塑料在汽車領(lǐng)域的最新成功應(yīng)用

近年來涌現(xiàn)出了一批新型工程塑料，憑借結(jié)構(gòu)強、重量輕、外觀美等多種優(yōu)點，得以在新型汽車應(yīng)用中大展拳腳。

- Lindsay Brooke



寶馬最新款Mini Countryman采用了IAC的輕量化儀表板解決方案。

選鋼還是選鋁，這是一個全球汽車研發(fā)人員一直爭論不下的問題。然而鋼鋁之爭尚未塵埃落定，塑料和復(fù)合材料領(lǐng)域已取得了同樣驚人的創(chuàng)新成果，無論是汽車還是卡車，無論是車內(nèi)還是車外，都能見到這些新材料的身影。

寶馬原本打算在總結(jié)i3和i8的寶貴裝配經(jīng)驗后，建立一個從華盛頓摩西湖市到德國的“閉環(huán)式”碳纖維供應(yīng)鏈，但最近這個雄心勃勃的項目被叫停了。不過，這并沒有影響先進(jìn)復(fù)合輕量化材料對以金屬為核心的汽車行業(yè)的沖擊。本文將著重介紹塑料在汽車領(lǐng)域的最新成功應(yīng)用，并從CFRP（碳纖維增強塑料）的主要特性之一出發(fā)，探討CFRP的未來。



一個由Coreback工藝制成的零件的剖面圖，整體厚度為2.8mm。白色物體是厚度為1mm的參照物。

寶馬選擇了Coreback

儀表板骨架和交叉結(jié)構(gòu)，一直是材料創(chuàng)新的焦點，種類繁多的金屬和金屬復(fù)合材料與新型復(fù)合材料在該領(lǐng)域展開競爭。為了減輕2017版Mini Countryman的儀表板架構(gòu)的重量，寶馬工程師選擇了IAC（國際汽車零部件集團(tuán)）的Coreback全新注塑工藝。

據(jù)介紹，和“PP（聚丙烯）+ 滑石粉填料”的傳統(tǒng)注塑件相比，長玻纖維增強聚丙烯輕量化塑料泡沫制成的Mini 儀表板骨架的重量減輕了15%，而且剛性重量比卓越。通過改進(jìn)這樣的傳統(tǒng)工藝，寶馬實現(xiàn)了4%-5%的車身減重。

“Coreback 工藝是先在全壓下注入樹脂和CFA（化學(xué)發(fā)泡劑），完全填滿模腔。接著再開模。零件內(nèi)部的泡沫會順著開模拉伸的方向，均勻完美地膨脹，”IAC高級研發(fā)部總監(jiān)Marc Hayes解釋道。



Mini的Coreback儀表板骨架展現(xiàn)了該工藝有助于整合零部件的優(yōu)點。

Hayes表示，在使用Coreback工藝制造儀表板骨架或車門內(nèi)飾板等大件時，注塑厚度為1.8mm，然后在開模時將制件拉伸到2.8mm。“模腔內(nèi)的真實樹脂注塑厚度是1.8mm，而不是2.8mm。這就是減重15-20%的秘密所在。橫截面的其它部分都是氣穴。”該工藝最多可將制件拉伸到4mm（0.157英寸）。

Mini 儀表板骨架項目是IAC Coreback工藝的首例量產(chǎn)應(yīng)用。該項目由IAC、寶馬、模具制造商Siebenwust、化學(xué)品供應(yīng)商SABIC（沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司）共同合作完成。

Hayes 表示，“為了確保凹坑或升降桿的運動，標(biāo)準(zhǔn)的筋與壁厚之比通常為60%，而通過使用Coreback，我們可以打破這個局限。發(fā)泡劑也有助于增加這一比例。”

IAC和SABIC的工程師使用CAE（計算機(jī)輔助工程技術(shù)）探索出了如何在現(xiàn)有的注塑機(jī)中使用特制的CFA，并預(yù)測泡沫塑件的翹曲。這一全面的分析法使工程師得以提前修改工具，避免可能出現(xiàn)的生產(chǎn)問題，確保生產(chǎn)順利展開。

數(shù)十年來，結(jié)構(gòu)性泡沫已經(jīng)成為了船只儀表板、建筑外飾和門板的主體材料。福特早在上世紀(jì)80年代就嘗試過使用結(jié)構(gòu)性泡沫制造儀表板。

繼Mini儀表板項目大獲成功后，IAC將繼續(xù)在外部內(nèi)飾件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用Coreback工藝。Hayes表示，未來需要進(jìn)一步改進(jìn)CFA。



2019GMC Sierra Denali的全新碳纖維復(fù)合型車廂采用了多種材料，上圖是各類材料的分解圖。

Denali的碳纖維車廂

通用汽車的2019版Sierra Denali是業(yè)內(nèi)首次采用碳復(fù)合材車廂的皮卡，這也標(biāo)志著包括連續(xù)纖維增強材料在內(nèi)的輕量化材料離主流應(yīng)用更近了一步，且其在車內(nèi)的應(yīng)用比例也在提升。

值得一提的是，通用對復(fù)合材料的應(yīng)用最早可追溯到1953版Corvette的車身。隨后，通用又在1955年和1958年的雪佛蘭Cameo Carrier上率先使用了片狀模壓部分復(fù)合材料車廂。這次由通用、CSP（大陸結(jié)構(gòu)塑料公司）和CSP母公司帝人公司共同研發(fā)的Denali碳復(fù)合車身正是這一技術(shù)沿革的最新成果。

Sierra首席工程師Tim Herrick在接受《汽車工程》雜志的采訪時表示，全新Sierra車廂抗凹陷、抗刮痕、抗腐蝕，這讓通用的工程師很滿意。Sierra碳纖維熱塑性尼龍6車廂比標(biāo)準(zhǔn)鐵制的減輕了62磅（28kg）。

新材料選用了短切纖維，而非編織纖維。短切纖維可塑性強，使得設(shè)計師可以拓寬車廂，車廂容積增加了一立方英尺。Herrick表示，為防止剝落，雙層粘接工藝一開始就使用了結(jié)構(gòu)性粘合劑和一個機(jī)械緊固件。

Herrick還告訴《汽車工程》雜志，新款Sierra車廂的兩個部分—左前和右前插槽加強件—采用了100%后處理可再生材料。碳纖維車廂將先在位于印第安納州惠靈頓市的CSP工廠注塑成型，然后在通用的韋恩堡裝配工廠修平。



圖上展示的是2019款ZR1 兩門跑車。現(xiàn)有Corvette系列所采用的PCC創(chuàng)新型材料展現(xiàn)了頂級奢華感和一流質(zhì)量水準(zhǔn)。C8會有新的突破嗎？

Plasan帶來CFRP先進(jìn)分析技術(shù)

2019款Sierra Denali將于2018年秋季亮相，但是讓工程師們更翹首以盼的，是通用C8 Corvette。通用此前在2014款Corvette上大膽采用了以PCC（Plasan復(fù)合材料公司）的非高壓釜（out-of-autoclave）沖壓技術(shù)制作而成的A級車身板，在定于2019年年初發(fā)布的下一代Corvette上，不知道通用是否會增加CFRP的比例。

“無可奉告，這個問題我們無法回答！”，PCC工程副總裁Dan Hartzler和PCC總工程師Robert Murch這樣說道。兩人在最近接受《汽車工程》雜志的采訪時表示，目前CFRP材料和工藝技術(shù)的研發(fā)目標(biāo)是加快加工周期、擴(kuò)大生產(chǎn)量，同時大大縮短注塑后的拋光環(huán)節(jié)。

“十年前我們的工藝就已經(jīng)在趕超那些預(yù)浸料化工巨頭了，”Murch解釋道，“但是所有主要的樹脂供應(yīng)商都意識到了市場需求。過去3年，預(yù)浸料工藝取得了令人驚嘆的進(jìn)步。像Solvay、Toray這樣的公司還在航空航天領(lǐng)域一爭高下。但是他們?nèi)狈ο裎覀冞@樣的先進(jìn)工藝。我們的預(yù)浸料工藝只需要2分鐘，甚至更短。”

Hartzler表示，PCC也在研發(fā)沖壓模具。“我們正在努力將生產(chǎn)周期從15到17分鐘縮短到10到12分鐘。現(xiàn)在的關(guān)鍵是攻破瓶頸，但是瓶頸總在變化。我們的模具能否達(dá)到新型樹脂的生產(chǎn)周期標(biāo)準(zhǔn)？”他還表示，為了縮短生產(chǎn)周期，PCC可能會探索其它成型工藝。

“現(xiàn)在，整車企業(yè)終于準(zhǔn)備好要研究怎么樣才能在新領(lǐng)域發(fā)揮新材料和成型工藝的最大價值，”Hartzler說道。下一波技術(shù)將助力CFRP在結(jié)構(gòu)件上得到更大規(guī)模的應(yīng)用。

PCC已經(jīng)宣布將在汽車技術(shù)上投資4000萬美元，以支持結(jié)構(gòu)性碳纖維在車門防撞梁、保險桿等零部件上的應(yīng)用，并縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。

Murch表示，“我們越來越多地使用了動態(tài)建模，這將幫助我們將材料的應(yīng)用范圍拓展到B柱和發(fā)動機(jī)機(jī)艙內(nèi)的零部件。PPC正在將母公司（Plasan Sasa）的彈道技術(shù)轉(zhuǎn)移到汽車領(lǐng)域，這不是我在說大話。我們可以為整車企業(yè)提供分析在內(nèi)的完整解決方案。”

展望2020年，隨著自動駕駛汽車的興起和完全自動駕駛的到來，Hartzler和Murch相信CFRP將會有更多的發(fā)展機(jī)遇。

Hartzler說，“整車企業(yè)已經(jīng)達(dá)成了新的共識：新型復(fù)合材料不是金屬板的替代件，而是綜合性的零部件解決方案。”