CN121515519A - 一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车饰件加工技术领域，具体涉及一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法，所述工艺包括将多层异质梯度增强骨架结构铺设于HP‑RTM模具型腔，通过真空吸附和可降解纤维定位销固定；按质量比85:6:4:3:2混合材料ε－己内酰胺单体、C10引发剂、C20P催化剂、有机改性纳米蒙脱土，以及γ‑氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，经过超声分散形成纳米功能化树脂体系；将模具预热至145‑155℃，启动HP‑RTM设备执行梯度压力分步注射，浸润后保温保压4—6min，完成阴离子开环聚合；开模取出成型件，随后执行双梯度固化，最后经激光精整后，得到轻量化汽车饰件。通过“超声辅助分步注射成型、双梯度后固化”的协同创新，解决高纤维含量浸润不充分、界面结合弱、内应力大的问题。

Description

一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法

技术领域

本发明属于汽车饰件加工技术领域，具体涉及一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法，适用于高端汽车内外饰承力部件，尤其适配对强度、轻量化、尺寸精度要求严苛的新能源汽车场景。

背景技术

汽车饰件的轻量化与高强度协同需求已进入“克级减重、兆帕级提强”的精细化阶段，现有复合成型技术存在三大核心问题：

1.高纤维含量增强骨架的树脂浸润难题，传统高压RTM虽能提升浸润效率，但单一纤维织物的纤维堆积密度不均，易导致芯层“干纤维”缺陷，孔隙率难以降至0.3%以下；

2.原位聚合树脂与纤维的界面结合薄弱，纯ε－己内酰胺聚合树脂的极性与碳纤维表面惰性存在适配矛盾，层间剪切强度难以提升；

3.聚合反应与成型过程的内应力累积，温度引发的原位聚合易产生反应不均，叠加树脂－纤维的热膨胀系数差异，导致饰件尺寸精度误差超±0.1mm，翘曲变形风险高。

鉴于此，本发明提出了一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法，通过“多层异质梯度增强骨架、纳米功能化原位聚合树脂、超声辅助分步注射成型、双梯度后固化”的全链条协同创新，解决高纤维含量浸润不充分、界面结合弱、内应力大、成本高的核心痛点，实现饰件性能的跨越式提升。

具体技术方案包括以下步骤：

S1：将多层异质梯度增强骨架结构铺设于HP-RTM模具型腔，通过真空吸附和可降解纤维定位销固定；

S2：按质量比85:6:4:3:2混合材料ε－己内酰胺单体、C10引发剂、C20P催化剂、有机改性纳米蒙脱土，以及γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，经过超声分散形成纳米功能化树脂体系；

S3：将模具预热至145-155℃，启动HP-RTM设备执行梯度压力分步注射，浸润后保温保压4—6min，完成阴离子开环聚合；

S4：开模取出成型件，随后执行双梯度固化，最后经激光精整后，得到轻量化汽车饰件。

其中，步骤S1中所述多层异质梯度增强骨架包括表层织物纤维、中间玻纤/碳纤维混编层，以及底层织物纤维，所述表层织物纤维体积分数45%—50%、中间玻纤/碳纤维混编层体积分数40%—42%、底层织物纤维体积分数43%—45%。

其次，步骤S2中混合材料需要在125-135℃下超声分散12—18min，以形成低粘度、水分含量≤0.08wt%的纳米功能化树脂体系。

进一步的，步骤S3中所述梯度压力分步注射分为三个阶段；

第一阶段以30-40bar压力注射树脂浸润表层织物，浸润时间20—25s；

第二阶段升压至80-100bar填充中间混编层及底层织物，浸润时间30—35s；

第三阶段保压100-120bar；注射全程同步施加超声振动，频率25-30kHz，功率60—80W。

其中，模具型腔设有自适应导流槽，槽宽随纤维体积分数梯度变化，其中表层槽宽2mm，中间槽宽3mm，底层槽宽2.5mm。

优选的，步骤S4中所述双梯度固化分为两个阶段；其中，第一阶段在105-115℃下施加20kHz超声波，保温70min；其次，第二阶段在135-145℃施加25kHz超声，固化45—55min，固化全程施加0.15-0.25MPa保压压力。

其中，步骤S2中所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂通过水解生成羟基，与纳米蒙脱土及纤维表面羟基形成化学键合。

其次，步骤S3中所述自适应导流槽内壁设有弹性密封件，树脂注射时随压力变化动态调整槽宽，确保树脂沿预设路径流动，避免纤维移位。

同时，步骤S3中超声振动方向与树脂流动方向垂直，超声功率随注射阶段动态调整其中第一阶段为60W，第二阶段为70W，第三阶段为80W。

进一步的，本发明的加工方法用于制作汽车内外承力轻量化饰件，如汽车门槛梁饰板、座椅滑轨装饰罩、行李架基座等。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.本发明通过纳米功能化树脂与多层异质梯度骨架的协同作用，使饰件拉伸强度、层间剪切强度、抗冲击吸收能量提升，以及热变形温度大幅提升，满足高端汽车承力饰件的严苛要求；

2.本发明轻量化与低缺陷协同达标：高纤维含量（40%—50%）与纳米改性复合材料的高比强度特性，饰件密度降低；超声辅助分步注射与自适应导流槽配合，使饰件孔隙率降至0.15%以下，彻底解决“干纤维”缺陷；

3.本发明尺寸精度与可靠性跃升：通过双梯度超声固化工艺使内应力释放率提升，饰件尺寸精度误差≤±0.08mm，翘曲变形量≤0.03mm/m；通过界面化学键合与多层异质结构设计，使饰件耐湿热老化性能提升，长期使用无分层、开裂风险，使用寿命大幅提升。

附图说明

图1为本发明一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法实施例的成型工序流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”“下”“左”“右”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法，通过“多层异质梯度增强骨架、纳米功能化原位聚合树脂、超声辅助分步注射成型、双梯度后固化”的全链条协同创新，解决高纤维含量浸润不充分、界面结合弱、内应力大、成本高的核心痛点，实现饰件性能的跨越式提升。

具体成型步骤如下：

S1：多层异质梯度增强骨架预制创新设计“表层－中间－底层”三层异质梯度增强结构，精准匹配饰件不同区域的受力需求：

表层：选用30k丝束碳纤维织物，其面密度为320—330g/m²，纤维沿饰件主受力方向取向，纤维体积分数45%—50%，确保表层抗冲击、耐磨性能；

中间层：采用碳纤维/玻纤6:4平纹混编层，其面密度为280—290g/m²，纤维体积分数40%—42%，通过玻纤的低成本特性平衡成本，同时利用混编结构的界面咬合效应提升层间结合稳定性；

底层：选用50k丝束多轴向碳纤维织物，其面密度为300—310g/m²，纤维取向为±45°/0°/90°，纤维体积分数43%—45%，保障底层抗变形与承载能力。

将三层织物按顺序逐层铺设于HP-RTM模具型腔，采用“真空吸附和可降解定位销”双重固定：启动真空系统将型腔真空度抽至≥950mbar，通过负压压实织物；沿骨架边缘及受力关键点布置聚乳酸/淀粉复合材质的定位销，定位稍间距为30—40mm，避免注射过程中纤维移位。定位销后续可通过热水降解移除，无残留杂质。

S2：纳米功能化原位聚合树脂体系制备以ε－己内酰胺为基体单体，突破传统单一聚合体系，引入“纳米增强+界面改性”双重功能组分：按质量比85:6:4:3:2混合ε－己内酰胺单体、C10引发剂、C20P催化剂、有机改性纳米蒙脱土、γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂。将混合体系置于温控反应釜中，升温至125-135℃，同时施加28-35kHz、80—100W的超声分散处理12—18min：超声振动既促进纳米蒙脱土均匀分散避免团聚，又加速偶联剂水解生成羟基。最终形成低粘度（2-3mPa・s）、水分含量≤0.08wt%的纳米功能化树脂体系——纳米蒙脱土可提升树脂模量与耐热性，偶联剂的羟基与纤维表面羟基、纳米蒙脱土羟基形成化学键合，从根源解决界面结合薄弱问题。

若需进一步提升导热与抗冲击性能，可额外添加1-2wt%的碳纳米管，与纳米蒙脱土形成协同增强效应。

S3：超声辅助分步注射－原位聚合成型针对三层梯度增强骨架的纤维体积分数差异，创新设计“分步注射-梯度压力+超声辅助”一体化工艺，配合自适应导流槽模具，实现精准浸润：

模具预处理：将HP-RTM模具预热至145-155℃，模具型腔设有自适应导流槽，其槽宽随纤维体积分数梯度变化（表层2mm→中间3mm→底层2.5mm），槽内壁弹性密封件可随注射压力动态调整槽宽，确保树脂沿预设路径流动，避免纤维移位；

分步注射：

第一阶段：以30-40bar低压注射树脂，优先浸润表层高纤维含量区域，浸润时间20—25s，避免高压冲击导致纤维倒伏；

第二阶段：升压至80-100bar，快速填充中间混编层及底层多轴向织物区域，浸润时间30—35s，利用高压突破芯层纤维堆积造成的流动阻力；

第三阶段：保压100-120bar，确保树脂充分渗透至纤维间隙；

超声辅助引发：注射全程同步施加超声振动（方向与树脂流动方向垂直），功率随阶段动态调整（60W→70W→80W）：超声振动可降低树脂粘度、促进分子扩散，同时作为原位聚合的“辅助引发源”，使聚合反应从纤维表面与树脂内部同步启动，避免反应不均导致的内应力累积；

原位聚合：保温保压4—6min，ε－己内酰胺在增强骨架中原位完成阴离子开环聚合，形成纳米蒙脱土改性PA6/碳纤维（PA6/CF/MMT）复合结构。

S4：超声辅助梯度后固化与精准精整创新采用“超声+温度”双梯度固化工艺，配合飞秒激光精整，最大化释放内应力、提升尺寸精度：

定位销移除：开模取出成型件，放入80-90℃热水中浸泡5—8min，可降解定位销完全降解（降解率≥95%），冲洗后无残留；

双梯度固化：将成型件送入超声辅助固化烘箱，执行两阶段工艺：

第一阶段：105-115℃+20kHz超声保温70min，缓慢促进聚合反应收尾，初步释放界面内应力；

第二阶段：升温至135-145℃+25kHz超声固化45—55min，提升树脂交联密度，同时超声振动加速层间内应力释放；

固化全程施加0.15-0.25MPa保压压力，避免聚合收缩导致的变形；

飞秒激光精整：采用800—1000W功率、30—40mm/s速度的飞秒激光设备，光斑直径50-80μm，对饰件边缘及表面进行精整，去除毛刺、飞边及残留树脂，最终饰件边缘垂直度误差≤0.05mm，表面粗糙度Ra≤0.3μm，尺寸精度误差≤±0.08mm。

实施例一：

一种轻量化汽车饰件及其加工成型方法，包括以下步骤：

S1：多层异质梯度增强骨架预制：表层采用30k单向碳纤维织物（面密度325g/m²，纤维体积分数48%），中间层为碳纤维/玻纤6:4平纹混编层（面密度285g/m²，纤维体积分数41%），底层为50k多轴向碳纤维织物（面密度305g/m²，纤维体积分数44%）；三层织物铺设后，真空抽至960mbar，布置聚乳酸/淀粉定位销（间距35mm）；

S2：纳米功能化原位聚合树脂体系制备：按质量比85:6:4:3:2混合ε－己内酰胺、C10引发剂、C20P催化剂、有机改性纳米蒙脱土（30nm，层间距35nm）、γ-氨丙基三乙氧基硅烷，130℃下30kHz、90W超声分散15min，树脂黏度2.5mPa・s，水分含量0.06wt%；

S3：超声辅助分步注射－原位聚合成型：模具预热至150℃，自适应导流槽表层宽2mm、中间3mm、底层2.5mm；第一阶段35bar注射22s，第二阶段90bar注射32s，第三阶段110bar保压；超声功率60W→70W→80W，频率28kHz；保温保压5min；

S4：超声辅助梯度后固化与精准精整：85℃热水浸泡6min移除定位销；110℃+20kHz超声保温70min，140℃+25kHz超声固化50min，保压0.2MPa；飞秒激光精整（功率900W，速度35mm/s，光斑70μm）。

最终饰件性能：密度0.82g/cm³，拉伸强度565MPa，层间剪切强度49.2MPa，孔隙率0.12%，尺寸精度误差±0.07mm，表面粗糙度Ra=0.28μm，耐湿热老化1000h后强度保留率92%。

实施例二：参照实施例1，仅调整以下参数：S2：添加1.5wt%碳纳米管（直径15nm，长度8μm），超声分散时间延长至18min；S3：模具预热至155℃，第三阶段保压120bar；S4：飞秒激光精整功率1000W，速度40mm/s。

最终饰件性能：密度0.83g/cm³，拉伸强度582MPa，层间剪切强度51.5MPa，导热系数提升至1.8W/(m・K），抗冲击吸收能量提升40%。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将多层异质梯度增强骨架结构铺设于HP-RTM模具型腔，通过真空吸附和可降解纤维定位销固定；

S2：按质量比85:6:4:3:2混合材料ε－己内酰胺单体、C10引发剂、C20P催化剂、有机改性纳米蒙脱土，以及γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，经过超声分散形成纳米功能化树脂体系；

S3：将模具预热至145-155℃，启动HP-RTM设备执行梯度压力分步注射，浸润后保温保压4—6min，完成阴离子开环聚合；

S4：开模取出成型件，随后执行双梯度固化，最后经激光精整后，得到轻量化汽车饰件。

2.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S1中所述多层异质梯度增强骨架包括表层织物纤维、中间玻纤/碳纤维混编层，以及底层织物纤维，所述表层织物纤维体积分数45%—50%、中间玻纤/碳纤维混编层体积分数40%—42%、底层织物纤维体积分数43%—45%。

3.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S2中混合材料需要在125-135℃下超声分散12—18min，以形成低粘度、水分含量≤0.08wt%的纳米功能化树脂体系。

4.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S3中所述梯度压力分步注射分为三个阶段；

第一阶段以30-40bar压力注射树脂浸润表层织物，浸润时间20—25s；

第二阶段升压至80-100bar填充中间混编层及底层织物，浸润时间30—35s；

第三阶段保压100-120bar；注射全程同步施加超声振动，频率25-30kHz，功率60—80W。

5.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

所述模具型腔设有自适应导流槽，槽宽随纤维体积分数梯度变化，其中表层槽宽2mm，中间槽宽3mm，底层槽宽2.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S4中所述双梯度固化分为两个阶段；其中，第一阶段在105-115℃下施加20kHz超声波，保温70min；其次，第二阶段在135-145℃施加25kHz超声，固化45—55min，固化全程施加0.15-0.25MPa保压压力。

7.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S2中所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂通过水解生成羟基，与纳米蒙脱土及纤维表面羟基形成化学键合。

8.根据权利要求5所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S3中所述自适应导流槽内壁设有弹性密封件，树脂注射时随压力变化动态调整槽宽，确保树脂沿预设路径流动，避免纤维移位。

9.根据权利要求1所述的一种轻量化汽车饰件的加工成型方法，其特征在于：

步骤S3中超声振动方向与树脂流动方向垂直，超声功率随注射阶段动态调整其中第一阶段为60W，第二阶段为70W，第三阶段为80W。