塑料車窗技術

1、塑料車窗技術1998年，Smart （精靈）小汽車的問世，使塑料首度成為量 產汽車車窗的原料。從此，塑料開始大舉入侵此前一直由玻 璃的獨占的車窗材質領域。如今，塑料在該領域有三類產品 有著顯著發(fā)展：固定式側窗透明天窗后窗組建（如：奔馳 C級雙門運動跑車），以及車身上那些有深色玻璃質感的配件塑料制車窗的動機雖然塑料代替玻璃用于車窗制造的最初動機是通過減輕車 體重量來降低油耗，但如今，眾多其他因素超越這一原始動 機成為更主要的緣由。汽車的最佳風阻和效率的改進使得減 輕重量對于汽車的影響不再那么明顯。每輛車通過使用塑料 而減輕30至40公斤重量所產生的作用還不如降低整車重心 和優(yōu)化前后軸負重分配所產

2、生的效果。這樣就提供了探求汽 車最佳的動力學表現新的資源，并對于在改善安全性的同時 提高駕駛樂趣這一方面起到了實質性的作用。另外，塑料相較于玻璃有極大的可塑性，因此有些幾何形狀 用塑料可以成形，但對于玻璃甚至在可預見的將來都難以完 成。由于塑料本身較低的硬度，塑料能更好的應用于具有顯 著結構剛度的復雜幾何形態(tài)。盡管塑料硬度低，但在安全性 方面優(yōu)于玻璃。萬一發(fā)生碰撞，塑料結構能因其更好的沖擊 力保持其完整性。若換成玻璃，結果就相反了（玻璃會本能 地破碎）。塑料的這一特性對維持殘存外殼的完整起到了作 用。窗戶具有的低模內殘余應力以及低分子取向源自于材料、設計和工藝技術的最佳組合，圖片由 Batte

3、nfeld公司提供 塑料的應用而帶來的高度功能性整合也作用于汽車部件生 產，通常這都需要精確計算。通過塑料特有的結合技術諸如 多組分注塑成型和搭扣配合等，可以節(jié)省生產線上的裝配步 驟直至最終裝配成形。因此，塑料的應用提供了巨大潛能， 尤其在擾流板和燈的整合方面。充分開拓這一材料的潛力需要材料開發(fā)、設計和生產技術之 間最佳相互影響。這幾年來所有的參與者都為此不遺余力， 與此同時塑料車窗已在 ECE R43認證項下應用于大批量生 產，因而能夠滿足對于車用玻璃的所有要求。就材質而言， 聚碳酸酯已證明能達到特定等級，可以投放市場滿足對安全 的特殊要求的應用，例如當暴露于惡劣氣候下的穩(wěn)定性。它 相對于一

4、般所看到的粘結系統(tǒng)，可以顯示出更高的純度和易 加工性能。塑料和比鋼相比的低硬度和更高熱膨脹性的缺點 以被用于創(chuàng)新設計中。大眾公司的1升的原型車上仍一如既往地采用了輕量化設計，照片由大眾公司提供相關的注模和機械工藝車用窗戶的制造對于注模和機械工藝有相當苛刻的要求。為 了制造光學上高質量的車窗表面，需要大塊面模具表面拋光 并且在制模過程中不能夠有沉積物。由于機能上的原因，澆 口通常采用設置在長邊，并設計成為薄膜澆口。充足的尺寸 能確保過程穩(wěn)定和高質量。與此同時，也有其他解決方法， 比如：閥式澆口、點澆口亦相繼應用。在壓力注塑中運用收 縮邊能確保制模始終緊貼模具，這樣能使成模的表面具有高 品質。精確

5、且均衡的制模溫度控制以及對于成模均勻的降溫 過程對那些需要尺寸精確的低模內殘余應力產品是必須的 首要條件。光澤且絕對清潔的模具表面是高質量模具所必需的，圖片由Engel提供因為制成品的尺寸要求，模具和機械間的完全緊密配合至關 重要。這種相互依賴當然是取決于所采用的特殊注塑制模過 程。對于流動長度/壁厚比率較高的大面積部件，目前采用的有不同的注塑和壓縮技術。從一方面來講，這樣大大降低了 填滿腔體所需的壓力；但從另一面來看，熔融物的抗剪應力 降低了，這樣將導致分子取向的減弱?；谶@一事實，聚碳 酸酯以其柔韌性，現在正作為大片窗戶的首選材質。最小的 分子取向是非常重要的，因為分子取向會使這種材質產生

6、不 需要的光學效果 一一顯著的雙折射。同樣地，沒有模內殘余應力在光學部件中也是需要的，因為 這將降低防刮傷涂層的黏附性，這一點非常必要。光學研究 表明注塑壓縮制模相較于傳統(tǒng)注塑制模擁有更好的效果。這 也解釋了為什么目前唯有注塑壓縮制模工藝需要在壓縮過 程中運用完全平行的壓盤，并且在大塊窗戶上不產生壓力波 動。同樣，所有機械制造者都信賴雙轉軸技術。這樣通過多 組分注塑制模能使便宜的產品具有較高的綜合功能。此外，15至20噸的聯合制模也相應地易于處理剛取出模具的成模均衡的溫度分布預示著均衡的模 具溫度，這對于高品質的成模非常重要。圖片由 Engel提供注塑壓縮制模工藝的準備目前基本上有3種不同的注

7、塑壓縮制模工藝正在使用。其中 最傳統(tǒng)的注塑壓縮工藝是被稱作長沖程壓縮技術，它適用于夾具中薄壁部件的。在長沖程壓縮工藝中，大約4毫米厚1000毫米長的注塑壓縮模具腔體打開到大約與部件相等厚 度。結果是在徹底填滿滴劑的過程中需要壓力。隨后，機械 部分的夾具單元封閉那逐漸擴張的腔體，并將模具壓縮分布 到熔融物上。由于部件尺寸較大又因為窗戶的邊緣澆口需 要，在填筑和壓縮過程中產生了必須消除的不勻稱現象。通 過這里描述的技術，可以用平行壓盤控制移動壓盤的方法來 實現對四個尖軌連接桿上的液壓缸內的壓力調節(jié)。另一個以低模內殘余應力制造窗戶的注塑壓力制模的變體是膨脹壓縮技術，由 Krauss-Maffei K

8、unststofftechnik股份有 限公司提供（慕尼黑/德國）。在一開始注塑是模具是完全關 閉的，若低于最終所需厚度時也可能關閉腔體。這種方法的 優(yōu)點在于：解決了造成邊緣澆口問題的射流現象。當腔體填 充完全以后，部件厚度在壓力的控制下隨腔體變大而增加， 通過引入額外的熔融物予以一定的壓縮。一旦達到所需的壓 縮時，澆口就關閉，壓縮力開始生效，來阻止塑料的收縮， 就像分布于大面積上的保持壓力。為了精密控制部件成形， 夾具單元的沖程必須仔細監(jiān)控。Freeglass股份有限公司（Schwaikheim/德國）使用這一技術已經生產一系列固定式側窗 和車頂。內應力效果圖：注塑壓縮制模測試樣本幾乎無應力

9、（左），這證明了該過程優(yōu)于常規(guī)注塑制模（右），圖片由Engel提供針對與長流程，Battenfeld股份有限公司（Meinerzhagen/德國） 與Summerer技術（Rimsting/德國）合作開發(fā)出IMP-more工 藝，并于2003年NPE展上初次對公眾展示?；驹眍愃?流體交叉部分的定相擴大（ phased enlarging of the flow cr oss-section），這種擴大通過腔體的楔形開口實現。傾斜夾具單元的移動壓盤和腔體表面至比模具風口前幾度。機械壓盤 的關閉也延遲到注塑開始后。通過楔形口的變窄，腔體以非 常低的壓力罐滿。正如同K2004展覽上所展示的一塊約

10、 1平 方米的展示窗，這一工藝過程能使大面積窗戶的注塑制模在 很低的模具內殘余應力下得以完成。楔形壓縮口封口和邊緣 澆口的結合會產生模內不均勻的開模力。它們在模具中結合 的液壓柱輔助下得以消除，使機械部分有明顯一致的開模 力。機械連桿在制模過程中從固定壓盤中縮回，產生了良好 的通道，使得用機器人技術拆下成模部分成為可能。熔融質量是成功的要素熔融準備對于高質量的成模部件至關重要。在熔融過程中， 特別要注意別面黑斑。適合的螺絲形狀和恰當的單向閥的選 用對此相當重要。因為聚碳酸酯有黏附機械螺絲并將其破壞 的傾向，對螺絲的材質選擇要加以特別重視。鍍鉻和硬表面 螺絲以及表面涂層螺絲已經被成功地應用。作為

11、研究項目，Battenfeld股份有限公司（Meinerzhagen/德 國） ，Metaplas lonon Ober-flaechenveredlungstechnik 股份有 限公司（Bergish-Gladbach），Ticona股份有限公司（法蘭克福） 和Wahl optoparts股份有限公司（Triptis ），材料科學部門， 塑料工藝學院（RWTH大學和亞琛市），已經投資了進行了 不同的表面涂層的研究以應用于制塑部件，提供光學部件注 塑制模所需的穩(wěn)定性。這一項目的宗旨是創(chuàng)造一種適用于任 何塑料樹脂的最穩(wěn)定的涂層系統(tǒng)，同時也具有最佳的綜合特 性。對于這一目標，不同的 PVD涂層系

12、統(tǒng)在光學級樹脂加 工中的表現各具不同的特征。尤其對于螺絲表面黏附趨勢是 予以負面評價的。汽車的全景天窗里，玻璃和塑料元素完美地交互補充，圖片由Bayer材料科學提供表面處理的種類考慮到當暴露于環(huán)境（抗紫外線的穩(wěn)定性）和化學品中（洗 車清潔劑、鹽等等）穩(wěn)定性的要求，和塑料車窗的耐磨性的 要求，目前僅能通過附加的表面涂層予以滿足。這種涂層， 主要有三種，且它們之間亦能相互聯合。保護性涂層可以作 為溶液（液體）應用，從氣相中沉淀或者作為薄膜應用。目前作為溶液的應用是最為普遍采用的技術。這一技術首先 被用于車頭燈鏡片的大批量生產，也可以通過常規(guī)方法應用 于感光底層（例如變色，浸漬，噴涂）。塑化可以通過

13、熱力 或者紫外輻射實現。因為光學涂層嚴格的質量要求，凈室條 件是必須的。起初，硅基聚合物涂層應用于防擦傷表面。最初的溶液含有 高比例溶劑能夠在室溫下迅速蒸發(fā)。然后涂層固化成類玻璃 薄膜。硅基聚合物鏈上的羥基、烷氧基團濃縮成三維立體上交聯甲基二氧化硅薄膜。依據典型的熱固化系統(tǒng)，涂層在120至130攝氏度時發(fā)生交聯， 持續(xù)30至60分鐘。市場上還 有紫外固化系統(tǒng)，但它們的抗刮擦性和暴露于氣候環(huán)境下的 穩(wěn)定性（耐氣候性）低于熱固化系統(tǒng)。Battenfeld公司借IMPmore工藝引進了一種有楔形壓縮口的全新注塑壓縮制模原理。圖片由 Battenfeld公司提供典型的涂層開始于薄膜底漆，它能保證脆弱的

14、防刮薄膜很好 的黏附在柔軟的PC上。相對稍厚的抗刮擦涂層作為第二層 兩層底漆和抗刮擦頂部涂層含有紫外線吸收體和紫外線穩(wěn) 定劑，能保證該系統(tǒng)暴露于氣候條件下的穩(wěn)定性。膜的厚度 介于5至15m。為了減少工藝時間，無底漆防刮擦涂層在 近年來得以發(fā)展。因為一個固化過程被除去，節(jié)約了相當多 的成本。在工業(yè)實踐中，GE Bayer硅樹脂股份有限公司（Leverkusen）PHC578, AS4000以及AS4700涂層系統(tǒng)被廣泛認同（例如：Smart精靈汽車的車頭燈鏡片和三角邊窗，C級車的后窗）。這 些涂層能夠滿足汽車工業(yè)的要求并且正門了它們本身在實 際使用中的長期穩(wěn)定性，即便它們抗刮擦和紫外穩(wěn)定性低于

15、玻璃產品連桿從固定壓盤上的縮回加大了磨具的通道，產生了能使拆卸機器人進入的空間。圖片由Battenfeld公司提供這種涂層的防刮擦能力可以通過加入納米微粒（直徑小于40納米）的方法予以提高到與玻璃制品相同的水準。所使用 到的納米微粒為散布于有機化合物中的金屬氧化物（如：二 氧化硅，氧化鋁）。由于這些微粒非常小，它們不折射光線，所以涂層仍保持透明。納米微粒在狹窄尺寸分布范圍內的穩(wěn) 定分布的重大困難已經被克服。目前，已經能在經濟的條件 下得以實現，因此現含有納米微粒的防刮擦涂層正被積極推 行。例如，Hanse Chemie德國公司（Geesthacht）混合了含 納米微粒占質量百分比 50的涂層系

16、統(tǒng)，并采用紫外固化。 此涂層能夠防紫外線，并且已用于普通工藝。將來，還會有 許多有趣的發(fā)展。防括擦薄膜不僅能從溶液中沉積出來，也能從氣相中得到(PVD :物理蒸汽沉降；PECVD :化學輔助氣相沉積)。通過 這些技術，金屬氧化物、硅樹脂或者有機硅化合物在一個低 壓過程中蒸發(fā)，并且從氣相中沉積成為防刮擦薄膜。然而在 PECVD過程中，化學反應取代了氣相，制成了防刮擦薄膜。 用這些涂層技術制成的防刮和其他表面保護和純玻璃相比 較，具有競爭力。但是紫外線能穿透涂層，因此額外的防紫 外涂層就十分必要了。到目前為止，還不能通過PVD或者PECVD的方法比較經濟地制備這種涂層。Exate股份有限公司(Be

17、rgisch-Gladach )通過在塑料上先使 用防紫外涂層作為底漆然后使用PEVCD抗刮擦涂層的方法解決了這一難題，這種方法稱為Exatec900上光系統(tǒng)。據制造商那里得到的信息，這種涂層能保證即使暴露于氣候環(huán)境 中10年多仍然穩(wěn)定。該系統(tǒng)的設備非常昂貴，因為這項工 藝涉及到涂層以及真空技術?；诖嗽?，這項工藝只有在 制造塑料車窗的其他決定性要素都具備后方能得以經濟地 實現操作，并減低該系統(tǒng)的成本。至此，僅有極少量的原型 車裝備了此系統(tǒng)。預測顯示塑料制車窗的巨大增長，由int統(tǒng)計薄膜應用的功能性統(tǒng)合塑料車窗上薄膜的應用預示著制造防刮表面的最終可能。例 如使用PMMA薄膜，就能顯著增加防刮

18、性能。若是薄膜中 還含有紫外吸收劑，那就還可以是薄膜下的塑料受到防紫外 輻射的保護?？上?PMMA抗刮薄膜不具備這一性能。因此， 有必要在薄膜上再多加一層而外的防刮擦涂層。功能性整合的可能性已經由KRD涂層股份有限公司(Geesthacht)在一原型汽車的后窗上得以示范。該防紫外線高清晰度薄膜是由細加熱線系統(tǒng)和含紫外吸收劑涂層的薄 膜，已經應用于塑料車窗。目前，雖然仍舊無法經濟地大批 量生產這種車窗，但這清楚地顯示將來的發(fā)展?jié)撃?。對于仍比普通玻璃車窗昂貴的塑料車窗，若要成為經濟上可 行的產物，必須要綜合額外的高附加值。它們不能夠僅僅滿 足于薄膜的最基本要求，諸如防刮、防化學、抗紫外。它們 必須提供附加功能，例如防紫外線高清晰度薄膜，電磁屏蔽 功能。目前的挑戰(zhàn)在于用最少的三維幾何步驟來綜合這眾多 的性能。據決定性意義的有效