快速模内仿真表面装饰工艺

技术领域

本发明属于汽车零部件制造工艺领域，具体涉及一种快速模内仿真表面装饰工艺。

背景技术

近年来，汽车工业迅速发展，尤其是轿车的产量和社会保有量一直保持着较高增速，汽车用塑料在满足美观、安全、轻量化等方面起着无法替代的作用，同时汽车新技术也正朝着更环保、更安全、更舒适及个性化方向发展。

目前，汽车装饰件多采用注塑喷涂工艺，整个流程至少包括注塑环节、喷涂环节、以及最终装配环节，而其中每一个单独环节又包括若干个具体的小环节。可见，传统的注塑喷涂工艺步骤繁琐，整个流程较为复杂，这就造成过程耗能高，投入人力、物力成本也很高，且喷涂工艺污染环境、不够环保。另一方面，上述传统的注塑喷涂工艺生产的汽车装饰件，工序繁琐，不良率较高，产品表面质量上也存在不足，例如：零件容易出现“橘皮”、流挂等质量缺陷、产品表面光泽不理想，产品结构及样式单一、零件深度立体感差，不具美感及时尚性。

有鉴于现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种全新的表面装饰工艺——快速模内仿真表面装饰工艺，所述快速模内仿真表面装饰工艺的步骤更少、良品率高、过程能耗及成本更低、所需设备空间更小，且所述快速模内仿真表面装饰工艺得到的装饰件不仅具有高光泽、多角度的立体感微观纹理，同时还具有理想的产品表面硬度、较优的耐刮擦性能及划痕自愈性等方面的优势。此工艺形成的产品表面具有多种结构的有效组合，种类丰富，美感时尚。

发明内容

为了实现上述发明目的，根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺的关键点之一是急冷急热注塑工艺。此技术是在注塑周期内对模具表面温度进行热循环的一种方法。注射前将模具表面温度快速升至材料的玻璃化转变温度(Tg)以上，实施注塑，注塑完毕再快速降低模温至顶出温度。其本质上是成型过程中一种变模温成型工艺。急冷急热注塑工艺采用高模温，提高了原料在模具内流动性，有效消除常规注塑出现的一些缺陷，如熔接痕、玻纤外露、橘皮、气纹等。同时，材料在模具型腔内高流动性，有效地复制模具表面状态，如此成型后的装饰件具有高光泽表面。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺的另一关键点是模内激光纹理技术，即急冷急热模具的模腔内形成有纳米激光纹理或飞秒激光纹理，使得在热塑性基材的注塑过程中，可以在基材上形成具有功能性的微观的纳米或飞秒激光纹理结构。如此，在急冷急热注塑得到的零件上，既有表面高光的效果，又具备纳米或飞秒激光纹理结构，从不同的角度目视具有不同的立体效果和/或颜色效果，注塑件产品美观又时尚。同时，模内的纳米或飞秒激光纹理可定制，产品具有很高的灵活性，可以满足不同的客户需求。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺的又一关键点是反应注射成型工艺，即将传统的喷涂工艺集成到了注射成型工艺中，使得整个零件的生产工艺一步完成，提升了生产效率且节约了成本。具体而言，在反应注射成型工艺中，使用双组份涂料在封闭的注塑模具中对前步注塑完成的基材进行溢流处理，在涂层固化一段时间后，可以将完成的上光部件从模具中弹出。在整个过程中，零件均处于同一模具中，因而可以显著提高零件的质量和尺寸稳定性。

根据本发明的第一方面，一种注塑件的成型工艺，包括如下步骤：将热塑性的基材在第一模腔内采用急冷急热工艺注塑成型为高光注塑件，其中所述第一模腔的内表面预加工有纳米激光纹理或飞秒激光纹理，以使所述高光注塑件具有纳米激光纹理结构或飞秒激光纹理结构；将所述第一模腔急冷并开模，将转台大致旋转180°，将第二模腔合模；在所述第二模腔内采用双组份涂料对所述高光注塑件直接浇涂，所述双组份涂料在所述第二模腔内反应、熟化，以在所述高光注塑件表面形成透明涂层；将所述第二模腔冷却并开模，形成具有纳米或飞秒激光纹理结构且表面耐刮擦的高光注塑件。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，优选地，所述急冷急热工艺包括：在合模前将所述第一模腔的模温快速加热至材料的玻璃化转变温度以上，在温度达到第一设定温度值后实施合模注射；所述合模注射完成后，将所述第一模腔的模温快速降低至顶出温度，在温度达到第二设定温度值后将制件顶出。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，优选地，所述第一模腔的模温快速改变，通过以下方式中的一种或多种进行：水蒸气辅助变模温、水辅助变模温、油辅助变模温、电磁感应变模温。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，优选地，所述第一模腔的水路设计为贴近型腔的随行管道，且水路直径、水管间距及水路至产品的表面距离设计为使得所述第一模腔的表面温度具有一致性。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，优选地，所述第一模腔的模芯采用隔热设计，以防止热量散失及提升加热效率。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，优选地，所述第一模腔设置有温度传感器，以实现模具端、模温机和注塑机之间通过所述温度传感器的反馈形成所述急冷急热工艺的闭环控制。

根据本发明的另一方面，提供一种快速模内仿真表面装饰工艺生产的注塑件，其具有分层结构，包括：基材层，所述基材层采用急冷急热工艺制备且形成为具有纳米激光纹理结构或飞秒激光纹理结构的高光注塑件；透明涂层，所述透明涂层覆盖在所述基材层上且由双组份涂料反应、熟化形成，以提升所述高光注塑件的表面耐刮擦性能，且所述透明涂层还使得具备纳米或飞秒激光纹理结构的所述高光注塑件从不同角度目视具有不同的立体效果和/或颜色效果。

根据本发明的具备激光纹理结构的高光注塑件，优选地，具有纳米或飞秒激光纹理结构的所述基材层和所述透明涂层借助转台一次成型。

根据本发明的具备激光纹理结构的高光注塑件，优选地，所述注塑件的透明涂层的硬度至少达到邵氏D70以上。

根据本发明的具备激光纹理结构的高光注塑件，优选地，所述注塑件的透明涂层具有自愈特性，所产生的划痕经设定温度环境的处理可逐渐消失。

综上所述，本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，具有如下技术关键点，并将各个关键点进行了有机结合：①急冷急热注塑工艺；②模内激光纹理技术；③快速转台涂层工艺。

基于如上技术关键点，本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，相比于现有技术，可以省略诸多原本必不可少的步骤，使得整体工艺流程更短、所需空间更小、人力成本更低、工艺过程能耗更低、良品率高、且工艺过程也更为环保，等等。

上述工艺所生产的注塑件产品，相比于现有技术，也相应具有如下几方面的优势：

(1)急冷急热注塑工艺形成的注塑件具有表面高光特性，且涂层工艺形成的透明涂层具有理想的表面硬度，提升了注塑件产品的表面耐刮擦性能，且表面对于所产生的微小划痕还具有一定的自愈性；

(2)透明涂层与激光纹理相结合，使注塑件整体具有立体纵深效果，产品与功能美学相结合，提高了产品审美质感及时尚性；进一步，若采用飞秒激光纹理，则产品更有层次感，立体效果也更佳，且在不同角度目视的立体效果不同，所产生的色彩和波纹效果也不同，给产品带来了动感、时尚的视觉优势；

(3)模内的激光纹理或飞秒激光纹理的具体样式等方面均可定制，使产品上的纹理选择更为灵活，能够满足多种需求，应用更广，产品整体更具市场竞争力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

在附图中：

图1示出了根据本发明的反应注射成型工艺中的步骤示意图。

图2示出了根据本发明的急冷急热注塑的温度曲线示意图。

图3示出了根据本发明的急冷急热注塑工艺的模具温度控制示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本发明所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

图1示出了根据本发明的反应注射成型工艺中的步骤示意图。在反应注射成型工艺中，将喷涂工艺集成到了注射成型工艺中。具体而言，使用双组份PUR/PUA涂料或涂层材料，在封闭的注塑模具中，对热塑性基材进行溢流固化一段时间后，可以将上光完成的零件从模具中弹出。在整个工艺中，零件实际上处于同一模具中。因此，根据本发明的反应注射成型工艺可以显著提供很高的零件质量和尺寸稳定性。

在根据本发明的注射成型工艺中，PUR采用A&B双组分。以申请人的某一款产品为例，其中A组分可以为多元醇/多胺化合物，具体参见下表1所列；B组分可以为异氰酸酯化合物，具体参见下表2所列。根据产品需要，双组份材料也可以是聚脲或聚氨酯类材料。

表1 PUR中的A组分

表2 PUR中的B组分

本发明的反应注射成型工艺的设备组合，尤其是混合头，可以实现在每个循环中精确的涂覆量。

参见图1所示，在根据本发明的反应注射成型工艺中，主要包括如下步骤：

(1)注射成型热塑性基材；

(2)保压，热塑性塑料冷却；

(3)开模，将转盘旋转约180°，合模；

(4)PUR/PUA注射，同时注射下一个周期的热塑性基材；

(5)PUA/PUR反应，热塑性塑料保压和冷却；

(6)开模，脱模。

相比于传统的塑料喷涂工艺，根据本发明的上述图1所示的反应注射成型工艺在如上诸多方面得到了有效的改进。如我们所知，传统的塑料喷涂工艺，至少应该包括注塑工艺、涂覆工艺、最终装配工艺这三大工艺，而每一工艺又至少包括若干个子步骤。相比之下，根据本发明的反应注射成型工艺在废料方面更少，且能耗低、节约人力，是环境友好型的工艺路线。

根据本发明的上述反应注射成型工艺，可以获得具有不同特性的优化涂层。具体而言，优势至少如下：

·100％不含任何溶剂；

·无需外部脱模剂；

·高度的耐刮擦性能；

·可自由定义的表面硬度；

·可以自我修复的表面；

·极广色彩范围：清晰、彩色或金属效果；

·高抗紫外线性能及耐候性；

·可以实现OEM具体要求。

根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，在反应注射成型工艺中，还可定义涂层厚度，如0.4mm～0.8mm。同时，上述工艺也给涂层的设计带来了更多的灵活性，如透明涂层、彩色涂层、或效果色涂层等等。

此外，根据本发明的快速模内仿真表面装饰工艺的涂层具有自愈性，即在出现细微或小的划痕时，在一定设定的温度环境下具备自修复功能，划痕可逐渐消失。

以下为上述反应注射成型工艺的一个具体实施例：

项目名称：汽车装饰板智能自修复技术研究

零件名称：水杯架面板

原材料：基材PC/ABS表面覆盖的PUR

产品尺寸：109*156*16.5

PC/ABS重量：43g

PC/ABS颜色：黑色

PUR厚度：0.4mm

PUR重量：10克

PUR硬度：邵氏D70

PUR颜色：钢琴黑

所获得的表面进行附着力测试：0级，依照GB/T9286-1998；进行划痕测试：使用ERICHSEN划痕测试仪，针尖直径0.75mm，20N压力，与60℃的热空气接触的表面，划痕立即消失。

图2示出了根据本发明的急冷急热注塑工艺的温度控制曲线。

根据本发明的急冷急热注塑工艺是在注塑周期内对模具表面温度进行热循环的一种方法。注射前，将模具表面温度快速升至材料的玻璃化转变温度(Tg)以上，实施注塑。注塑完毕后，再快速降低模温至顶出温度。成型过程中，采用的变模温成型工艺。根据本发明的工艺采用高模温，提高了原料在模具内的流动性，能够有效复制模具表面状态，同时消除了常规注塑产品表面出现的一些缺陷，如熔接痕、玻纤外露、橘皮、气纹等。由此，成型后的产品表面光泽好，所以又称为高光注塑的工艺。

参见图2，根据本发明的急冷急热注塑成型的工艺路线示例如下：

①开模加热；

②达到第一预定温度后，合模注塑；

③冷却；

④达到第二预定温度后，脱模取件。

根据本发明的急冷急热工艺，相比于传统的注塑工艺，至少具有如下的性能方面优势：

·解决传统注塑产品表面浮纤问题；

·消除传统工艺产品表面熔接痕、应力痕等缺陷；

·高模温，提高材料流动性，有效复制模具表面形态；

·增强产品表面光泽度；

·产品可实现高光注塑与模具激光纹理有效结合；

·产品可实现高光与亚光的有效结合；

·对于高亮黑产品，注塑一步完成，可取消后续的喷漆流程。

根据本发明的急冷急热工艺采用如下变模温介质。

(1)水蒸气辅助变模温技术

上述急冷急热工艺可采用蒸汽加热方式。水蒸气加热传导率较高，升温速度较热水快。

(2)水辅助变温技术

上述急冷急热工艺可采用水辅助变温技术。与蒸汽式、电磁感应加热式相比，设备投入费用较低，温度控制精度高，与标准模温机进行组合，设备通用性较高。

(3)油辅助变温技术

上述急冷急热工艺可采用油辅助变温技术。控制系统与水辅助变模温相同，设备投入费用较低。降温采用水介质，由于加热和冷却介质不同，模具需配备两套循环路径，进行升温和降温循环。

(4)电磁感应变模温辅助成型

上述急冷急热工艺可采用电磁感应变模温辅助成型技术。利用高频感应加热模具表面，加热功率大，升温迅速，可在较短的时间内将模具表面温度升高至200℃以上。

在根据本发明的急冷急热工艺所涉及的设备方面，可包括急冷急热模具、急冷急热高光无痕机、注塑机、软水系统、冷却水塔、空压机组等。其中，例如用于装饰条的高光无痕机设备，则包括ESR控制阀(内部具有两个小型水罐，控制水的进出)、混床、定量泵等零件。

作为示例性实施例，用于装饰条的高光无痕机设备具有如下工作特点：

(1)全封闭系统，采用电加热方式，液态水作为工作介质。将水加热至工作温度，利用水泵送至模具端，设有温度传感器，持续控制水温。

(2)此介质设计避免了将水进行相态转变至蒸汽的高能源耗费，也避免了蒸汽-冷水式变模温工艺中间使用压缩空气将蒸汽吹干这样的额外时间。

(3)高温造成水质变化，电导率上升，易出现水垢和水锈，设备中包含了一套水处理设备(混床、定量泵)，系统补水之前进行水质处理。

急冷急热模具制造方面，本发明具有如下特点。

(1)钢材选择

根据本发明的急冷急热注塑工艺(RHCM)，因模具需要不断的处于冷热循环中，容易产生应力疲劳，因此对模具钢材的选择要考虑耐高温及硬度要求。同时高光产品要求模具表面有良好的抛光性、高纯度、高镜面等优质钢。

(2)水路设计

急冷急热工艺需要模具迅速升温和降温过程，模具型腔表面温度的一致性直接影响产品质量，如水路设计不合理，往往会导致产品变形、色差、局部烧焦等缺陷产生。所以，根据本发明的模具水路，在设计时需要考虑到如下因素：

A)贴近型腔的随形管道设计；

B)水路直径；

C)水管间距；

D)水路至产品表面距离；

E)专用密封圈及水路接头。

(3)模具隔热设计

RHCM工艺模温较高，需要对模芯部分做隔热设计，防止热量散失及提升加热效率。

(4)模具浇口设计

模具浇口设计需考虑尽可能减少熔接线，以及减少材料在注塑时产生剪切，减少在材料表面发生取向，产生流痕。

(5)模具表面温度探测

根据本发明的急冷急热注塑工艺的模具温度控制参见图3所示。

急冷急热工艺采用冷、热水循环方式对模具表面温度进行变模温控制。模具端配有温度传感器，可实现模具端、高光无痕机、注塑机之间形成闭环控制。此控制方式减少了人为的干预和设定。可以通过温度传感器导出的模内实时温度来有效控制整个急冷急热工艺，有效地保证生产的顺利实现。

经发明人研究，要实现免喷涂高光注塑，首先要选择高光泽塑料材料。

对于此种材料的要求包括：

(1)材料本身流动性好，以便更好的复制模具表面；

(2)材料自身具有耐刮擦性，硬度要好；

(3)材料热稳定性要好，不易产生挥发物。提高耐热性减少挥发物挥发，防止腐蚀模具；

(4)材料本身的光泽度要好；

目前生产高光免喷涂材料主要有：高光级ABS、高光级PA、PC、PMMA、PC/ABS、PMMA/ABS等。对于尼龙类材料，由于材料本身是结晶性材料，而且材料具有吸湿特性，成型后易导致产品变形，只能生产小尺寸零件。

根据本发明的急冷急热工艺，相比于传统的塑料喷涂，在各方面的对比详见下表3所列。

表3 传统工艺与急冷急热工艺的对比

根据本发明，模内激光纹理技术，即急冷急热模具的模腔内形成有纳米激光纹理或飞秒激光纹理，使得在热塑性基材的注塑过程中，可以在基材上形成微观的纳米或飞秒激光纹理结构。如此，在急冷急热注塑得到的零件上，既有表面高光的效果，又具备纳米或飞秒激光纹理结构，从不同的角度目视具有不同的立体效果和/或颜色效果，注塑件产品美观又时尚。同时，模内的纳米或飞秒激光纹理可定制，产品具有很高的灵活性，可以满足不同的客户需求。

根据本发明，模内激光3D纹理在加工方式上，主要包括如下流程：

(1)提供与工件尺寸完全符合的模具通用3D图档。

(2)设计所需纹理。

(3)通过软件处理把纹理渲染到需要加工的表面。

(4)通过软件来计算，生成激光加工程序。

(5)加工程序导入机器，将各项参数调节设置好后，直接激光烧灼。

(6)激光加工完成后，模具即可直接生产。

根据本发明，在激光3D纹理的加工原理上，以分层的方式加工，深度和层数形成纹理精度。相同深度，层次越多，加工精度也越高。

除上述介绍的纳米激光纹理外，本发明的模内激光纹理也可以采用飞秒激光技术加工，所形成的飞秒激光纹理更有层次感，立体效果更佳。具体而言，本发明的飞秒激光纹理在不同角度目视的立体效果不同，且由于光衍射等原理所产生的色彩和波纹效果也不同，给产品带来了动感、时尚的视觉优势。

具体而言，模内的飞秒激光纹理的加工可以采用超短脉冲的飞秒激光源、与掺镱的光纤激光器组合进行，可获得较理想的加工品质。这种配置在激光加工过程中几乎没有热影响区域、没有细裂纹、也没有重融层，不会产生毛刺，无需后续处理工序即可获得清洁、清晰及高锐度和高立体感的纹理效果。

综上所述，本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，具有如下技术关键点，并将各个关键点进行了有机结合：①急冷急热注塑工艺；②模内激光纹理技术；③快速转台涂层工艺。

基于如上技术关键点，本发明的快速模内仿真表面装饰工艺，相比于现有技术，可以省略诸多原本必不可少的步骤，使得整体工艺流程更短、所需空间更小、人力成本更低、工艺能耗更低、且工艺过程也更为环保，等等。

上述工艺所生产的注塑件产品，相比于现有技术，也相应具有如下几方面的优势：

(1)急冷急热注塑工艺形成的注塑件具有表面高光特性，且涂层工艺形成的透明涂层具有理想的表面硬度，提升了注塑件产品的表面耐刮擦性能，且表面对于所产生的微小划痕还具有一定的自愈性；

(2)透明涂层与激光纹理相结合，使注塑件整体具有立体纵深效果，产品与功能美学相结合，提高了产品审美质感及时尚性；进一步，若采用飞秒激光纹理，则产品更有层次感，立体效果也更佳，且在不同角度目视的立体效果不同，所产生的色彩和波纹效果也不同，给产品带来了动感、时尚的视觉优势；

(3)模内的激光纹理或飞秒激光纹理的具体样式等方面均可定制，使产品上的纹理选择更为灵活，能够满足多种需求，应用更广，产品整体更具市场竞争力。

最后，需要说明的是，本发明在描述各个构件的位置及其之间的配合关系等时，通常会以一个/一对构件举例而言，然而本领域技术人员应该理解的是，这样的位置、配合关系等，同样适用于其他构件/其他成对的构件。

以上所述仅是本发明的示范性实施方式，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。