格适宜的塑料品种。

1901年德国奥托·罗姆博士发明了醇钠和丙烯酸酯的缩聚产物，1921年他又推出了以乙烯通过氯乙醇合成丙烯酸酯的工业路线，并于1927年在德国率先实现了该产品的工业化生产。欧洲给这种材料取名ACRYLIC，中文译做“亚克力”。PMMA具有质量轻、耐热性好及光学性能优良等优点，被广泛应用于车身部件制作。其单体MMA（甲基丙烯酸甲酯）在常温下呈无色透明状。PMMA塑料有极好的透光性能，透光率可达92%，机械强度较高，具有良好的耐热、耐寒及耐腐蚀性，易于成型且尺寸稳定，可用于加工有一定强度要求的透明零部件。有效降低车辆整备质量，从而实现汽车轻量化。基于此目的，本文进行了PMMA有机玻璃替代传统无机玻璃的可行性试验论证。

汽车玻璃材料

1.汽车玻璃材料

玻璃材料一般有透光、透明、保温、隔声、耐磨以及耐气候变化等性能要求。平板玻璃主要物理性能指标有：折射率约1.52，透光度85%（厚2mm的玻璃，有色和带涂层者除外），软化温度650～700℃，热导率0.81～0.93W/（m·K），膨胀系数9×10-6～10×10-6/K，比重约2.5，抗弯强度16～60MPa。其中，厚度、透光率、抗磨性、抗冲击和耐候性等，是汽车玻璃选材需要主要考虑的性能指标。我国目前汽车玻璃主要参照法规是GB9656—2003,该标准与欧洲经济委员会制定的ECE R43—2000《安全玻璃材料的统一规定》的内容基本一致。

2.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

PMMA的基本特性如下，决定了其适合用于汽车玻璃。

1）质量轻。PMMA密度大约在1150～1190kg/m³，是普通玻璃（2400～2800kg/m³）的一半。

2）可见光透过率高。PMMA是目前最优良的高分子透明材料，可见光透过率达到92%。

3）耐候性好。PMMA具有突出的耐老化性能，大大优于其他塑料材料。

4）加工性能好。PMMA不但可以进行注塑、热压、吹塑和挤出等塑料成形加工，而且可以进行切削、钻孔、粘结的后续加工，适合设计制造较大曲率的车窗。

汽车玻璃是整车质量中占比较大的零部件，通常单车玻璃用量可达40kg。目前传统汽车一般使用以硅酸盐为基础原料的无机玻璃，如果用PMMA有机玻璃取代无机玻璃，将使玻璃质量减半，对整车减重效果明显。而且PMMA适用注塑、挤出及热压等多种成型工艺，比无机玻璃的成型工艺自由度更大，可以设计较为复杂的曲面，在实现轻量化的同时，给汽车外形设计留下更多造型空间。

PMMA在汽车玻璃上应用

采用PMMA有机玻璃挤出板制成的采光体，与传统无机玻璃采光装置相比，具有整体结构强度高、质量轻、透光率高和安全性能好等特点。

PMMA有机玻璃用于制造汽车风窗的成功案例有：长安奔奔后三角窗（见图1），雪铁龙DS5后侧窗（见图2）。

图1 长安奔奔（后三角窗）

图2 雪铁龙DS5（后侧窗）

1.PMMA在汽车玻璃上的应用

以雪铁龙DS5后侧围窗玻璃为研究对象，对其使用PMMA材料制作汽车后侧围玻璃案例进行了研究分析。曲率斑马线如图3所示，曲面曲率分析如图4所示，结构均匀度分析如图5所示。

图3 曲率斑马线分析

图4 曲面曲率分析

图5 结构均匀度分析

（1）结构分析 此零件设计按照两层结构处理，分内框和外壳，内框材料为ABS/PC合金材料，其强度优异，抗老化性能佳；外壳使用日本帝人提供的PMMA材料。ABS/PC合金材料和PMMA材料物理性能可通过注塑方式融合。

（2）成型工艺分析 如图6所示，采用多色注塑技术来实现结构叠加式双色零件的成型，使用多色注塑机成型高光PMMA材料注塑技术目前在国内只有为数不多的专业厂家能独立完成，东风旗下的神光模塑公司具备该项技术完整的设计、工艺及工业化能力。

图6 成型工艺分析

2.基于PMMA材料的汽车玻璃的性能验证

针对雪铁龙DS5车型进行分析，研究PMMA汽车玻璃材料。

根据GB9656《汽车安全玻璃》和ECER43《关于安全玻璃材料及其在车辆上的安装认证的统一规定》中规定的检测项目，汽车安全玻璃关键性能要求为：高透光率、高耐候性、高耐热性、抗冲击性、抗刮擦性及化学稳定性。具体实验项目如下。

（1）柔性测试 该项测试的目的是检验有机玻璃材料属于刚性类还是柔性类。

（2）人头模型冲击测试 目的是验证人头部冲击有机玻璃时，头部受伤程度是否符合相关的限度要求。

（3）机械强度测试 227g钢球测试：评估PMMA有机玻璃的机械强度。

（4）耐磨性测试 确定有机玻璃的耐磨性是否大于规定值。

（5）耐模拟气候性测试 验证对模拟天气变化条件下的承受力。

（6）涂层附着力测试 检查有机玻璃耐刮擦涂层是否具备足够高的附着力。

（7）耐湿性测试 检验有机玻璃长期暴露在潮湿环境而性能无明显变化。

（8）光学质量 检验有机玻璃的透光性是否满足PMMA三角窗玻璃能满足各项性能要求，从而有力地支持了PMMA材料在乘用车三角窗上的应用。

结语

使用PMMA材料，在汽车玻璃上比传统材料有显著优点，比如：

1）区别于传统玻璃，在满足功能和性能的前提下，PMMA注塑工艺能够给设计师提供各类曲面造型风格的支持，从而有效提升车身识别度及车型档次。

2）PMMA注塑能提供光泽度超过120的高光表面效果，且可方便对其颜色按客户需求进行调制。

3）相对传统玻璃生产，PMMA多次注塑技术工艺简单，能耗低，成形周期短，生产过程无污染且材料可回收再利用。

在汽车行业进入微增长的今天，车辆个性化、轻量化及环境友好将是未来消费者更加关注的特质，这也是未来汽车的发展方向。采用PMMA材料，使用多色注塑技术成形的新型汽车玻璃必将有更加广泛的应用空间。