新能源汽車材料與涂裝Benchmark 分析

作者：沈長(zhǎng)海，張文浩，王納新

單位：浙江眾泰汽車制造有限公司，長(zhǎng)春漢高表面技術(shù)有限公司

摘要：文章通過(guò)在對(duì)經(jīng)典新能源汽車用材料及涂裝Benchmark分析，結(jié)合新能源汽車的特點(diǎn)，進(jìn)一步探討適合新能源汽車的涂裝材料與工藝。

 

引言
 

目前，能源與環(huán)境的危機(jī)加速了各國(guó)政府對(duì)汽車生產(chǎn)中能耗和排放的嚴(yán)格控制。到 2020 年，除美國(guó)之外的全球主要的汽車生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)家和地區(qū)，對(duì)乘用車燃油油耗的要求都將嚴(yán)格限制在 5 L/100 km 以下的水平，而且碳排放也更為嚴(yán)格。我國(guó)從 2017 年開始，為打造藍(lán)天白云保衛(wèi)戰(zhàn)，各地區(qū)紛紛出臺(tái)節(jié)能減排政策新規(guī)和新能源汽車雙積分制度。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車輕量化與能耗消耗有著直接關(guān)系。傳統(tǒng)燃油汽車整備質(zhì)量每減少 100kg，百公里油耗可降低 0.3～0.6 L；新能源汽車每減少 100 kg 質(zhì)量，續(xù)航里程可提升 10%～11%， 還可以減少 20%的電池成本以及 20%的日常損耗成本。所以，隨著新能源汽車全產(chǎn)業(yè)體系快速發(fā)展，汽車輕量化需求的日漸迫切。新能源汽車比較傳統(tǒng)汽車，全鋼鐵車身正悄悄地發(fā)生變化，多材料連接的輕量化車身和模塊化車身結(jié)構(gòu)等等，這些都對(duì)新能源汽車涂裝提出了全新要求和挑戰(zhàn)。

涂裝Benchmark 分析是憑涂裝生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)標(biāo)車拆解數(shù)據(jù)分析，對(duì)車身數(shù)模、涂裝材料及工藝提出直接的建議和分析，是實(shí)施汽車涂裝同步工程的第一步。本文以寶馬 i3 新能源車型為對(duì)標(biāo)車型，探討涂裝 Benchmark 分析工作內(nèi)容，淺談新能源汽車車身的涂裝材料和工藝。
 

1 涂裝Benchmark分析工作內(nèi)容

BMW i3 是一款新能源汽車，它引領(lǐng)“Life-Drive”模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)，“Life-Drive”模塊化車身架構(gòu)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見(jiàn)圖1。“Life”模塊采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，成為輕量化材料進(jìn)入量產(chǎn)車型的成功案例。“Drive” 模塊采用鋁合金空間框架和鋁合金型材和鑄件構(gòu)成。

對(duì) BMWi3 的涂裝 Benchmark 分析如下：

（1）“Life”模塊有頂蓋、乘員艙骨架及外飾塑料件組料（CFRP）、熱塑性塑料、熱塑性彈性體、膠粘劑和其他輕質(zhì)材料。車身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)共有 34 個(gè) CFRP 零件，其中包括： 13 個(gè) RTM 整體件（48 個(gè)預(yù)成型件），2 個(gè)剖面有泡沫支撐核的 RTM件，19 個(gè)整體纖維增強(qiáng)模壓件。爆炸圖見(jiàn)圖 2。各種材料的質(zhì)量占整車質(zhì)量比例大約為：CFRP 占 50%、熱塑性塑料+熱塑性彈性體 10%、膠粘劑和泡沫 15%。

 

圖1 BMW i3 的“Life-Drive”模塊架構(gòu)圖

圖2 BMW i3 內(nèi)部 34 個(gè) CFRP 零件的爆炸圖

（2）“Life”模塊的頂蓋材料為：再生 CFRP，耐溫 85°C 。透明涂裝效果，外露碳纖維花紋。

涂裝工藝為：（透明膩?zhàn)?烘干）-罩光漆-烘干。且根據(jù)再生 CFRP 的外觀的致密程度，可僅涂清漆。

涂裝材料：采用 CFRP 專用涂料

（3）“Life”模塊的乘員艙骨架材料為：再生CFRP， 耐溫85°C，結(jié)構(gòu)件無(wú)涂裝。

（4） “ Life ”模塊的外飾塑料件材料為熱塑性材料。發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前后車門外板、前翼子板和后防護(hù)板采用 PP/EPDM  TV30 ；車頂縱梁材料是  ABS/PC   Min20 。耐溫 85°C 。

涂裝工藝為：底漆-烘干（80°C*30min）-基色漆-閃干- 罩光漆-烘干（80°C*30min），塑料件是在另外一條專線上涂裝，到總裝車間裝配到乘員艙車身上。具體的涂裝路線參見(jiàn)圖 3。

 

    圖 3 BMW 公司 i3 電動(dòng)車車身的工藝路線

涂裝材料：采用水性涂料

先進(jìn)涂裝設(shè)備：

a. 自動(dòng)靜電噴涂設(shè)備；

b. 涂料供應(yīng)系統(tǒng)為安裝在機(jī)器人手臂上彈夾式，只需6bar 的壓縮空氣，可保證噴涂的一次合格率 95%；

c. 采用能源再生裝置，95%噴漆室空調(diào)風(fēng)循環(huán)利用，削減 70%的能耗，不需要專用的修補(bǔ)間；

d. 采用干冰清洗技術(shù)進(jìn)行漆前處理； e.采用火焰處理進(jìn)行零部件表面調(diào)整。

f.噴漆室采用干式噴漆室和漆霧捕集裝置，無(wú)需污水處 理。

（5）“Drive”模塊骨架是鋁合金材料，采用陰極電泳或 鈍化工藝進(jìn)行防護(hù)。

“Life-Drive”模塊化車身架構(gòu)的制造工藝與傳統(tǒng)的鋼鋁車身的沖壓、焊接和涂裝工藝都有所不同。涂裝變成離線生產(chǎn)，對(duì)于鋁件傳統(tǒng)的焊接和沖壓工藝，不再是沖連、沖鉚、機(jī)器人滾邊壓合、激光焊、螺柱焊、MIG 釬焊等工藝，焊接也變成了以粘接為主，鉚接為輔的工藝過(guò)程。

由此，根據(jù)對(duì)對(duì)標(biāo)車所用材料、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝的分析，

涂裝 Benchmark 分析的大體工作內(nèi)容如下：

①拆解對(duì)標(biāo)車，獲得新材料、新工藝及新技術(shù)應(yīng)用信息。

②實(shí)測(cè)對(duì)標(biāo)車總成和零部件的膜厚及外觀數(shù)據(jù)，獲得涂 裝工藝、質(zhì)量及成本的信息。

③拆解車身密封部位，分析其密封工藝的設(shè)計(jì)原則。

④通過(guò)對(duì)車身鈑金材料的分析，特別是鍍鋅鋼板、鋁合 金板材的使用分布情況，了解對(duì)標(biāo)車的防腐蝕與成本目標(biāo)。

⑤通過(guò)對(duì)車身 NVH 材料應(yīng)用的分析，了解對(duì)標(biāo)車防聲 降噪的性能。

⑥對(duì)標(biāo)車的市場(chǎng)分析和整車性能測(cè)試，制定新開發(fā)車型 的設(shè)計(jì)任務(wù)書和開發(fā)指令 。

2 新能源汽車車身涂裝材料和工藝

2.1 金屬混合材料車身  

新能源汽車?yán)m(xù)航里程的需求，車身輕量化是必由之路。新能源車身一般由多種低密度高強(qiáng)度材料，例如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鋁鎂合金、塑料、纖維增強(qiáng)材料替代傳統(tǒng)鋼材，最終形成混合材料車身。目前，高強(qiáng)度鋼板在車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用已經(jīng)比較普遍，鋼和鋁結(jié)合車身或全鋁車身也已經(jīng)應(yīng)用多年，德國(guó)大眾汽車的奧迪品牌產(chǎn)品在這方面比較有代表性。

因?yàn)?，各種底材的物理性質(zhì)和熱穩(wěn)定性的差異, 鋼、鋁、鎂，包括纖維增強(qiáng)材料的電化學(xué)腐蝕特性的不同，致使混合材料車身的涂裝工藝較傳統(tǒng)工藝有很大差異。

傳統(tǒng)鋼鐵車身的涂裝工藝是  3C2B  工藝：

漆前處理（傳統(tǒng)鋅系磷化）→電泳→烘干（ 160 ℃ -180 ℃× 30min ）→中涂→烘干（ 140 ℃× 30min ）→底色漆→晾 干（或預(yù)烘干）→罩光漆→烘干（ 140 ℃× 30min ）

底色漆是溶劑型涂料或水性涂料。

如果底色漆是溶劑型涂料或水性涂料，罩光漆是  1K  或 2K  溶劑型涂料；

新能源汽車鋼鋁混合車身，采用高強(qiáng)度鋼板與鋁合金板的混合材料車身，如果鋁材用量占  20% 以下仍可按上述工藝 涂裝 ，僅在涂裝前處理工序作少量調(diào)整，磷化工序需加  F -  調(diào)整，促進(jìn)在鋁件表面形成磷化膜，為了避免槽液中被溶解下來(lái)的鋁離子阻礙其它板材上的磷化反應(yīng)，需要再加入鈉或者鉀離子把可溶性的鋁離子變成可以過(guò)濾的冰晶石鋁渣通過(guò) 過(guò)濾系統(tǒng)除掉。這時(shí)生產(chǎn)線的化學(xué)品消耗量更高。

如果鋁材用量占 20%以上，由于磷化槽液中鋁渣含量過(guò)大，導(dǎo)致磷化槽液含渣量失控，造成電泳或者后續(xù)涂層出現(xiàn)粗糙或者出現(xiàn)大量非常硬的顆粒。這時(shí)傳統(tǒng)磷化和鈍化工藝已經(jīng)不適合，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行很大的調(diào)整，有一種過(guò)渡藝是采用“兩步法”。即第一步，在磷化過(guò)程中，通過(guò)在磷化槽液中添加一定量的緩蝕劑，阻止鋁板表面形成磷化膜，其他板材表面正常形成磷化膜。第二步，在鈍化工序，在未成膜的鋁板表面形成具有更高耐腐蝕能力的鈍化膜，而其他板材則在磷化膜基礎(chǔ)上進(jìn)行封閉，減小磷化膜的孔隙率，進(jìn)一步提升防腐性能。“兩步法”工藝后，不同板材的耐腐蝕能力與正常的鋅系磷化完全相同。此過(guò)程中鋁渣的產(chǎn)生量比常規(guī)磷化大幅度降低，但仍然高于其它板材常規(guī)磷化的產(chǎn)渣量， 需加大磷化槽液循環(huán)及磷化除渣能力。

如果鋁材用量 20%以上，同時(shí)，在鍍鋅板和冷軋鋼板上防腐性能要求不高的情況下?；蛘咝履茉雌嚾X車身，最好選擇環(huán)保型無(wú)磷薄膜前處理。薄膜前處理與鋅系磷化的工序?qū)Ρ纫?jiàn)圖 4。

 

圖 4 薄膜前處理與鋅系磷化的工序?qū)Ρ?/div>