CN114441186B - 一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，所述皮肤层在模具内表面成型，所述模具包括模具上模、模芯、模具下模、浇注口和排气口，且模具上模和下模的壁厚均匀分布，且壁厚相同；包括如下步骤：预热高温烘箱达到预设的温度后，加热模具90‑150min，按配方称取各类皮肤层原材料，然后在容器中混匀，将混合液倒入真空脱泡桶内进行脱泡，再过滤形成聚氯乙烯树脂糊；将聚氯乙烯树脂糊倒入加热的模具中晃动使液体充满整个模具内表面，迅速倒出后，再将模具放回高温烘箱加热60‑120min，冷却，获得厚度均匀的成型皮肤层。本发明解决了外皮层厚度均匀性的问题，使皮肤层具备了均匀的物理机械性能。

Description

一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法

技术领域

本发明涉及拟人试验装置的肢体制作方法，具体涉及一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法。

背景技术

汽车的被动安全性能是保护驾乘人员生命安全的重要技术保障，其技术的提升需要依靠汽车碰撞试验获取人体在碰撞过程中的伤害数据，而拟人试验装置(ATD)就是代替人体模拟真实人体受到伤害、用于评估汽车被动安全性能的关键测试系统，即周知的“碰撞试验假人”。因此汽车碰撞试验假人的生物仿生性对于准确评估汽车安全性能尤为重要，而如何保证碰撞试验假人与人体几何形状的相似性、结构的等效性以及人体力学响应的仿真性则是保证碰撞试验假人生物仿生性的重要技术内容。汽车碰撞试验假人肢体作为假人的重要组成部分，其一般由骨架、仿真皮肤以及仿真肌肉构成。其中仿真皮肤能够有效包裹约束内部仿真肌肉和内部骨架，保证外观尺寸与人体相似，同时也能够实现满足人体力学的传递作用。

汽车碰撞试验假人皮肤的相关文献有很多，比如专利CN104650320A提出一种基于辐射检测的仿真人体皮肤肌肉的制作方法，改进了相应的高分子材料配比方案，从而提高了皮肤肌肉组织材料的等效性；专利CN111073172A提出了一种适用于中国人的碰撞测试假人头部皮肤材料及其制备方法，在一定条件下通过调整有机物与无机物的用量改进了材料的配比方案与制作工艺，制备出了假人头部皮肤原材料；专利CN107641271A提出了一种碰撞假人皮肤及制备工艺，采用新的工艺对原材料进行混合，制备出了新配比的皮肤材料，改善了皮肤的力学性能。通过对上述文献分析，发现汽车碰撞试验假人皮肤的开发大多侧重单一仿生材料的配方研究或将皮肤肌肉当作一体进行开发，而真人肢体结构包含皮肤层、肌肉层和内嵌骨骼三部分，单纯研究仿生材料的配方或假人肢体一体式开发，并不符人体实际情况，需要对与真人结构相似的假人肢体进行开发制作。现阶段对于假人肢体金属骨骼和仿真肌肉材料成形均有一定研究，而对于与人体结构相似的假人肢体皮肤层的成形研究较少，缺少相应的假人肢体皮肤层制作方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，通过控制肢体模具的壁厚和加热时间并结合高温烘箱的二次加热方式，制作出与人体结构相似的假人肢体皮肤层。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，所述皮肤层在模具内表面成型，所述模具包括模具上模、模芯、模具下模、浇注口和排气口，所述模具上模和模具下模扣合形成膜具内腔，且所述模具上模和模具下模的壁厚均匀分布，且壁厚相同；包括如下步骤：

设定高温烘箱温度在175-185℃范围内，预热所述高温烘箱达到预设的温度后，放入扣合的模具，加热90-150min；

按配方称取各类皮肤层原材料，然后在容器中混匀，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液；

将装有原材料二级混合液的容器放入真空脱泡桶内，通过真空泵抽气50-80min进行脱泡处理；再使用40-60目的过滤网片进行过滤，形成可用于浇注的聚氯乙烯树脂糊；

将制备好的聚氯乙烯树脂糊倒入加热的模具中，使液体充满整个模具内腔，水平晃动模具5-10s，再静置60-120s，然后迅速倒出模具内的聚氯乙烯树脂糊从而在模具内表面形成半熟化的皮肤层，期间保证排气孔畅通；

将制备有半熟化皮肤层的模具迅速放回高温烘箱中，在预设温度下加热60-120min，然后冷却，获得厚度均匀的成型皮肤层。

进一步的，在步骤一前还包括：拆分模具上模和模具下模，使用沾有丁酮液体的白色棉布擦拭模具内表面，防止模具内表面过脏造成产品表面发黑；以及扣合所述模具上模和模具下模，清理所述浇注孔内存在的异物。

进一步的，所述高温烘箱内放置有储热板用于降低因高温烘箱开门而造成的温度变化量。

进一步的，所述“在容器中混合，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液”包括：使用木铲进行粗搅拌到混合物呈粘稠状态，但仍含有许多未完全散开的颗粒物，形成原材料一级混合液，然后使用搅拌机对上述混合好的液体进一步搅拌，使液体里面不含未散开的固体颗粒粉末，色油分布均匀，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液。

进一步的，“将制备好的聚氯乙烯树脂糊倒入加热的模具”还包括如下步骤：使用带有排气通道的排气漏斗插入浇注口内，再将聚氯乙烯树脂糊缓慢倒入模具，使倒入过程中减少气体卷入。

进一步的，所述皮肤层原材料由以下重量百分比的原材料组成：30.5-38.5wt％的聚氯乙烯，20.0-30.5wt％的填充剂，30.0-40.0wt％的增塑剂、1.0-2.0wt％的热稳定剂，其余为添加剂；混合后的所述聚氯乙烯树脂糊粘度为2500-3000mPa·s。

所述添加剂包括环氧大豆油和色油；

所述热稳定剂选自以下一种或多种：硬脂酸锌，硬脂酸钙，三盐基硫酸铅，和二盐基硬脂酸铅。

所述增塑剂选自以下一种或多种：对苯二甲酸二辛酯，邻苯二甲酸二辛酯，和邻苯二甲酸二丁酯。

所述填充剂选自碳酸钙、硫酸钡或滑石粉。

所述添加剂包括环氧大豆油和色油。

进一步的，所述上模和下模的壁厚均匀，为10mm。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明根据金属模具能够有效储存热量的特点，对其采用高温二次加热的方式，将液态聚氯乙烯树脂糊原材料转变为固态聚氯乙烯树脂皮肤层，解决了缺少假人肢体皮肤层制作方法的问题。同时基于等壁厚模具热量储存均衡性的特性对皮肤层进行成型，实现了皮肤层厚度均匀，使皮肤层具备了均匀的物理机械性能，从而提高了肢体产品成品率，提高了生产效率。

附图说明

图1是实施例1的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法的流程图；

图2是实施例1中的上臂模具示意图；

图3是实施例1的步骤四操作示意图；

图4是实施例1制备的模具及成型皮肤层的剖示图。

其中，

1.模具上模

2.模芯

3.模具下模

4.排气孔

5.浇注孔

6.支腿

7.聚氯乙烯树脂糊

8：排气漏斗

9：未熟化的皮肤层

10：圆棍

11：成型皮肤层

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面结合本发明实例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

碰撞试验假人是由皮肤层、肌肉层和内部骨架构成，由于皮肤层起到约束和包裹内部肌肉的作用，因此皮肤层的内部需要是中空状态，预留出仿真肌肉填充的空间。为使皮肤层内部达到中空的状态，就需要对假人肢体模具进行第一次烤制(即预热处理)，使模具储存皮肤层的成型的热量，从而避免热量过多的传入皮肤层原材料混合液(即聚氯乙烯树脂糊)中，使全部液体固化黏着，因此需要控制液体在模具内的滞留时间，使聚氯乙烯树脂糊在模具内壁处形成皮肤薄膜层后，将液体倒出，放回烘箱中进行第二次烤制，第一次烤制使聚氯乙烯树脂糊能够在模具上快速结皮，形成无机械性能的半熟化的皮肤层，第二次烤制是为了使形成的皮肤层材料完全熟化，使其具有一定的物理机械性能。同时为了使皮肤层厚度达到均匀性，模具热容量的均衡性对皮肤厚度的均匀性起着至关重要的作用，等壁厚模具为热量均匀储存提供了技术原理保障，将等壁厚模具与上述工艺相结合能够得到具有一定强度且厚度均匀的假人肢体皮肤层。

本实施例首先将皮肤层原材料混合制成聚氯乙烯树脂糊，然后对聚氯乙烯树脂糊进行真空脱泡，使聚氯乙烯树脂糊内融入的空气排出，防止气泡对后续皮肤的烤制产生凹坑缺陷，最后再通过两次加热烘烤，结合对加热温度和时间制的控制，制作出假人肢体等壁厚皮肤。

实施例1：假人上臂皮肤层的制备

如图1所示，本实施例以碰撞假人上臂为具体实施例对汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法进行详细描述。

所述碰撞假人上臂皮肤层是在在上臂模具内表面成型，所述模具包括模具上模、模芯、模具下模、浇注口和排气口，所述模具上模和模具下模扣合形成膜具内腔，所述模具内腔的表面即为模具内表面；其中浇注口、排气孔位于模具上模，浇注口用于浇注皮肤层原材料，排气孔在浇注过程中起排出气体作用，所述浇注口端部设置有金属圆盖(图中未示出)。模芯也是上臂肢体的一部分，充当金属骨架。上模和下模(除图中位于下模底部的支腿6部位外)的壁厚均匀分布，且壁厚相同，均为10mm，为后续皮肤成型提供基础条件，模具示意图如图2所示。

其中，皮肤层原材料的具体用量、配比和作用如表1所示。

表1：上臂皮肤层原材料的质量、配比和作用表

其中，皮肤层制作所需设备分为两类，分别为其他物品和仪器设备类，具体如表2所示。

表2：皮肤层制作的选用设备

步骤一：模具预处理

首先将模具放置于工作台上，然后用M14扳手拆分模具上模和模具下模，使用沾有丁酮液体的白色棉布擦拭上臂模具内表面，包括擦拭模具上模、模具下模及模芯，防止模具内表面过脏造成产品表面发黑；

擦拭模具完成后，将上臂模具按照下模、模芯、上模的安装顺序组装，扣合所述模具上模和模具下模；然后检查模具浇注孔是否有异物存在，如有需要及时清理，防止掉入模具内部影响产品质量；

在高温烘箱内放置一块储热板用于降低因高温烘箱开门而造成的温度变化量；设定高温烘箱温度180℃，预热所述高温烘箱至180℃后，放入扣合的上臂模具，加热120min，使上臂模具充分储热从而使皮肤层原材料具备在模具内完成搪塑成型条件。

步骤二：皮肤层原材料的配制

用电子秤称量皮肤层的各类原材料，原材料的质量与表1对应，称量好后装入各自对应的玻璃杯内，放置到工作台上；

其中，本实施例选用硬脂酸锌和硬脂酸钙混合后形成的钙锌稳定剂作为热稳定剂，对苯二甲酸二辛酯作为增塑剂，碳酸钙作为填充剂，环氧大豆油、色油作为添加剂。作为填充剂也可以选用其他同类别的材质代替，如硫酸钡、滑石粉等；

称量后的原材料混合时需要按照先固后液，先少后多的原则加入到搅拌桶内，加入顺序依次为碳酸钙、聚氯乙烯树脂粉、钙锌稳定剂、环氧大豆油、色油、对苯二甲酸二辛酯；

用木铲进行粗搅拌(木铲搅拌时可防止未混合原料飞溅)，搅拌到混合物质呈粘稠状态，但仍含有许多未完全散开的颗粒物，形成原材料一级混合液；再用电动搅拌机对上述混合好的液体进一步搅拌，采用“花瓣”状搅拌头，这类搅拌器搅拌更加充分，在2000r/min搅拌转速下搅拌20min，使液体里面不含未散开的固体颗粒粉末，色油分布均匀，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液。

步骤三：真空脱泡处理

由于步骤二制备获得的原材料二级混合液具有一定粘稠度，且混合搅拌时将空气卷入液体内部，不能有效排出，因此将原材料二级混合液倒入真空脱泡桶内，通过真空泵抽气60min获得脱泡的聚氯乙烯树脂糊；

为避免经过二次搅拌后仍可能存在的未分散的固体颗粒，防止皮肤层成型后内部具有颗粒分散物，用50目的纱网平铺在另一金属倒液桶的上表面，将脱泡的聚氯乙烯树脂糊经过纱网过滤倒入金属倒液桶中，进行过滤，形成可用于浇注的聚氯乙烯树脂糊。

步骤四：

将盛放有过滤好的聚氯乙烯树脂糊的金属倒液桶放置到工作台上，用厚的卫生纸平铺覆盖金属倒液桶的上层表面液体用于吸附上层颜色较浓的液体，吸附后放入垃圾桶；

将加热好的模具从高温烘箱中取出，迅速关闭高温烘箱，使其温度快速回升至180℃，保持此状态；取出的模具放到工作台上，打开浇注口的金属圆盖，如图3所示，将带有排气通道的排气漏斗插入浇注口内，再将聚氯乙烯树脂糊倒入模具，倒入液体过程不要太急促，防止液体向外飞溅；

倒入完成后，使液体充满整个模具内腔，水平晃动模具7s，再静置80s，然后迅速倒出模具内的聚氯乙烯树脂糊从而在模具内表面形成半熟化的皮肤层9，但此时皮肤层不具备人体需要的物理性能；使用比排气孔尺寸细的圆棍10戳开排气孔，保持其通畅，防止被半熟化皮肤层堵住，不利于后续肌肉层的填充。

步骤五：皮肤层加热成型

将制备有半熟化皮肤层的模具迅速放回高温烘箱中，放置在高温烘箱内部的出风口处，180℃温度下加热90min，使皮肤层完全熟化，达到预期的机械性能。

加热完成后，将上臂模具从高温箱中取出，空冷到手可以稳定触碰的状态(温度达到15-40℃)，此时所述上臂模具内表面形成了力学性能稳定的如图4所示的成型皮肤层11，为后续肌肉的填充做基础。经测试皮肤试件的拉伸强度为8.86Mpa，压缩强度为8.93Mpa，制备的成型皮肤层11肢体皮肤层形成2mm的厚度，且厚度均匀；从而保证在汽车碰撞试验时冲击波透过皮肤层达到设置于假人肢体内部的传感器。

在上臂模具内表面已形成如图4所示的成型皮肤层11，随后，在上臂模具的浇注口中注入添加甲苯的粘结液，使粘结液倒满模具内腔，静置20s后，将模具内腔中的粘结液迅速倒出，使上臂模具内部皮肤层内壁上覆盖一层粘结液薄膜层。然后注入配制好的填充物，采用一步发泡法成型，从而在模具内部制备出与皮肤层粘结的肌肉层，从而实现包含皮肤层、肌肉层和内嵌骨骼三部分的仿真上臂。

实施例2：假人下臂皮肤层的制备

与实施例1类似的内容不再赘述，以下只描述不同的地方。

其中步骤一中，设定高温烘箱温度175℃，预热所述高温烘箱至175℃后，放入扣合的下臂模具，加热90min，使下臂模具充分储热从而使皮肤层原材料具备在模具内完成搪塑成型条件。

其中步骤二中皮肤层原材料的具体用量、配比和作用如表3所示。

表3：下臂皮肤层原材料的质量和配比

原材料	质量(g)	配比
			聚氯乙烯树脂粉	500	32.7％
硫酸钡	410	26.8％
			邻苯二甲酸二辛酯	550	35.9％
三盐基硫酸铅	20	1.3％
			环氧大豆油	30	2.0％
色油	20	1.3％

其中，本实施例选用三盐基硫酸铅作为热稳定剂，邻苯二甲酸二辛酯作为增塑剂，硫酸钡作为填充剂，环氧大豆油、色油作为添加剂。

其中步骤三中，通过真空泵抽气50min获得脱泡的聚氯乙烯树脂糊；

其中步骤四中，水平晃动模具5s，再静置70s；

其中步骤五中，将制备有半熟化皮肤层的模具迅速放回高温烘箱中，175℃温度下加热60min，然后冷却，获得厚度均匀的成型皮肤层。制备后的皮肤层达到预期的机械性能，下臂皮肤层试件的拉伸强度为8.42Mpa，压缩强度为：8.63Mpa。

实施例3：假人大腿皮肤层的制备

与实施例1类似的内容不再赘述，以下只描述不同的地方。

其中步骤一中，设定高温烘箱温度185℃，预热所述高温烘箱至185℃后，放入扣合的上臂模具，加热150min，使大腿模具充分储热从而使皮肤层原材料具备在模具内完成搪塑成型条件。

其中步骤二中皮肤层原材料的具体用量、配比和作用如表4所示。

表4：大腿皮肤层原材料的质量和配比

原材料	质量(g)	配比
			聚氯乙烯树脂粉	800	35.4％
滑石粉	550	24.4％
			邻苯二甲酸二丁酯	750	33.2％
二盐基硬脂酸铅	35	1.5％
			环氧大豆油	80	3.5％
色油	45	2.0％

其中，本实施例选用二盐基硬脂酸铅作为热稳定剂，邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂，滑石粉作为填充剂，环氧大豆油、色油作为添加剂。

其中步骤三中，通过真空泵抽气80min获得脱泡的聚氯乙烯树脂糊；

其中步骤四中，水平晃动模具10s，再静置100s；

其中步骤五中，将制备有半熟化皮肤层的模具迅速放回高温烘箱中，185℃温度下加热120min，然后冷却，获得厚度均匀的成型皮肤层。制备后的皮肤层达到预期的机械性能，大腿皮肤层试件的拉伸强度为8.82Mpa，压缩强度为：9.14Mpa。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，所述皮肤层在模具内表面成型，所述模具包括模具上模、模芯、模具下模、浇注口和排气口，所述模具上模和模具下模扣合形成膜具内腔，且所述模具上模和模具下模的壁厚均匀分布，且壁厚相同；包括如下步骤：

在高温烘箱内放置一块储热板用于降低因高温烘箱开门而造成的温度变化量；预热所述高温烘箱至180℃后，放入扣合的上臂模具，在180℃温度下加热120min；

按配方称取各类皮肤层原材料，然后在容器中混匀，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液；所述在容器中混合，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液，包括：将各类皮肤层原材料进行粗搅拌到混合物呈粘稠状态，形成原材料一级混合液，然后使用搅拌机在2000r/min搅拌转速下搅拌20min，形成含有聚氯乙烯的原材料二级混合液；

将装有原材料二级混合液的容器放入真空脱泡桶内，通过真空泵抽气50-80min进行脱泡处理；再使用40-60目的过滤网片进行过滤，形成可用于浇注的聚氯乙烯树脂糊；

将制备好的聚氯乙烯树脂糊倒入加热的模具中，使液体充满整个模具内腔，水平晃动模具5-10s，再静置60-120s，然后迅速倒出模具内的聚氯乙烯树脂糊从而在模具内表面形成半熟化的皮肤层，期间保证排气孔畅通；

将制备有半熟化皮肤层的模具迅速放回高温烘箱中，放置在高温烘箱内部的出风口处，180℃温度下加热90min，使皮肤层完全熟化，然后冷却，获得厚度均匀的成型皮肤层。

2.根据权利要求1所述的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，在步骤一前还包括：拆分模具上模和模具下模，使用沾有丁酮液体的白色棉布擦拭模具内表面，防止模具内表面过脏造成产品表面发黑；以及扣合所述模具上模和模具下模，清理所述浇注孔内存在的异物。

3.根据权利要求1所述的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，

“将制备好的聚氯乙烯树脂糊倒入加热的模具”还包括如下步骤：使用带有排气通道的排气漏斗插入浇注口内，再将聚氯乙烯树脂糊缓慢倒入模具，使倒入过程无气卷入。

4.根据权利要求1所述的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，假人上臂皮肤层原材料用量为：皮肤层主料聚氯乙烯树脂粉质量占比33.6％；填充剂碳酸钙质量占比25.2％；增塑剂对苯甲酸二辛酯质量占比33.6％；热稳定剂硬脂酸锌与硬脂酸钙混合物质量占比1.4％；添加剂环氧大豆油质量占比3.9％；添加剂色油质量占比2.3％。

5.根据权利要求1所述的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，假人下臂皮肤层原材料用量为：皮肤层主料聚氯乙烯树脂粉质量占比32.7％；填充剂硫酸钡质量占比26.8％；增塑剂邻苯二甲酸二辛酯质量占比35.9％；热稳定剂三盐基硫酸铅质量占比1.3％；添加剂环氧大豆油质量占比2.0％；添加剂色油质量占比1.3％。

6.根据权利要求1所述的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，假人大腿皮肤层原材料用量为：皮肤层主料聚氯乙烯树脂粉质量占比35.4％；填充剂滑石粉质量占比24.4％；增塑剂邻苯二甲酸二丁酯质量占比33.2％；热稳定剂二盐基硬脂酸铅质量占比1.5％；添加剂环氧大豆油质量占比3.5％；添加剂色油质量占比2.0％。

7.根据权利要求1所述的汽车碰撞试验假人肢体皮肤层的制作方法，其特征在于，所述模具上模和模具下模的壁厚为10mm。

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