凭借良好的低温韧性、环保性和易加工性，近年来，免喷涂热塑性弹性体日益受到汽车整车厂的重视，在汽车安全气囊罩盖上有着良好的应用前景。本文以转向盘安全气囊罩盖为例，介绍免喷涂安全气囊罩盖与传统安全气囊罩盖相比，在材料选择、部件设计和模具设计上的差异。
安全气囊是汽车的重要防护装置，它在碰撞中通过快速充气弹出气囊，以在乘员与部件之间形成缓冲保护屏障，减轻乘员承受的二次碰撞力，达到保护乘员的目的。安全气囊一般分布在转向盘、乘客侧仪表位置、立柱与顶棚搭接位置以及座椅侧翼，对材料的韧性有着极高的要求。
汽车发生碰撞时，为确保安全气囊的囊袋在充气后能顺利弹出，需对气囊罩盖背面进行局部弱化并设计撕裂线。传统的安全气囊罩盖在注射成型后易在撕裂线周围形成缩痕，且光泽度不均匀，影响制品外观，为此，需对其表面进行喷漆处理。目前使用的油漆大多为溶剂型油漆，生产过程对环境极不环保，且不利于总成的环境友好性达标。因此，市场上应运而生了一系列的环保材料，如水性油漆、免喷涂材料等。但使用水性油漆首先需要对基材进行氟化预处理，这道工序也会影响生态环境，而且成本相对较高。相比之下，免喷涂材料成为一种更有利的替代方案。
免喷涂热塑性弹性体简介
热塑性弹性体（TPE）主要分为TPO、TPU和TPEE等，其化学键由不同的树脂段和橡胶段构成，性能介于橡胶与树脂之间。它既具备传统交联硫化橡胶的高性能、耐老化等优异特性，又具备普通塑料的加工方便、加工方式多的优点。目前用于制造安全气囊罩盖的主要是TPO热塑性弹性体。
用于安全气囊罩盖的免喷涂TPO和喷涂TPO的成分基本相同，但配方有所差异。通常，免喷涂TPO的流动性及其与色母的结合性要优于喷涂TPO，但制成品在耐磨性和外观方面会有所欠缺。
下面以转向盘安全气囊罩盖为例，介绍免喷涂材料在安全气囊罩盖上的应用。
转向盘安全气囊罩盖的基本要求
转向盘安全气囊罩盖处于主驾驶位置，属内饰外观件，对外观质量要求较高，如图1所示。通常，在开发安全气囊组件时，要确保气囊在85 ℃、23 ℃和-35 ℃下爆破无异常，为此，需要在气囊罩盖背面设计撕裂线。由于撕裂线会带来缩痕等表面质量问题，为改善外观质量，传统的方法是对成型后的安全气囊罩盖喷涂溶剂型油漆。此外，为了与仪表板等环境件相匹配，转向盘安全气囊罩盖还必须满足低光泽度要求。因此，为开发免喷涂转向盘安全气囊罩盖，需要在材料选择、结构设计和模具设计上进行特殊考虑，以确保满足部件的功能性和外观性要求。
图1 转向盘安全气囊罩盖
转向盘安全气囊罩盖免喷涂材料选择
根据转向盘安全气囊罩盖的应用要求，选择了供应商A的#1免喷涂TPO、供应商B的#2免喷涂TPO和供应商B的#3喷涂TPO。
首先对这3个牌号的基础物性、机械性能进行了对比分析。在基础物性方面，免喷涂TPO的流动性高于喷涂TPO，其他性能相当。在两个免喷涂牌号中，#1样品的流动性优于#2样品，但邵氏硬度低于#2，其他性能相当。免喷涂牌号与喷涂牌号的对比表明，#1样品的热老化断裂伸长率变化率明显高于其他两个牌号，其他性能相当。机械性能方面，#1样品的刚度略低，韧性略好。机械性能方面，免喷涂TPO与喷涂TPO之间无明显差异，这与不同供应商的配方有关。综合对比3个牌号的基础物性和机械性能，#1样品的流动性和韧性最适用于制作免喷涂安全气囊罩盖。
在外观性能对比中，考虑到TPO材料本身较软，采用了与部件实际状态一致的样板进行测试，即针对#1、#2两个免喷涂牌号采用纹理样板，针对#3喷涂牌号采用喷漆后的纹理样板。结果表明，3个牌号均满足了耐汗色牢度、光老化性标准要求，但在耐摩擦色牢度、耐刮擦性方面，两个免喷涂牌号在干态介质下的褪色略差于喷涂牌号，其他状态几本相当。综合对比，免喷涂材料的耐磨性略逊于喷涂材料。
免喷涂转向盘安全气囊罩盖的结构设计
结构设计是开发免喷涂安全气囊罩盖的重要环节，结构设计的关键点涉及纹理、撕裂线、加强筋和铰链等。与传统的喷涂安全气囊罩盖相比，免喷涂安全气囊罩盖的纹理深度需更深，一般为80～100 μm，因为立体感较强的纹理方案更有利于改善部件成型后的外观质量；撕裂线最好带有缓坡过渡，避免尖角设计，要设R角，R角为0.5±0.2 mm；加强筋和铰链的厚度要尽量接近部件大多数部位的厚度，不易太厚，筋条高度也不宜太深，以避免缩痕。另外，建议在部件A面设有一定的弧度，以确保更好的成型工艺性。
免喷涂转向盘安全气囊罩盖的模具设计
模具设计也是开发免喷涂安全气囊罩盖的重要环节。与成型喷涂安全气囊罩盖的模具（以下简称喷涂模具）相比，成型免喷涂安全气囊罩盖的模具（以下简称免喷涂模具）通常需要刚度更高的模具钢，且对加工精度、表面处理等有着更高的要求，模具的整体质量更高。免喷涂模具的排气系统、冷却系统要比喷涂模具的更精密，水路分布也比喷涂模具的更密集，每副模具有3组或更多的水路。根据模流分析，免喷涂模具的浇口为可控的针阀式浇口，大多设置在6点钟和12点钟的方向，具体的浇口位置和数量最终取决于部件的结构。由于免喷涂安全气囊罩盖需要与环境件相匹配，要求光泽度低，但TPO材料本身难以实现低光泽度，因此需要对模腔表面进行喷砂处理。
除模具外，注射成型免喷涂安全气囊罩盖对注射机的控制精度和稳定性也提出了较高的要求。此外，还需配备模温机，以确保模温的精确性和稳定性，这对于提高部件的外观质量、实现稳定的大批量生产至关重要。
免喷涂转向盘安全气囊罩盖的性能验证
为验证免喷涂转向盘安全气囊罩盖的外观和关键功能性能，采用#1 TPO材料在现有的免喷涂模具上成型，并与采用#3 TPO材料在普通模具上成型的试制品对比。结果表明，#1免喷涂部件的外观可接受，满足标准要求。
转向盘安全气囊罩盖的关键功能性验证包括-35℃的箱外静态爆破试验和鸣音按压力试验。静态爆破试验结果表明，免喷涂安全气囊罩盖和喷涂安全气囊罩盖均无伤害乘员安全的破裂变形、周围功能件失效或囊袋破裂，满足标准要求。鸣音按压力试验结果表明，免喷涂安全气囊罩盖和喷涂安全气囊罩盖鸣音按压力分别为37.6 N和38.7 N，满足标准要求。
总成的气味性验证和VOC验证采用的是袋子法测试，测试条件为200 L袋子、65 ℃/2 h，结果表明，免喷涂安全气囊总成的气味强度为2.7级，喷涂安全气囊总成的气味强度为2.9级，免喷涂安全气囊总成的气味性优于喷涂安全气囊。VOC测试结果则显示，免喷涂安全气囊总成的甲醛、乙苯和二甲苯的挥发量均低于喷涂安全气囊总成，其他物质挥发量相当，如图2所示。
图2 免喷涂安全气囊总成和喷涂安全气囊总成的VOC测试结果
免喷涂安全气囊罩盖与喷涂安全气囊罩盖的成本对比
目前市场上主流的免喷涂TPO材料的价格约为33～36 元/kg，喷涂TPO材料的价格约为25～28元/kg，喷漆成本约为100～150元/m2。虽然免喷涂材料的单价高于喷涂材料，但综合喷漆工序带来的成本后，免喷涂的安全气囊罩盖可使单车成本下降约2～5元。
结论
综上所述，免喷涂转向盘安全气囊罩盖不仅环境友好的优势明显，而且还简化了加工工序、节省了工时，降低了成本。开发免喷涂安全气囊罩盖时，需要在设计开发的前端充分考虑产品设计、造型设计和模具设计等方面的问题，以保证制品的良品率。免喷涂安全气囊罩盖符合汽车产业链的低碳理念、零件的绿色设计和降成本需求，相信未来几年在汽车上会有广阔的应用前景。
