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塑料拓展在汽車上的應(yīng)用
2012-2-9 來源： 作者：
目前汽車工程師和設(shè)計(jì)人員降低車重的方式來看，汽車上似乎沒有一個(gè)地方是安全的了。各種不同種類的材料都等待著應(yīng)用到汽車上，它們要么用于一些成熟的部件上，要么尋求一些新的應(yīng)用領(lǐng)域。鋼鐵行業(yè)聲稱將推出新的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼，可以減少材料的使用量，而且其他一些金屬如鋁和錳一直以來也打著輕量化的旗號(hào)。
塑料和復(fù)合材料同樣因其在輕量化方面的性能而得到廣泛的認(rèn)可，此外它們還可以帶來設(shè)計(jì)方面的自由度。不過這些材料的缺點(diǎn)也很明顯，比如制造方面的挑戰(zhàn)就會(huì)限制大批量生產(chǎn)成本效益的提高。不過，供應(yīng)商在這方面也取得了巨大的進(jìn)步，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)并提高制造流程效率來克服塑料在這方面的缺點(diǎn)。
雖然塑料在汽車內(nèi)部的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍了，而且在外部車身方面也越來越普遍，比如車頂模塊和擋泥板上，不過它們依然在拓展到新的應(yīng)用領(lǐng)域。本文接下來將詳細(xì)介紹這些新的應(yīng)用，包括底盤部件、太陽能模塊、電池以及后擋風(fēng)玻璃。
纖維增強(qiáng)塑料用于底盤部件上
采埃孚公司在底盤設(shè)計(jì)方面正在尋求新的應(yīng)用材料。在去年9月份的法蘭克福車展上，該公司展示了他們?cè)诓捎锰祭w維復(fù)合材料降低底盤后橋和減震器重量方面的研究成果。
今天車輛的底盤不僅要保證駕駛的安全性還要提供一種駕駛感覺，同時(shí)還要保證乘坐舒適性。這些要求導(dǎo)致底盤變得越來越復(fù)雜，也越來越重，因?yàn)榈妆P的部件數(shù)量在不斷增加，一些主動(dòng)系統(tǒng)也越來越多。
采埃孚開發(fā)了一種新的后橋概念，采用新的材料并進(jìn)行功能的整合緩解了這種矛盾。這種緊湊型后橋采用了車輪導(dǎo)向橫置板彈簧，材質(zhì)為玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）。
采埃孚公司設(shè)計(jì)的車輪導(dǎo)向橫置板簧軸采用玻璃纖維增強(qiáng)材料。
這種方式與后扭力梁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比在減重和功能性方面都具有優(yōu)勢(shì)。
“這種技術(shù)可以大大提高車輛的競爭力，”該項(xiàng)目位于德國Friedrichshafen市的工程小組成員Gerhard Gumpoltsberger表示�！拔覀兺ㄟ^功能整合、替代材料以及生產(chǎn)和裝配流程周期的降低提高了整個(gè)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。該后橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件數(shù)量很少，在重量方面即使與后扭力粱設(shè)計(jì)相比也具有一定的優(yōu)勢(shì)�！�
“除此之外，這種后橋的特性與多連桿后橋很接近，”Gumpoltsberger接著說。板簧采用的玻璃纖維增強(qiáng)材料在縱向上剛性很高，但是在垂直方向上彈性很高。彈簧采用兩個(gè)鉸點(diǎn)固定，車輪動(dòng)能可以得到很好的減震，而且彈簧也沒有扭力出現(xiàn)。車輪位置通過兩個(gè)金屬桿來確定。
“ 這項(xiàng)研究的主要目標(biāo)之一就是從量產(chǎn)方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，”Gumpoltsberger說，畢竟這才是將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到懸掛系統(tǒng)中面臨的真正挑戰(zhàn)。
在法蘭克福車展上，采埃孚還展出了一款超輕底盤部件原型，即倒置的單管麥弗遜式減震器，整合了采用碳纖維增強(qiáng)聚酯（CFRP）材料的車輪軸架。該減震器有兩個(gè)好處：減震器倒置的設(shè)計(jì)方式在減震管提供測(cè)力支持有利于輕質(zhì)的減震桿工作。將減震器與采用CFRP材料的車輪軸架整合在一起，總的減震器模塊重量可以得到大幅降低，大約只是當(dāng)前輕質(zhì)鋁材料模塊的一半左右。
采埃孚公司這種CFRP結(jié)構(gòu)是有限元分析的結(jié)果。從車輪軸架的負(fù)荷路徑開始，承載負(fù)荷的支架與推力矢量完全匹配起來。
“目前，我們?cè)O(shè)計(jì)的CRFP原型結(jié)構(gòu)負(fù)荷只加載到30%。我們的目標(biāo)是最終可以采用一種材料，使負(fù)荷達(dá)到70%，”采埃孚薩克斯開發(fā)小組Hendrik Marquar說。“除了減重方面的好處，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)還包含一個(gè)塑料波紋管彈簧，在減震的時(shí)候可以提高車輛NVH性能，比鋼彈簧效果好，”Marquar說。“為了便于進(jìn)行碰撞分析，車輪軸架采用的纖維中編入一根信號(hào)傳遞光纖。這根光纖在軸架超載時(shí)可以發(fā)出電子信號(hào)，就好像應(yīng)變儀一樣。主動(dòng)安全系統(tǒng)也可以采用該信號(hào)數(shù)據(jù)，因?yàn)樾盘?hào)傳遞光纖可以即時(shí)探測(cè)出負(fù)荷的大小和方向�！�Jörg Christoffel
塑料太陽能電池模塊
采用太陽能為汽車電子系統(tǒng)或輔助系統(tǒng)如空調(diào)等提供電能，甚至為電瓶充電，引起了越來越多的關(guān)注。去年法蘭克福車展上一家名為REVA Electric Car的公司展出了相關(guān)的研究成果。這家印度汽車制造商推出了一款名為REVA NXR三門掀背轎車。作為這款車的選配件，車頂太陽能電池板可以為車載電瓶提供連續(xù)性補(bǔ)充充電。
新款豐田Prius也提供了一種可選的滑動(dòng)玻璃天窗，整合了Kyocera公司開發(fā)的太陽能電池板。在汽車停在太陽下的時(shí)候可以為汽車通風(fēng)系統(tǒng)提供電能。
不過應(yīng)用于汽車上的太陽能電池模塊目前來看依然是一個(gè)市場(chǎng)份額很小的產(chǎn)品。其中的原因據(jù)Proof Design andInnovation Management公司稱主要是因?yàn)椴捎貌ＡУ碾姵啬K制造方式在尺寸和重量方面限制了光伏電池的應(yīng)用。這家德國公司在法蘭克福車展上展出了一款采用塑料的光伏模塊解決方案，稱為復(fù)合太陽能電池模塊（CSM）。
“采用Proof CSM太陽能電池模塊，你可以在引擎蓋、儀表板甚至后窗臺(tái)板上進(jìn)行太陽能發(fā)電，這在以前是做不到的，”該公司工程負(fù)責(zé)人Denis le Maire說。而與傳統(tǒng)的玻璃模塊相比，這種新的設(shè)計(jì)可以使模塊重量減少50%。
在CSM模塊生產(chǎn)過程中，太陽能電池嵌入到透明度非常高的熱塑性塑料板中間，通過該公司專利工藝Sunovation進(jìn)行生產(chǎn)。采用的高性能材料有贏創(chuàng)公司的Plexiglas和拜耳材料科技的Makrolon產(chǎn)品。
Proof Design公司產(chǎn)品開發(fā)工程師Bettina Weiss說，Sunovation工藝包含了目前所有的太陽能電池技術(shù)。他透露公司還與一些電池制造商如Sunways、Uni-Solar和SolarWorld等公司針對(duì)電池模塊展開合作。
在太陽能電池模塊中采用塑料的地方是面板和電池之間的硅基凝膠層，當(dāng)然電池板采用的也是硅基材料�！肮璧呐蛎浡实�，而塑料受熱會(huì)膨脹很多，”Weiss解釋道。“因此如果將電池片直接粘結(jié)到塑料板上的話，肯定會(huì)破裂。基于這個(gè)原因，我們?cè)谒鼈冎g增加了一個(gè)中間層，可以吸收材料之間的張力，同時(shí)還可以提供很好的絕緣效果�！�
Weiss指出，CSM面板可以很好地抵消機(jī)械張力，與玻璃模塊相比不僅質(zhì)量更輕韌性更好，抗斷裂性也更高。這些特性使這種技術(shù)不僅適用于乘用車還可以用于重型卡車，甚至是輪船上。
Proof Design公司在太陽能電池模塊方面的另一個(gè)創(chuàng)新體現(xiàn)在設(shè)計(jì)方面，尤其是太陽電池片定制化激光切割方面。
“我們是一家設(shè)計(jì)公司，因此我們想讓太陽能行業(yè)知道他們需要改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，”Weiss說�！叭魏我患移囍圃焐潭枷霌碛歇�(dú)特的電池設(shè)計(jì)，而不是統(tǒng)一的設(shè)計(jì)。我們有專門的激光加工工藝，可以將電池片切割成不同的幾何形狀，這樣可以讓每一個(gè)客戶的產(chǎn)品都具有獨(dú)特性。”
到2010年底，Proof Design公司的塑料太陽能電池模塊將投入批量生產(chǎn)，用于建筑領(lǐng)域�！安贿^還不會(huì)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，”Weiss說�！拔覀兡壳罢谂c幾家汽車制造商進(jìn)行合作，不過尚處于原型開發(fā)階段。對(duì)于一些試產(chǎn)車型，我們已經(jīng)開發(fā)了功能性模塊�！�
Weiss還指出，要想讓這種模塊獲得廣泛應(yīng)用，首先要讓汽車制造商接受采用塑料的電池模塊�！叭绻阆胍ＡK的質(zhì)量，那我們只能在塑料方面進(jìn)行努力。不過像拜耳這樣的公司正在進(jìn)行原材料的研究，這樣我們就可以提供像玻璃一樣的質(zhì)量。如果可以接受塑料的光澤，那么這種模塊的發(fā)展機(jī)會(huì)就出現(xiàn)了�！�Ryan Gehm
導(dǎo)電塑料用于電池模塊
“雖然不能改變電池的工作原理，但是你可以改變電池采用的材料，”IntegralTechnologies公司CEO Bill Robinson說。這也是這家總部位于華盛頓州貝靈漢市公司所從事的工作；他們開發(fā)了一種稱為ElectriPlast的可注塑成型的導(dǎo)電塑料，這是一種可以導(dǎo)電的共聚混合物。
ElectriPlast由細(xì)小的粒子組成，粒子中混入了金屬纖維。這些粒子注入到注塑機(jī)成型，其中的金屬纖維可以幫助簡化電池和電子元件的生產(chǎn)流程。Robinson表示，ElectriPlast的獨(dú)特之處在于注塑過程中材料混合的方式。
“其他類似材料就好像椒鹽混合物，在注塑成型產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生溫度不均的區(qū)域。ElectriPlast就沒有這種問題，因?yàn)樗胁牧隙际腔旌系搅Ｗ又�，”他解釋道�！斑@種粒子是整個(gè)流程的關(guān)鍵所在，而我們的客戶收到我們的產(chǎn)品后只需要做一件事：通過機(jī)器注塑或擠出成型�！�
如果用ElectriPlast替代鉛或不銹鋼用于電池生產(chǎn)中，該公司表示電池的重量可以比目前使用的傳統(tǒng)電池輕9~14kg。Robinson相信這種材料會(huì)廣泛用于當(dāng)前汽車和未來混合動(dòng)力車中。
“ElectriPlast材料已經(jīng)開發(fā)了五年，目前已經(jīng)成熟。我們現(xiàn)在可以為任何一家客戶提供定制化服務(wù)，”他說。該公司生產(chǎn)合作伙伴是總部位于印第安納州Jasper市的Jasper Rubber Products公司。Robinson表示，目前已經(jīng)有幾家二級(jí)供應(yīng)商在展開對(duì)ElectriPlast材料的分析工作。
除了為一家電池制造商提供幾種不同用于標(biāo)準(zhǔn)12V電池注塑生產(chǎn)的混配物外，該公司還向幾家大型天線制造商提供了一些特殊的混配物。其中一家制造商已經(jīng)生產(chǎn)出了原型產(chǎn)品，而且正在進(jìn)行商業(yè)化測(cè)試工作。
Integral表示，這種材料還可以應(yīng)用在一種新型軍用防護(hù)物上的注塑件中，此外還可以以一種“革命性的方式”應(yīng)用在電線生產(chǎn)中。目前已經(jīng)有一些電線制造商對(duì)此表現(xiàn)出了興趣。
當(dāng)問道這種材料與傳統(tǒng)鉛和不銹鋼相比在成本方面會(huì)怎樣時(shí)，該公司CEO回答道，“成本目前不是主要的因素，畢竟盡可能地降低各種部件的重量是制造商追求的目標(biāo)——車輛重量減輕可以提高燃油經(jīng)濟(jì)型�！�Ryan Gehm
拜耳拓展聚碳酸酯應(yīng)用領(lǐng)域
拜耳材料科技認(rèn)為聚碳酸酯在汽車工業(yè)中的應(yīng)用將獲得快速的增長，應(yīng)用領(lǐng)域包括全景和層疊式天窗以及側(cè)窗，而且還將延伸到其他地方，比如后擋風(fēng)玻璃。聚碳酸酯不僅比玻璃輕很多，還可以提供較高的設(shè)計(jì)自由度，而且抗碎裂性能好。拜耳模克隆即為這樣一種聚碳酸酯產(chǎn)品。為了研發(fā)新玻璃技術(shù)和提高客戶服務(wù)能力，拜耳還在制造設(shè)施方面進(jìn)行了投資。在其抗刮擦涂層實(shí)驗(yàn)室中，拜耳還有一套用于測(cè)試擋風(fēng)玻璃雨刮器對(duì)材料刮擦效果的設(shè)備。這是拜耳BayVision服務(wù)的一個(gè)部分。
拜耳材料科技在位于德國萊沃庫森市的工廠中現(xiàn)在又增加了一臺(tái)恩格爾公司制造的2300t雙色注塑機(jī)，帶有旋轉(zhuǎn)圓盤和注塑壓縮成型功能。該機(jī)器可以生產(chǎn)3D車頂模塊，尺寸最大可以達(dá)到1.2m2，此外還可以生產(chǎn)其他一些復(fù)雜的玻璃部件。整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境需要保持潔凈，因此機(jī)器的生產(chǎn)過程都是全自動(dòng)的。
拜耳萊沃庫森市工廠的新設(shè)備可以在預(yù)制薄膜的背部注射成型，即眾所周知的薄膜嵌入成型（film inser tmolding，FIM）。這種工藝可以將其他功能性部件整合到一起，包括車頂模塊中的加熱天線和車窗上的紅外線反射鏡。
拜耳材料科技汽車玻璃小組負(fù)責(zé)人Volkhard Krause說，“新的設(shè)備可以讓我們很精確地復(fù)制我們客戶的整個(gè)生產(chǎn)過程，從而幫助他們改進(jìn)模具并解決生產(chǎn)方面的問題�！�
在最近一次客戶研討會(huì)上，戴姆勒公司汽車玻璃和雨刮器系統(tǒng)部門負(fù)責(zé)人UweRenz稱與聚碳酸酯領(lǐng)域的專家進(jìn)行交流可以幫助這種材料在未來更廣泛地應(yīng)用到汽車領(lǐng)域中。
拜耳還擴(kuò)展了其在Uerdingen市的涂層工廠。該工廠主要致力于聚硅氧烷涂層的生產(chǎn)。在拜耳位于萊沃庫森市工廠的潔凈室設(shè)施中，工作人員對(duì)3D聚碳酸酯注塑件進(jìn)行淋涂，尺寸達(dá)到1.4m2。
不過，抗磨損和抗刮擦性能對(duì)聚碳酸酯部件來說非常重要，尤其在未來應(yīng)用到后擋風(fēng)玻璃方面這種性能顯得更為重要。注塑壓縮成型方式在連續(xù)生產(chǎn)中效率很高，因?yàn)槿绻档妥⑸鋲毫Γ⑸涑尚偷膽?yīng)力和扭力就會(huì)減小，產(chǎn)品的表面質(zhì)量就可以達(dá)到濕涂層的要求。
當(dāng)談到雨刮器測(cè)試項(xiàng)目時(shí)，拜耳材料科技聚碳酸酯汽車玻璃表面改進(jìn)領(lǐng)域?qū)＜?/span>FrankBuckel博士解釋說，“相對(duì)于規(guī)定中所要求的Taber耐磨測(cè)試，該測(cè)試可以使我們更真實(shí)、更精確地模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中擋風(fēng)玻璃刮水器在車窗上施加的壓力�！�
Taber試驗(yàn)是將兩個(gè)裝滿金剛砂粒的滾筒以規(guī)定的作用力壓于旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)對(duì)象上。在拜耳的新測(cè)試系統(tǒng)中，涂有需測(cè)試的實(shí)驗(yàn)薄板固定好，使裝有商用刮水片的刮水器以20g/cm2的作用力在薄板上前后移動(dòng)，移動(dòng)速度為14cm/s。
Buckel表示，“最初的測(cè)試顯示，當(dāng)涂有聚硅氧烷涂層的車窗在受污后，使用刮水器進(jìn)行濕擦，即使經(jīng)刮水器的兩片刮水片反復(fù)摩擦3萬次后，也不會(huì)產(chǎn)生肉眼可視的霧狀變化�！�
而對(duì)于那些沒有摩擦的部件（全景天窗和側(cè)窗）的測(cè)試，主要將涂有涂層的實(shí)驗(yàn)薄板固定在車頂上，并在三年的時(shí)間內(nèi)，每周進(jìn)行一次沖洗——在測(cè)試過程中不會(huì)采用任何保護(hù)性物質(zhì)。拜耳表示，試驗(yàn)顯示，與等離子表面涂層濕涂工藝相比，邁圖高新材料股份有限公司（Momentive Performance Materials）的AS4000聚硅氧烷系統(tǒng)，具備更出色的耐磨性。即使經(jīng)過150多次洗車，涂有AS4000的模克隆車窗也未出現(xiàn)可見霧狀變化。
該測(cè)試還證實(shí)，涂有純聚硅氧烷涂層的批量生產(chǎn)的聚碳酸酯車窗，有效使用六年多并達(dá)到125,000公里的行駛里程后，依然具備良好耐磨性。
