大眾汽車研發(fā)中心材料與制造方法部主任談汽車材料與輕量化
2018-05-28 11:00:44· 來源:復材應用技術
歐利弗·紹爾特博士(Dr. Oliver Schauerte)自2015年起擔任大眾集團研發(fā)中心材料與制造方法部主任。在《輕量化技術》對紹爾特博士的專訪中,紹爾特博士認為,在大批量生產(chǎn)汽車中,鋼依然占據(jù)著汽車材料的主導地位。結構材料的開發(fā)主流方向為混合材料。在采訪中,紹爾特博士展望了汽車材料發(fā)展的未來,尤其是量子計算革命為汽車材料的發(fā)展帶來的新的潛能。

專訪大眾集團研發(fā)中心材料與制造方法部主任紹爾特博士
歐利弗·紹爾特博士(Dr. Oliver Schauerte)自2015年起擔任大眾集團研發(fā)中心材料與制造方法部主任。在《輕量化技術》對紹爾特博士的專訪中,紹爾特博士認為,在大批量生產(chǎn)汽車中,鋼依然占據(jù)著汽車材料的主導地位。結構材料的開發(fā)主流方向為混合材料。在采訪中,紹爾特博士展望了汽車材料發(fā)展的未來,尤其是量子計算革命為汽車材料的發(fā)展帶來的新的潛能。
《輕量化技術》問:高爾夫7是第一次新一代車型重量輕于前一代車型的高爾夫車。高爾夫車型采用的大量的鋼。就目前的情況來說,鋼屬于輕量化材料嗎?
紹爾特答:目前來說,鋼依然屬于輕量化材料。在過去的十年里,鋼鐵工業(yè)和汽車制造商一起在鋼的品質方面取得了巨大的進步??梢灶A期,未來鋼板的抗拉強度甚至可以達到2000MPa。這在十年前幾乎是不可想象的。
問:作為當今的輕量化材料,鋼在未來能否也起到重要的作用呢?
答:當然,每種材料都會有其相應的作用和需求。例如,新一代奧迪A8采用了大量的鋁材。但是在大批量生產(chǎn)領域,鋼依然占據(jù)著主導地位,還有一個原因就是來自亞洲鋼鐵工業(yè)的價格壓力,因為亞洲地區(qū)的鋼材更便宜。另外,鋼鐵工業(yè)也要保持更好的競爭力。
問:大眾汽車計劃到2025年成為領先的電動車生產(chǎn)商。鋼在大眾的電動車中也會起到重要作用嗎?
答:是的,大眾公司主要還是會用鋼材,因為集團生產(chǎn)批量巨大。對于價格更高的電動車,我們會考慮采用纖維復合材料或者是鋁材料,但是即使是針對電動車,大眾采用的主要材料還是鋼。需要注意的一點是:如果在電動車上采用輕量化,將用于輕量化的資金投入到高功率電池開發(fā)是最有效率的,因為電池重量是個大問題。如果能夠提高電池的功率,就需要更少的電池。這是驅動輕量化最簡單的方式。對于材料研究來說,這可是全新的任務領域。
問:對于車身、底盤或者動力系統(tǒng),您覺得還有哪些輕量化潛力呢?
答:針對這個問題,我認為目標不僅是相互矛盾的,也是很有意思的。一方面可以預測,傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機早晚有終結的一天;另一方面,我們也知道,在全世界范圍內(nèi),傳統(tǒng)燃油發(fā)動機還會在很長的時間內(nèi)繼續(xù)應用。作為材料研究者,我們站在整個鏈條的始發(fā)點。從一種材料的研發(fā)到材料在發(fā)動機或者變速器中的應用,至少需要10-12年的時間。在材料開發(fā)時,必須要考慮到這一點。
問:過去的10-15年,在車身或者動力系統(tǒng)中,又發(fā)現(xiàn)了哪些新材料呢?
答:在結構材料領域,非常清楚的是混合化。如果看元素周期表的話,從純技術的角度來看,對于汽車制造來說,只有四種元素是有非常意義的:鐵/鋼、鋁、鎂和鈦。這四種元素中總會有一種要好于元素周期表中所有其它的元素。當然,還有纖維、碳纖維和玻璃纖維,還有塑料,即熱塑性塑料和熱固性聚合物。未來將會按照定制的性能要求去開發(fā)定制的材料。這意味著,在一個構件內(nèi)確定位置的特殊性能與其它位置的性能不同。
問:混合材料?
答:是的。傳統(tǒng)的混合材料是塑料復合材料,可以歸類為基于塑料基體的碳纖維或者玻璃纖維,沿著載荷方向布置??梢陨筛飨虍愋?,設置與方向相關的剛度和強度。
最近,鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)出了“三明治”材料,即外面是鋼,內(nèi)部是中性纖維的塑料。可以想象,將金屬和纖維相互連接,類似于航空工業(yè)中已知的材料Glare?;蛘呖梢栽阼T造材料中設置陶瓷顆粒,以改進剛度。一個全新的應用肯定是金屬3D打印。采用這個方法,不僅可以打印出三維的金屬件,還可以用粉末改變局部,局部的合金成分也可以變化,甚至能生產(chǎn)出相圖之外的局域合金。
問:新的材料要求新的生產(chǎn)技術和連接技術。將新材料帶入批量化生產(chǎn)究竟有多困難?
答:我們所處的研究領域要是沒有材料和制造方法是不可想象的。我們不僅是簡單地開發(fā)一種新的材料。針對每一種材料,我們都需要解答最基本的問題,要考慮到材料的可加工性,材料的成型性,材料的連接技術,材料的可獲得性,諸如此類。在材料開發(fā)中,必須要解決仿真與加工性的基礎問題。通常來說,我們所面臨的挑戰(zhàn)還在于,一種新材料,例如高強鋼,鋁合金或者是鎂合金,都應當能基于現(xiàn)有的生產(chǎn)裝備或多或少是可以加工的。即使是一個供應商提供的構件,也必須可以在相對應的生產(chǎn)過程中可以融入加工過程。例如,奧迪A8的背板單元是碳纖維復合材料。這個單元在奧迪的內(nèi)卡斯烏爾姆工廠加工完畢,然后集成到現(xiàn)有的制造過程中。
問:目前,在小批量和大批量車型中,采用的材料組合是不同的。小批量生產(chǎn)中用碳纖維復合材料和鋁,大批量生產(chǎn)中用鋼。未來,這種材料上的差別是會越來越大呢,還是會日益縮?。?br />
答:通常來說,新材料是“自上而下”進入批量生產(chǎn)的。所以也可以理解,一旦我們決定采用一種材料,最理想的是對該材料的需求也會增加。就是說,材料生產(chǎn)商和構件生產(chǎn)商面對的是完全不同的數(shù)量,并且可以為此高效地組織生產(chǎn)。一旦實現(xiàn)了這種效率,那么下一步就可以為下一代汽車市場服務了。
問:那樣的話,在大批量生產(chǎn)中采用鋁就不能拖太長的時間了。
答:鋁材料已經(jīng)在很多量產(chǎn)車型中得到了應用,尤其是奧迪系列的車型。但是,如果將鋼和鋁進行比較,可以看到,在過去的20年,鋁在加工和材料可獲得性方面明顯得到了改進。不過,鋼也是一樣。另外,鋼的機械性能也得到了明顯的改善。就是說,鋁和鋼的競爭還是非常激烈的,對于鋁來說,進入大批量生產(chǎn)還需要更多的努力。
《輕量化技術》問:如今,汽車對環(huán)境的影響主要是根據(jù)使用階段的排放來評估的。很多開發(fā)工作也是針對這一目標來開發(fā)新的材料。如果將汽車對環(huán)境的影響擴展到汽車的整個的壽命周期直至回收加以評估,材料的組合會是什么樣的?
紹爾特答:如果將新的材料,例如金屬纖維三明治材料,與傳統(tǒng)的材料相比,可以看出,絕大多數(shù)新材料的生態(tài)平衡指數(shù)并不怎么好。但是,我們也知道,在量產(chǎn)車型中采用一種新材料,也會觸發(fā)其它的活動。就是說,如果一個類似大眾集團這樣的企業(yè)在量產(chǎn)車中采用一種特定的混合材料,到一定時候就會出現(xiàn)回收材料的商業(yè)行為。此外,基于規(guī)模效應,遲早也會出現(xiàn)能源適宜的生產(chǎn)過程和加工過程。從生態(tài)角度來看,總是先出現(xiàn)輕量化的驅動,長期下來,在環(huán)境指數(shù)以及二氧化碳指數(shù)方面也終于會得到回報。
問:是否可以將碳纖維復合材料作為例子呢?
答:我們現(xiàn)在已經(jīng)清楚地知道,如何有效率地使用碳纖維,如何回收或者再次使用。這些想法首先在碳纖維復合材料的開發(fā)工作中產(chǎn)生的。碳纖維的生產(chǎn)非常耗能。但是如果對碳纖維有相對應的需求,主機廠可以和碳纖維制造企業(yè)約定,生產(chǎn)碳纖維的能源要來自風能發(fā)電或者水力發(fā)電等符合生態(tài)標準的來源。
問:您對復合材料的生產(chǎn)企業(yè)有什么建議,以便于他們有機會將長纖維強化塑料用于大批量生產(chǎn)?
答:首先要區(qū)別碳纖維和玻璃纖維。玻璃纖維非常便宜,玻璃纖維的生產(chǎn)和加工需要高度自動化。碳纖維的價格始終過高,即使已經(jīng)取得了非常大的進步。下一步,對于碳纖維來說,更有意義的是開發(fā)出剛度更高與/或者強度更好的材料,這樣可以通過減少碳纖維布置的數(shù)量來降低構件的成本,這比單純來降低現(xiàn)有碳纖維的成本更有意義。
問:汽車材料研究接下來怎么搞呢?下一個大事件是什么?
答:我們?nèi)缃裉幵谝粋€階段,在這個階段里,材料研究擁有了全新的可能。就是說,材料的研究,不僅僅是通過在材料中這里添加百分之二那里添加百分之一的元素,以可能提高百分之三的抗拉強度。不是這樣的。如今,我們可以通過采用新的仿真方法全新開發(fā)材料,而且會以迄今為止無法想象的速度開發(fā)新材料。這當然是非常令人激動的,這種情況現(xiàn)在剛剛開始出現(xiàn)。
問:這些仿真方法真的是新的,還是由于計算能力增加了?
答:我指的是量子仿真。我們已經(jīng)在功能材料領域已經(jīng)成功地采用了這種方法。量子仿真的機理在上個世紀二十年代就已經(jīng)為人所知了,例如不確定性原理,但是直到不久前還無法將這個機制用于材料的開發(fā)。所有重要的材料物理性能都是通過帶原子核以及相鄰原子的原子核的電子的相互作用來描述的,本質上來講,是采用薛定諤方程加以描述的,只是方程無解。
問:但是您現(xiàn)在不是解開了么?
答:基于新的仿真模型如密度泛函理論,可以通過采用離散模型,借助日益增長的計算能力,從而導致非常好的結果,例如:在開發(fā)新的電池材料方面。針對更進一步的材料仿真,則需要更高的計算能力,因此量子計算機就非常重要了。基于這個原因,大眾公司現(xiàn)在也在和谷歌進行合作。一旦量子計算機真的可供使用,那么計算能力無疑將得到極大提升,我們可能就可以進一步通過仿真方法開發(fā)用于結構應用的復雜合金,這樣可能會針對特殊應用開發(fā)出終極材料。這還是屬于未來的夢想,但是可以想象,針對完全確定的強度和剛度組合計算出準確的合金成分,也可能會產(chǎn)生出迄今尚無法想象的合金成分。
問:如果可以完全計算整個過程,高強鋼的剛度上升多少個百分比?
答:我們得現(xiàn)實一些,過去120多年以來,對鋼的研究一直持續(xù)不斷。如今,可供使用的鋼材超過7千種?,F(xiàn)在要是有人要想找到具有全新性能的鋼,幾乎是不可能的。一種金屬材料的剛度只在非常窄的邊界起作用。但是,可以通過帶入材料混合與纖維或者顆粒,與其它材料合金化,在一定的邊界對材料(包括鋼)的彈性模量施加影響。
問:材料領域如何從新的機遇中獲利呢?
答:遺憾的是,在德國,材料領域不一定會增長。由于德國的能源價格高企,鋁工業(yè)、銅工業(yè)和鎂工業(yè)都面臨著巨大的壓力。對于塑料生產(chǎn)企業(yè)也是如此。鋼鐵制造企業(yè)則是雙倍艱難,因為他們不僅面臨高的電價壓力,還面臨著來自中國的低價鋼鐵的壓力。這對于材料領域來說,需要通過創(chuàng)新來創(chuàng)造新的機遇和新的定位。
問:但是至少大眾汽車公司從低價鋼鐵中獲利了。
答:如果歐洲的鋼鐵制造能力大幅下降,對于汽車工業(yè)來說就是壞消息了。
問:百分之七十的創(chuàng)新都與材料密切相關,德國的材料研究會怎么發(fā)展呢?
答:在材料研究領域,我們處于不錯的地位。大眾公司創(chuàng)立了開放混合實驗工廠。在德國,過去的幾年中成立了很多類似的研究機構。大眾有很多的材料聯(lián)盟。從研發(fā)的角度看,如碳纖維復合材料開發(fā),已經(jīng)做了大量的工作。當然,我們也關注不同領域的國際研發(fā)活動。在傳統(tǒng)材料開發(fā)領域,德國處于領先的地位,或者至少超前的地位。德國有很多協(xié)會,可以激發(fā)年輕工程師的興趣,如針對碳纖維復合材料的協(xié)會,或者塑料協(xié)會。另外還有很多行業(yè)協(xié)會,可以將研發(fā)機構和工業(yè)界結合在一起。這些都值得關注。
問:最后還有一個小問題:更輕的汽車可以承擔更多的成本嗎?
答:我認為可以,更輕的汽車必須更貴一些。正因為如此,最有效率的輕量化材料首先用于豪華車和超級跑車中。
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