埃克森美孚與庫卡工業(yè)合作 簡化汽車TPV密封的設(shè)計與制造

作為EPDM和TPV的發(fā)明者以及最早在汽車上實現(xiàn)這兩種材料商業(yè)化應(yīng)用的創(chuàng)新者，大約在15年前，?？松梨诰团c德國庫卡工業(yè)公司合作，成功地開發(fā)出了“機器人擠出山都平™ TPV”的專利技術(shù)。這項專利的發(fā)明，令汽車密封在設(shè)計和生產(chǎn)的自由度以及成本效益和生產(chǎn)效率方面達到了新的高度。



?？松梨谔厥鈴椥泽w歐洲營銷部市場開發(fā)經(jīng)理 Hermann-Josef Holz先生（左）與庫卡工業(yè)公司擠出技術(shù)部負(fù)責(zé)人 Thomas Bischof先生

作為一種充分硫化的材料，TPV具有橡膠一般的優(yōu)良密封性和塑料一般的易加工性，其比重更低，并能與聚丙烯（PP）等聚烯烴材料很好地兼容。這些獨特優(yōu)勢，令TPV完全勝任于“機器人擠出”工藝所要達到的目標(biāo)，即在確保最佳密封性能的前提下，最大程度地降低重量和成本、提高設(shè)計自由度和生產(chǎn)效率。

經(jīng)濟、靈活、高效而可靠的機器人擠出



機器人在2013福特C-MAX@HEV汽車的發(fā)動機罩通風(fēng)帽（簡稱“CVG”）上直接擠出管狀的型材密封

機器人擠出山都平TPV工藝，是由一臺庫卡機器人按照預(yù)先設(shè)定好的程序，沿載體部件的密封路徑，恒速均勻地擠出山都平TPV，以形成三維曲線的TPV密封型材。

這種自動化的生產(chǎn)方式，完全改變了以往“單獨生產(chǎn)出密封件（如EPDM密封件）和基材部件（如PP基材部件）、然后再將它們組裝在一起”的費時耗力的工藝流程，實現(xiàn)了密封件及其與基材部件組裝的一體化生產(chǎn)。



?？松梨趤喬珔^(qū)特種聚合物技術(shù)顧問 麥納睿先生：

“這項技術(shù)具有很強的適應(yīng)性：一方面，可以將TPV擠出到不同的基材部件上，而不管這種基材部件是什么形狀或者采用的是什么材料，比如，可以是PP等聚烯烴材料，以及尼龍或SMC等其他聚合物材料，也可以是金屬或玻璃等；另一方面，還為靈活地設(shè)計密封型材的三維結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件，比如唇形或球形的密封結(jié)構(gòu)，以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的較長密封型材等。”



埃克森美孚特殊彈性體歐洲營銷部市場開發(fā)經(jīng)理 Hermann-Josef Holz先生：

“通過這樣一體化的生產(chǎn)，我們實現(xiàn)了成本效益和生產(chǎn)效率的最大化，這是因為密封型材在基材部件上一次成型，避免了像EPDM那樣的硫化、去飛邊和組裝過程。

而且，由于取消了用于安裝密封件的金屬卡箍等連接部件，因而還在TPV較低密度的基礎(chǔ)上，進一步地減輕了重量。因此，這項工藝完全順應(yīng)了汽車行業(yè)減重降本的發(fā)展趨勢。”

值得一提的是，這項工藝在聚烯烴（如PP）基材部件上的應(yīng)用尤為有利，它充分利用了TPV與聚烯烴材料之間良好的化學(xué)兼容性，使兩種材料完美地粘接在一起，而無需通過表面處理、粘合劑或金屬連接件等進行二次組裝操作，部件的回收也更為便利。

埃克森美孚亞太區(qū)特種聚合物技術(shù)顧問 麥納睿先生：

“如果基材部件是其他聚合物材料，或者是金屬或玻璃，我們可以考慮采用物理結(jié)合的方式將它們裝配在一起，或者先在基材上涂粘合劑，然后再擠出TPV。總之，我們會與客戶溝通具體的連接方案，共同探討機器人擠出應(yīng)用的更多可能性。”



庫卡工業(yè)公司擠出技術(shù)部負(fù)責(zé)人 Thomas Bischof先生：

“這是一項非常靈活的工藝技術(shù)，當(dāng)從一種產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成另一種產(chǎn)品時，切換時間很短，只需要簡單、快速地更改機器人的擠出程序即可。

即使密封型材的三維形狀發(fā)生了變化，更換擠出模頭也只需要大約5分鐘的時間。

另一個先進之處是，機器人的擠出程序與基材部件的形狀是一一對應(yīng)的，這有助于避免誤操作，減少產(chǎn)生廢品、廢料的可能性，而且生產(chǎn)中的廢料還可以直接在線回收利用。”

成功的替代應(yīng)用



采用山都平TPV機器人擠出生產(chǎn)出的汽車密封型材

目前，機器人擠出山都平TPV工藝已在一些車型上得到了成功應(yīng)用。

采用這項技術(shù)生產(chǎn)的汽車密封，曾榮獲了2007和2012年度美國SPE汽車創(chuàng)新獎，從而證明了這項技術(shù)的先進性和可靠性。

2007年的獲獎產(chǎn)品，是取代聚氨酯（PU）在車門模塊上的密封應(yīng)用。這項應(yīng)用，極大地降低了加工難度和生產(chǎn)成本（如模具成本），縮短了成型周期，減少了廢料，提高了密封的耐久性。



采用山都平TPV機器人擠出生產(chǎn)出的汽車密封型材

“生產(chǎn)PU密封需要固化過程，因此必須控制好溫度和濕度等工藝參數(shù)。而機器人擠出山都平TPV的操作相對要簡單很多，擠出的密封型材也無需固化過程，在空氣中即可冷卻，因而成型周期更短，而且不易產(chǎn)生廢料。”Thomas Bischof對此解釋道。

2012年的獲獎產(chǎn)品，是用于2013福特C-MAX@HEV汽車上的發(fā)動機罩通風(fēng)帽（簡稱“CVG”）。這項管狀型材密封應(yīng)用，通過采用機器人擠出山都平TPV工藝，取代了EPDM的密封方案和雙組分注塑成型TPV密封的生產(chǎn)工藝。

與EPDM的密封方案相比，機器人擠出山都平TPV取消了原料混合、擠出、硫化以及型材裝運、手工涂膠、去飛邊和型材組裝等繁瑣的工藝流程，縮短了生產(chǎn)周期，令部件的總體成本降低了大約10%。



采用山都平TPV機器人擠出生產(chǎn)出的汽車密封型材

而更為重要的是，部件重量減輕了大約30%，這主要是由于TPV的密度明顯低于EPDM，再加上取消了金屬卡箍等連接部件，以及對密封型材進行了優(yōu)化設(shè)計。

與雙組分注塑成型TPV密封相比，機器人擠出山都平TPV尤其在成本效益和生產(chǎn)的靈活性方面帶來了優(yōu)勢。

“僅就模具而言，投資一幅大型雙組分注塑模具大約需要50萬美元左右，而投資一幅機器人擠出模具大約只需要2萬美元，其差距是顯而易見的。不僅如此，機器人擠出模具還具有很強的通用性，因而更改型腔更加方便，這尤其為在新產(chǎn)品開發(fā)過程中不斷調(diào)整技術(shù)方案帶來了便利。”Hermann-Josef Holz解釋說。

Thomas Bischof則強調(diào)了機器人擠出山都平TPV的生產(chǎn)靈活性優(yōu)勢：“在切換產(chǎn)品時，與快速便捷地更換機器人擠出程序和擠出模頭相比，更換模具和注塑成型工藝耗費的時間會更長，這是因為傳統(tǒng)注塑工藝相對更加復(fù)雜。”

“另外，一些復(fù)雜的三維曲線結(jié)構(gòu)，比如兩頭帶有轉(zhuǎn)角的、管狀結(jié)構(gòu)的較長密封型材，采用雙組分注塑工藝很難成型，但采用機器人擠出，可以輕易地實現(xiàn)一次整體成型，而且能夠確保轉(zhuǎn)角處的密封品質(zhì)。”麥納睿先生接著補充道。

確保品質(zhì)的一站式供應(yīng)和配套服務(wù)



?？松梨谔厥鈴椥泽w歐洲營銷部市場開發(fā)經(jīng)理 Hermann-Josef Holz先生（左）、庫卡工業(yè)公司擠出技術(shù)部負(fù)責(zé)人 Thomas Bischof先生（右）和?？松梨诨喬珔^(qū) 龍惠慧女士一起探討問題

為確保完美地擠出成型高品質(zhì)的TPV密封，作為合作伙伴，?？松梨谂c庫卡工業(yè)公司一起，為客戶提供一站式的材料供應(yīng)和設(shè)備配套服務(wù)。

這項工藝的成功實施，關(guān)鍵在于恒速均勻的擠出，只有當(dāng)機器人的運行速度與TPV熔體的流動速度彼此最佳適配時，才能成型出密封質(zhì)量和外觀都優(yōu)良的密封型材。

根據(jù)機器人的最佳運行速度，埃克森美孚重點對材料進行了優(yōu)化，開發(fā)了特種規(guī)格的專用材料山都平121-E500TPV，這種材料一方面能夠提供與機器人運行速度相適配的熔體流動速度，另一方面還能夠提供足夠的熔體強度，為在空氣中冷卻的密封型材帶來最佳的尺寸穩(wěn)定性，因此可以滿足大多數(shù)的機器人擠出應(yīng)用要求。

作為設(shè)備供應(yīng)商，庫卡工業(yè)公司則開發(fā)了專用的機器人擠出編程軟件，該軟件賦予了機器人精準(zhǔn)的恒速運行能力，從而能夠可靠地引導(dǎo)擠出模頭沿基體部件的密封路徑實現(xiàn)均勻擠出。依據(jù)部件的不同，擠出速度通?？梢赃_到50~180mm/s。

整套生產(chǎn)系統(tǒng)，除一臺鉸接臂機器人、一臺專用擠出機和一副擠出模頭外，還包括一個用于輸送材料的加熱、耐壓軟管，盛裝新料和回收料的料筒，除濕干燥機和真空喂料裝置，以及包括粉碎機在內(nèi)的在線回收系統(tǒng)等。

“我們提供一站式的設(shè)備供應(yīng)，對于客戶而言，這意味著可以利用庫卡的集成控制軟件，實現(xiàn)整套系統(tǒng)的協(xié)調(diào)穩(wěn)定運行，避免人為錯誤。”Thomas Bischof介紹說，“通過這樣的一站式供應(yīng)，我們還可以通過網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)，從而對設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制與維護?？傊?，我們的交鑰匙生產(chǎn)系統(tǒng)可以一年365天、每天24小時連續(xù)不間斷地穩(wěn)定運行。”

“除滿足大眾化的通用需求外，如果客戶還有一些特殊的要求，我們會與庫卡工業(yè)公司一起，從材料、工藝和密封設(shè)計的角度進行綜合考慮，來為客戶訂制最佳的解決方案。我們的應(yīng)用實驗室可以讓我們快速響應(yīng)客戶的需求，為客戶提供樣品制作、方案評估等技術(shù)服務(wù)，以幫助客戶加快新產(chǎn)品的開發(fā)進程。”Hermann-Josef Holz最后表示。

顯而易見，作為機器人擠出山都平TPV工藝的共同發(fā)明者，埃克森美孚和庫卡工業(yè)公司已為這項工藝訂制了最恰當(dāng)?shù)牟牧吓浞讲⒛軌蛱峁┳钸m配的全套設(shè)備工裝，從而為大批量的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)提供了保障。

這種無需硫化和固化、完全自動化的密封、組裝一體化生產(chǎn)方式，極大地減少了廢品，降低了成本，減輕了重量，提高了生產(chǎn)的效率和自由度，完全契合了當(dāng)今汽車行業(yè)日益追求輕量化、高效率和低成本的發(fā)展訴求，并為汽車行業(yè)向少人化或無人化的智能生產(chǎn)方向發(fā)展作好了充足的準(zhǔn)備。




汽車密封技術(shù)的演進
密封，對于汽車的隔聲降噪、防水防塵等至關(guān)重要!外形美觀的密封，還能帶來良好的裝飾效果。因此，人類自有了汽車以來，圍繞汽車密封的創(chuàng)新就從未停止。

三元乙丙橡膠（EPDM）的發(fā)明，曾為汽車密封帶來了革命性的進步！由于具有優(yōu)良的密封性、抗紫外性、抗化學(xué)性、耐高溫性和持久性，直到今天，由EPDM制成的汽車密封依然隨處可見。

熱塑性硫化彈性體（TPV）的發(fā)明，則在EPDM的基礎(chǔ)上，尤其為汽車密封的長效性和減重性帶來了新的進展，因而在車窗、后三角窗、轉(zhuǎn)向軸護套和空氣導(dǎo)管等密封方面日益取代了EPDM而在許多車型中得到了良好應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用的不同，減重可達15%~30%，且使用壽命更長。

機器人擠出山都平TPV工藝的發(fā)明，則在確保密封品質(zhì)的基礎(chǔ)上，進一步地減輕了密封的重量，降低了成本，同時還提高了設(shè)計和生產(chǎn)的自由度以及生產(chǎn)效率，減少了廢品，成為滿足當(dāng)今汽車行業(yè)日益追求輕量化、高效率和低成本發(fā)展需求的一種更加有效而可靠的密封生產(chǎn)方式。