智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 1742|回复: 0
收起左侧

[复合材料] 用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

[复制链接]
发表于 2015-10-28 20:45:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
<

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
         

       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图1 不同的低成本、重质颗粒填充物,包括:重晶石、碳酸钙和氧化铁等

         

        汽车厂商都希望获得一种更简单、更经济有效的隔音垫生产方案来降低成本。为此,康隆集团(Cannon Group)开发出了一种可高效计量混合高填料配方的固体流喷涂(SoliSpray)技术,该技术能够低成本地一次性生产出造型复杂的高质量汽车隔音垫。

        汽车厂商总在不断地寻求更好的隔音降噪方案,以期最大程度地降低车内噪音,提高驾乘舒适度。通常,车内噪音有多种来源,并且每种噪音源传入车内的方式也不完全一样,因此,针对不同的噪音源,需要采取不同的隔音降噪方案。以发动机噪音为例,其传入途径基本上可概括为两个方面:一是通过发动机与车厢之间的金属板结构传入,二是通过靠近前轮的司机与副司机的脚底板传入。为了阻隔发动机噪音,汽车厂商通常需要使用隔音垫。

        汽车隔音垫属于较大型的部件。为了确保有效地利用材料并获得最佳的隔音堵音效果,需要根据隔音垫所接触的金属结构部件的形状特征,在隔音垫上设计出不同的降噪区域,也就是说,在一块整体的隔音垫上,需要有多处不同厚度的地区。一般而言,隔音垫的背面需要复合软泡,且表面坚韧,以确保能够利用半自动工具,轻易地将其安装到车厢内的指定位置。对于放置在仪表板后方的隔音垫,由于有多条管路电线穿过,而且每个贯穿点都必须精确并能得到可靠的密封,因此要求隔音垫能够适应水刀切割操作,同时要具有一定的承重性能。总之,理想的隔音垫应该具备以下特点: 量轻、制造成本低且不会占用有限的车内空间。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图2 喷涂含有高剂量重晶石的重质层

       

传统的隔音垫生产工艺

        在过去的很多年里,已有多种工艺能够生产出隔音性能高的产品,但都属于低产量生产方案。这些工艺包括:

        1.夹层工艺。该工艺是以高填充物含量的聚合物做面料,复以泡绵、毡或数种合成塑料与天然材料的复合物,由此而形成的质轻的发泡复合毡可提供良好的经济性和中度隔音效果,其缺点是体积较大而占用车内空间,同时还吸潮。

        2.使用真空成型重质层工艺可生产出含有不同材质的复合产品。由于需要模塑发泡或吸塑/空压成型,因而该工艺的劳动强度较大,模具通常较昂贵。

        3.注塑成型,这是车轮罩的典型成型方法。

        4.RRIM 注射工艺。采用该工艺生产出的隔音垫具有良好的隔音效果,但使用的化学原料和模具也都非常昂贵。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图3 固体喷涂混合头

       

        近年来,一种广受汽车厂商欢迎的隔音垫生产工艺是重质层技术。该技术的特点是,通过闭模注射含有高重晶石添加量的RRIM 化学原料。由于重晶石以天然硫酸钡粉末状出现,其中含有少量的高研磨性硅石和石英晶体杂质,因而对普通的标准计量泵和混合头带来了不利影响。为此,康隆集团(Cannon Group)早在1980年就开发出了专门用于此工艺的缸式计量泵、特质混合头和专用喷嘴,从而有效地保证了该工艺技术的长期使用稳定性以及材料的混合效果。为了避免出现飞边,以减少材料的浪费和省去修边工序,该工艺一般是利用大型压机、通过闭模成型而完成的。以重质层工艺生产的典型产品有: 隔音垫、隔音地毯、副仪表台和后行李箱隔板,以及非汽车行业的家用设备降噪件和隔音室等。

        然而,上述这些隔音垫成型工艺面临的一大问题是:每当人们想要尝试通过减少隔音垫的厚度来节省材料时,质量问题随即就会出现。这是因为,高填料的材料配方通常具有较高的粘度,这使其在狭窄的模腔内流动起来非常困难,常常导致产品出现裹泡和明显的流动痕迹等表面缺陷,从而导致次品的增加。对于汽车厂商而言,较多的次品不仅意味着昂贵材料的巨大浪费,而且在处理如此大件的次品时,费用也不低。此外,由于重质层成型工艺需要使用大型压机和模具,因而汽车厂商需要花费高昂的设备和模具投资费用。

        然而,对于汽车厂商而言,他们都希望获得一种更简单、更经济有效的隔音垫生产方案来降低成本。相比之下,喷涂技术可以满足此方面的要求,该技术能够以全自动化的生产方式,一次性地生产出造型复杂的隔音垫。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图4 只需一套模具,固体流喷涂(SolidSpray)工艺即可一步成型出完整的发泡隔音垫

       

        通常,隔音垫不一定拥有均一的厚度,同时也不一定要求其表面达到高度的美观性。因此,人们对新一代的基于使用重晶石或类似物质做填充物配方的生产工艺给予了高度关注。

康隆(Cannon)的生产方案

        自1990年以来,康隆集团(Cannon Group)已经开发出了多种用于汽车隔音垫的喷涂技术。其中,长玻纤共注技术(Interwet)能够有效混合PUR和长玻纤或其他的颗粒状填充物,如重质量的粉状物或研磨的PU废料等。

        一般,使用颗粒填料的难点在于如何实现精准的计量和混合。在解决这一难题的过程中,康隆(Cannon)的PUR研发团队积累了丰富的有关颗粒填充物处理和均匀混合的技术和应用经验。因此,当他们接到“开发一种新的工艺,以替代传统的重质层隔音垫生产工艺”这一项目时,固体流喷涂工艺(Solispray,也叫“喷涂填料工艺”)立刻成为康隆(Cannon) 研发团队考虑的重点。这是因为喷涂工艺可提供多种优势,包括:

        1.只需要下半模,因而可免除一个半模;

        2.只需要使用一个下模托盘,省却了笨重而昂贵的模压机;

        3.可实现按需喷涂,即不需要绝缘材料的部位可以轻易越过,而需要较厚材料的部位可以重复喷涂以满足厚度要求(当采用胺基催化剂时,可以将不粘时间缩短至几秒钟);

        4.可以方便地置放塑料或金属嵌件。但是,喷涂填料工艺对喷涂混合头提出了较高的要求:混合头必须对含有高分量固态填料的混合料进行高效混合,而且在开模灌注中不能出现溅射。因此,开发该工艺的一项重要工作就是要设计出一种高效混合头,它能够在高流量的情况下处理大量的有研磨特性的固态填料。为此,康隆(Cannon)的研发团队充分利用了该公司早在1970年初期就获得专利的FPL混合头所具有的高效混合、开模灌注不溅射的优点。通过对FPL混合头中与研磨性固态填料相接触的部分进行优化设计,使得新的改进型混合头既适用于灌注标准的PUR配方,也能够满足含有不同颗粒填料的增强型配方的应用需求。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图5 康隆(Cannon)为汽车行业开发的PU计量设备

       

        项目开发的另一项重要工作是研究现有计量设备的操作极限并确定最佳操作参数。为此,康隆(Cannon)的研发团队改造了一台HE型实验室设备,并利用机器人来操作喷头。在一间全封闭的配有抽风系统的喷涂操作间里,康隆(Cannon)的工程人员潜心研究了几个月。

        通过反复研究试验,康隆(Cannon)确定了一个恰当的喷涂原料配方,他们将重晶石的最低填充量设定为总聚合物的50%,从而确保了良好的外观。按照经验,这一快速反应的配方对温度控制提出了特别的要求,因此研发团队在料罐与料管之间添加了一个额外的温控系统,以保证至少在POL边的温度能达到90℃。

        康隆(Cannon)还邀请了一些为汽车行业提供材料的供应商参与此项目的开发。在康隆的实验室设备上,研发团队在基本原料体系中逐步添加他们所谓的“魔术粉”,直到获得合理的材料反应特性曲线。随后,他们利用已准备好的喷涂设备来制作试验样件。经过多次反复试验,终于生产出了符合要求的重质层样件。评估结果表明,该生产工艺值得进一步推广完善。     
                                                                  
        总之,开发固体流喷涂(Solispray)工艺充满了挑战,需要解决好4大难题,包括:混合效果、研磨性填料对机械的磨损、喷嘴的设计和混合头的清洗程序。对此,康隆(Cannon)的研发团队都完美地予以解决:

        1.混合效果受多种因素的影响,包括:混合比例、组分性质、流量、填料大小和混合腔的设计等。当各组分的粘度、比重和温度等参数相当时,在传统撞击混合腔内的混合行为一般是可预知的,但是,当个别参数明显不均衡时,混合行为就难以预测了,且不能利用显像器进行追踪。对此,康隆(Cannon)的研发团队采用了专用的FEA (Finite Elements Analysis) 软件技术和数学模拟方法,从而获得了可靠的数据,并对其进行了优化。

        2.一般,Pol边材料的粘度较高,而Iso 边材料的粘度较低。利用液压学知识,康隆(Cannon)设计出了一系列的新喷嘴,由这些喷嘴射出的液体流可达到100m/s的射速,就像切割水柱一样。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图6 新型的紧凑型喷涂混合头可精确喷涂各种高填料配方

       

        3.磨损问题:尽管经化学反应合成的硫酸钡不含有研磨性粉末,但使用这种合成填料不能获得良好的经济性。因此,在工业应用中,一般是使用从矿物中提取的稍加粉化的天然重晶石。但由于含有硅基石英砂杂质,因而这种填料具有非常高的磨损性,即使只含有少量这种物质的POL流,当以高于100m/s的流速流经喷嘴时,也会带来严重的磨损。对此问题,康隆(Cannon)早在多年前开发RRIM工艺时就提出了完美的解决方案,即采用适合的硬质金属合金来制造这些喷嘴部件。经过多次试验,该公司确定了最佳的合金硬度,并以此规格材料来制造喷嘴及其相关的零件。

        4.通常,出口喷咀对喷涂到模具表面的物流几何形状以及该工艺的可靠性具有决定性的影响。它必须能够承受高研磨性物流的冲击,同时还能提供扁平的扇形喷涂形状。因此,需要对该部件进行专门设计,并采用很高硬度的合金来制造。通过激光模拟,康隆(Cannon)的研发团队确定了最佳的喷涂形式,即最佳的喷涂效果为每回重叠喷涂宽幅的5%。对最小模具和最大模具的有效喷涂距离是离模面300~800mm。

        6.由于原料的活性很高,为保证全自动化的生产实现良好的重复再现性,康隆(Cannon)开发出了一套小体积的高效清洗系统,它可以在每次喷涂完毕后,清洗流道和喷嘴。选用的清洗剂为酯基环保型溶剂,该溶剂可以回收,经蒸馏再生后可重复使用。                                                                                            

固体流喷涂(Solispray)工艺的工业化应用

        1.加工含70%重晶石混合料的喷涂生产线


        随着固体流喷涂(Solispray)工艺的开发成功,一家与康隆(Cannon)有着超过25年合作历史的德国客户便很快将这一技术应用于其新的生产项目上。该项目是为BMW车生产一种大型的隔音垫,所用材料为高填料配方: ISO 35pbw,POL(胺基催化剂)100pbw,重晶石(干燥)350pbw,其固态填料含量高达70%。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图7 使用固体流喷涂(Solispray)工艺生产隔音垫: 1.只需一副模具,2.喷涂重质层,3.背发泡

       

        由于初始的POL粘度非常高(像泥浆一样),因而需要使用一种特殊的泵将其送到料桶中,然后在大约85℃的温度下循环混合,混合压力为180bar(182.6kg/cm2)。相比之下,ISO边的温度仅为35℃,压力同样为180bar(182.6kg/cm2)。

        该项目在试制阶段就取得了很好的成效:经完美混和的聚合液从喷嘴喷出。在需要较厚涂层的区域,可按厚度要求喷涂数遍。在操作中,模具外沿的超喷低于2%~3%,而且无粉尘现象,每一边的叠边可被控制在低于喷幅4%的水平上。

        基于一种特别设计的操作程序,使得该生产实现了有规则的、连续且均速的喷涂操作,同时保证了在弧型模面处没有出现涂料过多或不足的现象。此外,还避免了机械手在改变方向时速度发生变化的问题。

        康隆(Cannon)为此项目提供了全套的解决方案,包括:缸式计量高压设备、新型喷涂混合头以及所有的辅助设备。值得一提的是,康隆(Cannon)为此应用还特别开发了一种重量仅4kg的混合头,它只需要使用简单轻型的机械装置就能轻松操作,并且与之相配的管道体积也得以缩小,这尤其对于喷涂成型后需要复合软泡的产品具有特殊的意义,因为在复合操作中,上模夹必须张开90°才能允许混合头和管道进入上下模具间进行喷涂,小型的混合头和小体积的管道则有助于避免发生碰撞。该混合头的流量范围是80~200g/s。自2008年投入生产以来,该生产线一直处于稳定的生产运行之中。
       

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

用于隔音垫的SoliSpray固体流喷涂技术

        图8 一步法生产的纯PUR汽车隔音垫

       

2.加工含75%碳酸钙混合料的喷涂生产线

        意大利Adler公司则是另一家受益于固体流喷涂(Solispray)技术的跨国汽车内饰件企业,其产品主要用于菲亚特、大众保时捷、标志、依维柯和铃木等汽车上。Adler公司在南意大利有一工厂,在该工厂生产的产品中,有一种产品就是用于菲亚特朋多(Grande Punto)车型的隔音垫。使用固体流喷涂工艺之前,该产品采用的生产工艺比较复杂,首先需要吸塑成型PVC片材,然后再复合一层PUR泡沫。采用康隆的喷涂设备和固体流喷涂(Solispray)工艺后,极大地改变了原来的复杂生产模式,只需要简单的操作就可生产出完整的、由一层密实吸能的PUR喷涂层背复一层低密度PUR泡沫的隔音垫。

        这条生产线的构成是:将喷涂和灌注两道工序安排在一条环形线上,环形线上配有几台模车,每台模车负责运载一个模架,上置一个大模具。首先对下模进行喷涂,然后用另一台设备直接向此喷涂成型的表皮上灌注PUR软泡,并闭模成型。经短时间熟化后,即可开模取件。由此成型出的最终产品含有60%~75%的矿物填料,碳酸钙填料与POL的混合比例高达250:100。资料显示,该生产中使用的POL组分在25℃时的粘度达40000cps,加热到80℃时降至16000cps,因此,处理如此高粘度的组分存在一定的技术难度。此外,该生产使用碳酸钙的原因是:研磨性较低、绝缘性相当且比重较小。

总结

        事实表明,康隆集团(Cannon Group)开发的固体流喷涂(SoliSpray)技术在汽车隔音垫的生产中得到了成功应用。该技术可为汽车厂商节省可观的模具成本。如果产品只要求一层表皮(即表皮背后不需要复合PU泡沫),还可以省去模架和上模具的投资费用。尤其是对于大型隔音垫的生产而言,该生产工艺具有极大的便利性。

        利用固体流喷涂(SoliSpray)工艺,汽车厂商能够方便地生产出一般的模塑工艺难以成型的、具有明显厚薄落差的高质量产品。只需配备一套设备,即可满足标准隔音垫的大批量生产需求,同时也能够小批量地生产出特殊的大件产品,如用于卡车、巴士和特种车上的隔音垫。

        目前,康隆集团(Cannon Group)对喷涂技术的研发还在继续,并有了新的研究成果。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则