塑料车窗技术1doc.docx

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塑料车窗技术1doc

塑料车窗技术

1998年，Smart（精灵）小汽车的问世，使塑料首度成为量产汽车车窗的原料。

从此，塑料开始大举入侵此前一直由玻璃的独占的车窗材质领域。

如今，塑料在该领域有三类产品有着显著发展：

◆固定式侧窗

◆透明天窗

◆后窗组建（如：

奔驰C级双门运动跑车），以及车身上那些有深色玻璃质感的配件

塑料制车窗的动机

虽然塑料代替玻璃用于车窗制造的最初动机是通过减轻车体重量来降低油耗，但如今，众多其他因素超越这一原始动机成为更主要的缘由。

汽车的最佳风阻和效率的改进使得减轻重量对于汽车的影响不再那么明显。

每辆车通过使用塑料而减轻30至40公斤重量所产生的作用还不如降低整车重心和优化前后轴负重分配所产生的效果。

这样就提供了探求汽车最佳的动力学表现新的资源，并对于在改善安全性的同时提高驾驶乐趣这一方面起到了实质性的作用。

另外，塑料相较于玻璃有极大的可塑性，因此有些几何形状用塑料可以成形，但对于玻璃甚至在可预见的将来都难以完成。

由于塑料本身较低的硬度，塑料能更好的应用于具有显著结构刚度的复杂几何形态。

尽管塑料硬度低，但在安全性方面优于玻璃。

万一发生碰撞，塑料结构能因其更好的冲击力保持其完整性。

若换成玻璃，结果就相反了（玻璃会本能地破碎）。

塑料的这一特性对维持残存外壳的完整起到了作用。

窗户具有的低模内残余应力以及低分子取向源自于材料、设计和

工艺技术的最佳组合，图片由Battenfeld公司提供

塑料的应用而带来的高度功能性整合也作用于汽车部件生产，通常这都需要精确计算。

通过塑料特有的结合技术诸如多组分注塑成型和搭扣配合等，可以节省生产线上的装配步骤直至最终装配成形。

因此，塑料的应用提供了巨大潜能，尤其在扰流板和灯的整合方面。

充分开拓这一材料的潜力需要材料开发、设计和生产技术之间最佳相互影响。

这几年来所有的参与者都为此不遗余力，与此同时塑料车窗已在ECER43认证项下应用于大批量生产，因而能够满足对于车用玻璃的所有要求。

就材质而言，聚碳酸酯已证明能达到特定等级，可以投放市场满足对安全的特殊要求的应用，例如当暴露于恶劣气候下的稳定性。

它相对于一般所看到的粘结系统，可以显示出更高的纯度和易加工性能。

塑料和比钢相比的低硬度和更高热膨胀性的缺点以被用于创新设计中。

大众公司的1升的原型车上仍一如既往地采用了轻量化设计，

照片由大众公司提供

相关的注模和机械工艺

车用窗户的制造对于注模和机械工艺有相当苛刻的要求。

为了制造光学上高质量的车窗表面，需要大块面模具表面抛光并且在制模过程中不能够有沉积物。

由于机能上的原因，浇口通常采用设置在长边，并设计成为薄膜浇口。

充足的尺寸能确保过程稳定和高质量。

与此同时，也有其他解决方法，比如：

阀式浇口、点浇口亦相继应用。

在压力注塑中运用收缩边能确保制模始终紧贴模具，这样能使成模的表面具有高品质。

精确且均衡的制模温度控制以及对于成模均匀的降温过程对那些需要尺寸精确的低模内残余应力产品是必须的首要条件。

光泽且绝对清洁的模具表面是高质量模具所必需的，图片由

Engel提供

因为制成品的尺寸要求，模具和机械间的完全紧密配合至关重要。

这种相互依赖当然是取决于所采用的特殊注塑制模过程。

对于流动长度/壁厚比率较高的大面积部件，目前采用的有不同的注塑和压缩技术。

从一方面来讲，这样大大降低了填满腔体所需的压力；但从另一面来看，熔融物的抗剪应力降低了，这样将导致分子取向的减弱。

基于这一事实，聚碳酸酯以其柔韧性，现在正作为大片窗户的首选材质。

最小的分子取向是非常重要的，因为分子取向会使这种材质产生不需要的光学效果——显著的双折射。

同样地，没有模内残余应力在光学部件中也是需要的，因为这将降低防刮伤涂层的黏附性，这一点非常必要。

光学研究表明注塑压缩制模相较于传统注塑制模拥有更好的效果。

这也解释了为什么目前唯有注塑压缩制模工艺需要在压缩过程中运用完全平行的压盘，并且在大块窗户上不产生压力波动。

同样，所有机械制造者都信赖双转轴技术。

这样通过多组分注塑制模能使便宜的产品具有较高的综合功能。

此外，15至20吨的联合制模也相应地易于处理。

刚取出模具的成模均衡的温度分布预示着均衡的模

具温度，这对于高品质的成模非常重要。

图片由Engel提供

注塑压缩制模工艺的准备

目前基本上有3种不同的注塑压缩制模工艺正在使用。

其中最传统的注塑压缩工艺是被称作长冲程压缩技术，它适用于夹具中薄壁部件的。

在长冲程压缩工艺中，大约4毫米厚1000毫米长的注塑压缩模具腔体打开到大约与部件相等厚度。

结果是在彻底填满滴剂的过程中需要压力。

随后，机械部分的夹具单元封闭那逐渐扩张的腔体，并将模具压缩分布到熔融物上。

由于部件尺寸较大又因为窗户的边缘浇口需要，在填筑和压缩过程中产生了必须消除的不匀称现象。

通过这里描述的技术，可以用平行压盘控制移动压盘的方法来实现对四个尖轨连接杆上的液压缸内的压力调节。

另一个以低模内残余应力制造窗户的注塑压力制模的变体是膨胀压缩技术，由Krauss-MaffeiKunststofftechnik股份有限公司提供（慕尼黑/德国）。

在一开始注塑是模具是完全关闭的，若低于最终所需厚度时也可能关闭腔体。

这种方法的优点在于：

解决了造成边缘浇口问题的射流现象。

当腔体填充完全以后，部件厚度在压力的控制下随腔体变大而增加，通过引入额外的熔融物予以一定的压缩。

一旦达到所需的压缩时，浇口就关闭，压缩力开始生效，来阻止塑料的收缩，就像分布于大面积上的保持压力。

为了精密控制部件成形，夹具单元的冲程必须仔细监控。

Freeglass股份有限公司（Schwaikheim/德国）使用这一技术已经生产一系列固定式侧窗和车顶。

内应力效果图：

注塑压缩制模测试样本几乎无应力（左），这证明了该

过程优于常规注塑制模（右），图片由Engel提供

针对与长流程，Battenfeld股份有限公司（Meinerzhagen/德国）与Summerer技术（Rimsting/德国）合作开发出IMP-more工艺，并于2003年NPE展上初次对公众展示。

基本原理类似流体交叉部分的定相扩大（phasedenlargingoftheflowcross-section），这种扩大通过腔体的楔形开口实现。

倾斜夹具单元的移动压盘和腔体表面至比模具风口前几度。

机械压盘的关闭也延迟到注塑开始后。

通过楔形口的变窄，腔体以非常低的压力罐满。

正如同K2004展览上所展示的一块约1平方米的展示窗，这一工艺过程能使大面积窗户的注塑制模在很低的模具内残余应力下得以完成。

楔形压缩口封口和边缘浇口的结合会产生模内不均匀的开模力。

它们在模具中结合的液压柱辅助下得以消除，使机械部分有明显一致的开模力。

机械连杆在制模过程中从固定压盘中缩回，产生了良好的通道，使得用机器人技术拆下成模部分成为可能。

熔融质量是成功的要素

熔融准备对于高质量的成模部件至关重要。

在熔融过程中，特别要注意别面黑斑。

适合的螺丝形状和恰当的单向阀的选用对此相当重要。

因为聚碳酸酯有黏附机械螺丝并将其破坏的倾向，对螺丝的材质选择要加以特别重视。

镀铬和硬表面螺丝以及表面涂层螺丝已经被成功地应用。

作为研究项目，Battenfeld股份有限公司（Meinerzhagen/德国），MetaplasIononOber-flaechenveredlungstechnik股份有限公司（Bergish-Gladbach），Ticona股份有限公司（法兰克福）和Wahloptoparts股份有限公司（Triptis），材料科学部门，塑料工艺学院（RWTH大学和亚琛市），已经投资了进行了不同的表面涂层的研究以应用于制塑部件，提供光学部件注塑制模所需的稳定性。

这一项目的宗旨是创造一种适用于任何塑料树脂的最稳定的涂层系统，同时也具有最佳的综合特性。

对于这一目标，不同的PVD涂层系统在光学级树脂加工中的表现各具不同的特征。

尤其对于螺丝表面黏附趋势是予以负面评价的。

汽车的全景天窗里，玻璃和塑料元素完美地交互补充，图片由Bayer材料科学提供

表面处理的种类

考虑到当暴露于环境（抗紫外线的稳定性）和化学品中（洗车清洁剂、盐等等）稳定性的要求，和塑料车窗的耐磨性的要求，目前仅能通过附加的表面涂层予以满足。

这种涂层，主要有三种，且它们之间亦能相互联合。

保护性涂层可以作为溶液（液体）应用，从气相中沉淀或者作为薄膜应用。

目前作为溶液的应用是最为普遍采用的技术。

这一技术首先被用于车头灯镜片的大批量生产，也可以通过常规方法应用于感光底层（例如变色，浸渍，喷涂）。

塑化可以通过热力或者紫外辐射实现。

因为光学涂层严格的质量要求，净室条件是必须的。

起初，硅基聚合物涂层应用于防擦伤表面。

最初的溶液含有高比例溶剂能够在室温下迅速蒸发。

然后涂层固化成类玻璃薄膜。

硅基聚合物链上的羟基、烷氧基团浓缩成三维立体上交联甲基二氧化硅薄膜。

依据典型的热固化系统，涂层在120至130摄氏度时发生交联，持续30至60分钟。

市场上还有紫外固化系统，但它们的抗刮擦性和暴露于气候环境下的稳定性（耐气候性）低于热固化系统。

Battenfeld公司借IMPmore工艺引进了一种有楔形压缩口的全新

注塑压缩制模原理。

图片由Battenfeld公司提供

典型的涂层开始于薄膜底漆，它能保证脆弱的防刮薄膜很好的黏附在柔软的PC上。

相对稍厚的抗刮擦涂层作为第二层。

两层底漆和抗刮擦顶部涂层含有紫外线吸收体和紫外线稳定剂，能保证该系统暴露于气候条件下的稳定性。

膜的厚度介于5至15μm。

为了减少工艺时间，无底漆防刮擦涂层在近年来得以发展。

因为一个固化过程被除去，节约了相当多的成本。

在工业实践中，GEBayer硅树脂股份有限公司（Leverkusen）PHC578,AS4000以及AS4700涂层系统被广泛认同（例如：

Smart精灵汽车的车头灯镜片和三角边窗，C级车的后窗）。

这些涂层能够满足汽车工业的要求并且正门了它们本身在实际使用中的长期稳定性，即便它们抗刮擦和紫外稳定性低于玻璃产品。

连杆从固定压盘上的缩回加大了磨具的通道，产生了能使拆卸机器人进入

的空间。

图片由Battenfeld公司提供

这种涂层的防刮擦能力可以通过加入纳米微粒（直径小于40纳米）的方法予以提高到与玻璃制品相同的水准。

所使用到的纳米微粒为散布于有机化合物中的金属氧化物（如：

二氧化硅，氧化铝）。

由于这些微粒非常小，它们不折射光线，所以涂层仍保持透明。

纳米微粒在狭窄尺寸分布范围内的稳定分布的重大困难已经被克服。

目前，已经能在经济的条件下得以实现，因此现含有纳米微粒的防刮擦涂层正被积极推行。

例如，HanseChemie德国公司（Geesthacht）混合了含纳米微粒占质量百分比50的涂层系统，并采用紫外固化。

此涂层能够防紫外线，并且已用于普通工艺。

将来，还会有许多有趣的发展。

防括擦薄膜不仅能从溶液中沉积出来，也能从气相中得到（PVD：

物理蒸汽沉降；PECVD：

化学辅助气相沉积）。

通过这些技术，金属氧化物、硅树脂或者有机硅化合物在一个低压过程中蒸发，并且从气相中沉积成为防刮擦薄膜。

然而在PECVD过程中，化学反应取代了气相，制成了防刮擦薄膜。

用这些涂层技术制成的防刮和其他表面保护和纯玻璃相比较，具有竞争力。

但是紫外线能穿透涂层，因此额外的防紫外涂层就十分必要了。

到目前为止，还不能通过PVD或者PECVD的方法比较经济地制备这种涂层。

Exate股份有限公司（Bergisch-Gladach）通过在塑料上先使用防紫外涂层作为底漆然后使用PEVCD抗刮擦涂层的方法解决了这一难题，这种方法称为Exatec900上光系统。

据制造商那里得到的信息，这种涂层能保证即使暴露于气候环境中10年多仍然稳定。

该系统的设备非常昂贵，因为这项工艺涉及到涂层以及真空技术。

基于此原因，这项工艺只有在制造塑料车窗的其他决定性要素都具备后方能得以经济地实现操作，并减低该系统的成本。

至此，仅有极少量的原型车装备了此系统。

预测显示塑料制车窗的巨大增长，由int统计

薄膜应用的功能性统合

塑料车窗上薄膜的应用预示着制造防刮表面的最终可能。

例如使用PMMA薄膜，就能显著增加防刮性能。

若是薄膜中还含有紫外吸收剂，那就还可以是薄膜下的塑料受到防紫外辐射的保护。

可惜PMMA抗刮薄膜不具备这一性能。

因此，有必要在薄膜上再多加一层而外的防刮擦涂层。

功能性整合的可能性已经由KRD涂层股份有限公司（Geesthacht）在一原型汽车的后窗上得以示范。

该防紫外线高清晰度薄膜是由细加热线系统和含紫外吸收剂涂层的薄膜，已经应用于塑料车窗。

目前，虽然仍旧无法经济地大批量生产这种车窗，但这清楚地显示将来的发展潜能。

对于仍比普通玻璃车窗昂贵的塑料车窗，若要成为经济上可行的产物，必须要综合额外的高附加值。

它们不能够仅仅满足于薄膜的最基本要求，诸如防刮、防化学、抗紫外。

它们必须提供附加功能，例如防紫外线高清晰度薄膜，电磁屏蔽功能。

目前的挑战在于用最少的三维几何步骤来综合这众多的性能。

据决定性意义的有效物流链

有效并且慎重考虑的物流链对于这整个过程在经济上，对于这个多步骤制造工艺，对于其产品的质量都具有非常重要的意义。

其中特别包含如下几点：

由于产品特性对全部制造过程中的清洁要求、从模具中取出成模、后续操作。

依据Krauss-Maffei的分析，采用注塑制模工艺用聚碳酸酯制造光学产品的总不良率低于5%。

相对重要的是烘干和原料运输的不良率（33%）以及原料生产和包装的不良率（62%）。

即使不考虑这些在制造汽车窗户过程中的具体数据所显示的价值，很明显，仍然有众多的不良溯源必须予以消除。

无论是谁将面对这一挑战，他都将身处一个有着巨大潜能的市场和相对较高的增长率。