Perceived quality characterization of micro-textured injection moulded components for automotive interior applications

Abstract

The present PhD thesis is framed within a collaborative project in which institutions such as the Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona-Tech, the Centre Català del Plàstic and SEAT S.A have participated. The main objective of this research is to improve the surface quality of the textured injection moulded components of the car interior. To this end, a methodology that allows assessing the appearance objectively using three-dimensional characterization techniques is proposed. The texture replication ratio of a mould cavity was first investigated. Squared samples of Polypropylene (PP) were injection moulded. It was found that the holding pressure was the most significant parameter for improving the texture replication ratio. In addition, using three-dimensional characterization techniques, it was demonstrated that the multi-scale methodology was a suitable technique to quantify the replication ratio and effectively separate the main surface components namely, roughness, waviness and form either at the macro- or the micro-scale. Four texture types were utilized to measure the surface appearance. The first one was a leather texture, the second and the third types were obtained by applying a mould treatment on the previous original leather texture. The fourth one was obtained through a painting process. The appearance was measured using a new Total Appearance Measurement (TAM) apparatus. A relationship between topographic features such as roughness, functional height distribution (FHD), texture slope (TS) and texture aperture angle (TAA) and surface appearance properties such as gloss and reflectivity contrast was established. Finally, the surface performance was studied by means of both scratch and mar resistance tests. The texture influence on the scratch hardness and the scratch visibility resistance was evaluated and quantified using three dimensional techniques. Topographic characteristics such as peak-to-valley symmetry and the number of micro-asperities were analysed. The results showed that surfaces with higher symmetry in their functional height distributions yield lower lightness variations (L*) between the scratch pattern and its residual background height (RBH). On the other hand, topographies with a smaller number of micro-asperities on top of the texture provided an enhanced mar resistance. In these cases, deformation mechanisms such as ironing are minimized, resulting in a lower gloss variation and lower contrast between the damaged area and its surroundings.

La present tesi doctoral s'emmarca en un projecte col·laboratiu on institucions com la Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona-Tech, el Centre Català de l'Plàstic i la companyia SEAT S.A han participat en el desenvolupament d'aquest projecte d'investigació. El principal objectiu d'aquesta investigació és la millora de la qualitat superficial de components injectats i texturitzats de l'interior de vehicle. Per a això es proposa una metodologia que permeti avaluar l'aparença d'una forma objectiva basant-se en tècniques tridimensionals. La ràtio de replicació de la textura del motlle va ser investigada mitjançant l'ús de tècniques basades en les tres dimensions. Provetes quadrades de polipropilè (PP) van ser injectades. Es va trobar que la pressió de manteniment era el paràmetre què més influència tenia per millorar la ràtio de replicació de la textura. A més, va ser demostrat que la metodologia d'anàlisi superficial "multi-scale" era adequada per a quantificar la ràtio de replicació i separar d'una manera efectiva els components de la superfície (rugositat, ondulació i forma) ja sigui a una escala macro o micro. Quatre tipus de textura de imitació pell van ser utilitzades per a mesurar l'aparença superficial. La primera va ser obtinguda de la textura original tipus pell, el segon i el tercer tipus va ser el resultat d'aplicar tractaments al motlle amb la textura pell original. El quart tipus de textura pell va ser obtingut mitjançant un procés de pintura. L'aparença superficial va ser avaluada per un equip nou, anomenat "Total Appearance Measurement" (TAM). Es van relacionar característiques topogràfiques com la rugositat, la distribució d'altures funcionals, l'angle de la textura i l'angle d'obertura de la textura amb propietats d'aparença com ara la brillantor superficial i el contrast de reflectivitats. Finalment, la funcionalitat de les superfícies texturitzades va ser estudiada a través de proves com la resistència al ratllat i l'efecte escriptura. La influència de la textura sobre la duresa de ratllat i la visibilitat del ratllat va ser avaluada i quantificada mitjançant l'ús de tècniques en tres dimensions. Característiques topogràfiques com la simetria pic-vall i la quantitat de micro-aspereses van ser analitzades. Els resultats van mostrar que superfícies amb una distribució de les altures funcionals simètrica tendeixen a una menor variació en la lluminositat (delta L *) entre el patró ratllat i la seva altura residual. D'altra banda, les superfícies amb menor quantitat de micro-aspereses tenen una major resistència a l'efecte escriptura. En aquests casos, el mecanisme de deformació conegut com "planxat" es minimitza, resultant en una menor variació de brillantor i contrast entre la zona danyada i els voltants.

La presente tesis doctoral se enmarca en un proyecto colaborativo donde instituciones como la Universitat Politècnica de Catalunya Barcelona-Tech, el Centre Català del Plàstic y la compañía SEAT S.A han participado en el desarrollo de este proyecto de investigación. El principal objetivo de esta investigación es la mejora de la calidad superficial de componentes inyectados y texturizados del interior del vehículo. Para ello se propone una metodología que permita evaluar la apariencia de una forma objetiva basándose en técnicas tridimensionales. La ratio de replicación de la textura del molde fue primero investigada mediante el uso de técnicas basadas en las tres dimensiones. Probetas cuadradas de polipropileno (PP) fueron inyectadas. Se encontró que la presión de mantenimiento era el parámetro qué más influencia tenía para mejorar la ratio de replicación de la textura. Además, fue demostrado que la metodología de análisis superficial multi-escala era adecuada para cuantificar la ratio de replicación y separar de una forma efectiva los componentes de la superficie (rugosidad, ondulación y forma) ya sea a macro o micro-escala. Cuatro tipos de textura imitación piel fueron utilizados para medir la apariencia. El primero era la textura piel original, el segundo y el tercer tipo fue el resultado de aplicar tratamientos de molde sobre la textura piel original. El cuarto tipo de textura piel fue obtenido mediante un proceso de pintura. La apariencia superficial fue evaluada por un equipo nuevo, llamado Total Appearance Measurement (TAM). Se relacionaron características topográficas como la rugosidad, la distribución de alturas funcionales, el ángulo de la textura y el ángulo de apertura de la textura con propiedades de apariencia tales como el brillo superficial y el contraste de reflectividad. Finalmente, la funcionalidad de las superficies texturizadas fue estudiada a través de pruebas como la resistencia al rayado y al efecto escritura. La influencia de la textura sobre la dureza de rayado y la visibilidad del rayado fue evaluada y cuantificada mediante el uso de técnicas en tres dimensiones. Características topográficas como la simetría pico-valle y la cantidad de micro-asperezas fueron analizadas. Los resultados mostraron que superficies con una distribución de sus Alturas funcionales simétrica tienden a una menor variación en la luminosidad (ΔL*) entre el patrón rayado y su altura residual. Por otro lado, las superficies con menor cantidad de micro-asperezas tienen una mayor resistencia al efecto escritura. En estos casos, el mecanismo de deformación conocido como “planchado” se minimiza, resultando en una menor variación de brillo y contraste entre la zona dañada y los alrededores.