汽車工業(yè)的現(xiàn)狀
作為世界上最大的工業(yè)領(lǐng)域，2010年的汽車行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)值達(dá)到9000億歐元，銷售車輛5500-6000萬輛。
按照車輛銷售價(jià)格，分成四個(gè)不同級(jí)別：豪華車、高端車、中級(jí)車和入門級(jí)車輛。目前的銷售價(jià)格，豪華車>7.5萬歐元，高端車>2.5萬歐元，中級(jí)車>1.5萬歐元，入門車 近幾年，全球汽車工業(yè)的發(fā)展主要源于新興市場(chǎng)產(chǎn)量的激增，尤其是中國(guó)。中國(guó)不再簡(jiǎn)單的作為西方的世界工廠，過去取得的經(jīng)濟(jì)成就也帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)消費(fèi)和服務(wù)業(yè)的 興起。汽車消費(fèi)的發(fā)展就是一個(gè)強(qiáng)有力的佐證。世界上，幾乎所有的汽車公司都在中國(guó)開設(shè)了本土工廠，這些合資工廠并非為了降低西方消費(fèi)者的成本，而是為了滿 足中國(guó)消費(fèi)者對(duì)汽車的需求。
汽車工業(yè)的發(fā)展，曾經(jīng)是西方戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)恢復(fù)的象征，如今也成為中國(guó)等新興國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的表現(xiàn)。預(yù)計(jì)，到了2015年，世界上每?jī)刹科嚕陀幸徊吭趤喼拗圃?，即使不包括日本。中?guó)生產(chǎn)的汽車比北美、日本和德國(guó)加起來的產(chǎn)量還要多。 2. 60年來汽車復(fù)合材料發(fā)展緩慢 復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域已經(jīng)有了一段很長(zhǎng)的歷史，可以追溯到1950s，主要用于汽車非結(jié)構(gòu)部件，例如硬質(zhì)車頂。從70/80年代開始，越來越多的采用熱塑性 復(fù)合材料生產(chǎn)汽車內(nèi)飾以及用熱固性復(fù)合材料制造次結(jié)構(gòu)件，例如保險(xiǎn)杠的梁。由于復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，如:設(shè)計(jì)靈活、容易成型、輕質(zhì)、耐腐蝕等，雖然原材 料和工藝成本高于鋼材和鋁，在汽車領(lǐng)域還是獲得了一些應(yīng)用。噴漆以后鋼汽車部件的成本大約是3-4歐元/公斤，復(fù)合材料次結(jié)構(gòu)件的成本大約是8-10歐元 /公斤。 汽車復(fù)合材料已經(jīng)不再是一個(gè)小眾市場(chǎng)。相對(duì)于復(fù)合材料的其他應(yīng)用領(lǐng)域，汽車領(lǐng)域已經(jīng)是其最大市場(chǎng)，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每 輛乘用車，復(fù)合材料約占總重量的6%。具體隨汽車的級(jí)別、地區(qū)和部件有所不同。對(duì)于所有級(jí)別的車輛，儀表板等內(nèi)飾件，75%的車輛采用了復(fù)合材料，但是對(duì) 于結(jié)構(gòu)部件，僅僅在高端車型中有所應(yīng)用。例如汽車的底盤，只有豪華車中的10%左右采用了復(fù)合材料?？偟膩碚f，復(fù)合材料的用量豪華車大約是15%，高端車 大約9%，中級(jí)車6%，入門級(jí)車輛4%。另外，對(duì)于新興市場(chǎng)中級(jí)車和入門級(jí)車輛，復(fù)合材料的用量通常比發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)同級(jí)別車型低1%。最近，復(fù)合材料的回 收越來越引起人們的關(guān)注。熱固性復(fù)合材料比熱塑性相比，回收的難度要大很多。所以，在現(xiàn)有的復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有采用熱塑性取代熱固性樹脂體系的趨 勢(shì)。 圖1 復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用從1980s開始加速
3. 2010年-2015年的趨勢(shì) 近期，汽車整車廠對(duì)復(fù)合材料的興趣不斷增加。這主要源于不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)（將來CO2排放超標(biāo)罰款）以及增加的燃油成本，這些都可以通過復(fù)合材料輕量化來實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料可以減輕重量，進(jìn)而降低碳排放，抵消增加的材料費(fèi)用和工藝成本。 歐洲議會(huì)2013年4月24日通過一項(xiàng)法律草案，要求到2020年在歐盟出售的新汽車平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克減少到95克。對(duì)于那些計(jì) 劃生產(chǎn)二氧化碳排放量超標(biāo)車的歐盟廠商，草案提出了補(bǔ)救措施，即這些廠商必須同時(shí)生產(chǎn)每公里二氧化碳排放量不足50克的超清潔汽車。具體規(guī)定如 下：2013年至2015年每生產(chǎn)1輛這樣的超清潔汽車，最多可生產(chǎn)3.5輛超標(biāo)車；2016年至2023年可生產(chǎn)1.5輛超標(biāo)車；2024年以后可生產(chǎn) 1輛超標(biāo)車。 盡管整車廠對(duì)復(fù)合材料的興趣有所增加，但是減少碳排放和燃油消耗的方法不僅僅是車輛減重。最經(jīng)濟(jì)的方法是提高燃油利用率，這可能是整車廠的首選，特別是對(duì) 于中級(jí)車和入門級(jí)車輛，因?yàn)檫@兩個(gè)級(jí)別的車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)排量常常不是購(gòu)買的主要考慮因素。對(duì)于現(xiàn)有復(fù)合材料和金屬在成本上的差距，需要一段時(shí)間，通過技術(shù)進(jìn) 步來彌補(bǔ)。例如，對(duì)于底盤這樣的結(jié)構(gòu)部件，加工好的鋼結(jié)構(gòu)的成本大約是3-4歐元/公斤，但是 碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本（基于現(xiàn)有材料和工藝技術(shù)）高 于30歐元/公斤。 不同的整車廠家最終會(huì)獲得不同的解決方案，這些方案能夠達(dá)成目標(biāo)的程度也會(huì)有所差異?？偟膩砜?，汽車復(fù)合材料用量的增加，主要集中在量產(chǎn)車車身的三個(gè)領(lǐng) 域：汽車底盤，車身覆蓋件和次結(jié)構(gòu)部件。這三個(gè)方面可以大幅度的提高汽車復(fù)合材料的用量。底盤的重量約占總重量的25%，是最具減重效率的部件。但是，按 照預(yù)計(jì)，量產(chǎn)車領(lǐng)域的汽車復(fù)合材料用量的突破不會(huì)在2015年以前出現(xiàn)。在2015年前的這段時(shí)間，汽車復(fù)合材料部件的用量會(huì)有少量增加，成本會(huì)有所降 低，復(fù)合材料制造廠家和整車廠對(duì)復(fù)合材料的材料和工藝進(jìn)一步熟悉；同時(shí)，復(fù)合材料開始用于一些高端車型的旗艦項(xiàng)目，例如德國(guó)的BMW的i3、美國(guó)的 Telsa電動(dòng)汽車以及英國(guó)的Axon插電式混合動(dòng)力汽車。 到2015年，汽車復(fù)合材料的用量會(huì)達(dá)到200萬噸，增長(zhǎng)主要來源于汽車產(chǎn)業(yè)的自然增長(zhǎng)（年產(chǎn)量增加6%）和已經(jīng)采用了復(fù)合材料的汽車部件的市場(chǎng)份額的增加。
4.2015-2020年的趨勢(shì) 2015年以后，隨著碳排放法規(guī)（2020年生效，并逐步嚴(yán)格）的臨近，碳纖維成本的降低以及快速固化環(huán)氧樹脂的出現(xiàn)，加上工藝和自動(dòng)化設(shè)備的不斷成熟， 例如針對(duì)熱固性復(fù)合材料快速制造開發(fā)的HP RTM（高壓樹脂轉(zhuǎn)移模塑）工藝和熱塑性復(fù)合材料層板熱成型自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)，到2020年，碳纖維復(fù)合材料的綜合性價(jià)比會(huì)優(yōu)于金屬，取代金屬材料，用于 量產(chǎn)車的底盤制造，并涵蓋大多數(shù)的高端車型和少量的中級(jí)車。下面分別對(duì)HP RTM工藝和熱塑性層板的解決方案做詳細(xì)介紹。 圖2 不同級(jí)別的汽車不同部件汽車復(fù)合材料的應(yīng)用率
5.熱固性復(fù)合材料高壓RTM工藝 航空工業(yè)采用樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM），進(jìn)行大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，降低工藝成本。在汽車的制造過程中，也有采用RTM工藝進(jìn)行零部件的生產(chǎn)，主要目的是為了達(dá)到更好的表面質(zhì)量，但是只用于小批量生產(chǎn)的頂級(jí)轎車中。
圖3 不用樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝的圖解
通常RTM工藝的注射壓力是 6-15bar最大不超過20bar，工藝周期大約1小時(shí)。但是高壓RTM工藝，注射壓力在10-60bar，工藝周期大約6分鐘。 目前世界上，高壓RTM工藝的設(shè)備廠家有：德國(guó)Dieffenbacher+ KraussMaffei；德國(guó)Schuller + Frimo和意大利的Cannon S.p.A公司，一般采用的兩家公司合作的方式。下面主要就Dieffenbacher+ KraussMaffei的情況做具體的介紹，其他廠家的設(shè)備大同小異。 德國(guó)加工機(jī)械領(lǐng)域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）共同開發(fā)了高壓樹脂傳遞模塑成型工藝 （HP-RTM）的自動(dòng)化生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)系統(tǒng)包括預(yù)成型加工、壓制過程，以及修整工藝。相比于傳統(tǒng)的RTM工藝，HP-RTM工藝減少了樹脂注射次數(shù)， 提高了預(yù)制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。
（1）預(yù)制件過程 對(duì)于HP-RTM部件的生產(chǎn)，需要制造一個(gè)由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件。這樣的預(yù)制件在迪芬巴赫的預(yù)成型中心制造完成，通常使用一個(gè)完全自動(dòng)化的過程。 圖5 高壓RTM工藝的自動(dòng)化過程
由碳纖或玻纖制成柔軟的纖維織物或纖維氈從卷軸上開卷后放入切割機(jī)。使用CNC切割技術(shù)，纖維鋪層被切割成部件加工所需尺寸。該過程通過由現(xiàn)有的CAD零 件參數(shù)得到的切割程序完成。切割成形的纖維鋪層材料層合到一起，然后放置到成型單元中?？梢允褂脵C(jī)器人來可靠地處理切割織物、纖維氈，以及預(yù)制件。預(yù)制件 成型中心可以作為一個(gè)單獨(dú)的單元來運(yùn)行，也可與壓制工藝一起結(jié)合在產(chǎn)線上。
（2）合模加壓過程 預(yù)制件的加工過程之后就是合模加壓。在合模加壓的過程中，環(huán)氧樹脂系統(tǒng)浸漬預(yù)制件，以及其固化。 在用機(jī)器人將預(yù)制件放置到RTM模具中之后，根據(jù)模內(nèi)壓力及部件的尺寸和復(fù)雜性，采用一臺(tái)迪芬巴赫液壓壓機(jī)用高達(dá)36000 kN（3600 t）的壓力完成實(shí)際的合模加壓過程。壓機(jī)在很短的建壓時(shí)間內(nèi)達(dá)到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加壓速度。迪芬巴赫短沖程系統(tǒng)能夠確保壓機(jī)具有非常高的能效，尤其具有很短的成型時(shí)間和較大的滑塊行程。與傳統(tǒng)的合模加壓技術(shù)相比，可以提高 50%的能效。 合模加壓控制系統(tǒng)允許使用不同的操作程序，并能縮短生產(chǎn)周期。模座周期性地進(jìn)入和離開壓機(jī)，只需要很短的換模式時(shí)間、裝卸過程，以及生產(chǎn)線下對(duì)下半模的清潔。完成高壓注射過程后，還可以通過再加壓來獲得部件質(zhì)量的改善。 （3）注射過程 將低粘度的反應(yīng)性混合物注入到閉模中浸漬預(yù)制件。通過使用克勞斯瑪菲的技術(shù)，能夠使注射速度達(dá)到10-200 g/s，取決于樹脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計(jì)。在一個(gè)閉環(huán)過程中，對(duì)樹脂和固化劑進(jìn)行精確計(jì)量，并在高壓下進(jìn)行混合，得到反應(yīng)性混合物。 高壓計(jì)量使得注射時(shí)間更短，并提高預(yù)制件的浸潤(rùn)度，因而能以較短的固化時(shí)間來處理樹脂系統(tǒng)。這帶來了更短的生產(chǎn)周期和更高的成本效益。此外，這還提供了額 外的好處，比如，能在保持出色的表面品質(zhì)的同時(shí)獲得更低的孔隙度。而對(duì)溫度的精確控制則能進(jìn)一步縮短加工周期，并從特殊RTM樹脂體系中獲益。 克勞斯瑪菲的高壓混合頭消除了耗費(fèi)成本的停工時(shí)間，也無需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時(shí)所需的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，因此能在大批量生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出突出的能效優(yōu)勢(shì)，它的這種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。 通過脫模劑供料塊，能夠?qū)⒐に囁璧拿撃┲苯右刖o湊的自清潔克勞斯瑪菲高壓混合頭，并且，即使在最低劑量（如0.1 g/sec）時(shí)，仍具有極高的準(zhǔn)確性和工藝可靠性。具有高精度、高重復(fù)性的脫模劑計(jì)量對(duì)于可靠地實(shí)施下游工藝來說無疑是非常必要的。
（4）修整 修整是工藝鏈最后步驟的其中一環(huán)。包括部件的外廓修邊，增加安裝孔和嵌件開孔。用銑刀進(jìn)行的修整采用的由克勞斯瑪菲開發(fā)的定制化解決方案?？梢圆捎米詣?dòng)化 切割臺(tái)或手提式切割機(jī)。工具的選擇主要取決于部件的尺寸和復(fù)雜程度。機(jī)器人被用于在工藝步驟之間進(jìn)行零部件的處理。 圖6 復(fù)合材料部件的修整
6.熱塑性復(fù)合材料汽車應(yīng)用 這幾年，在復(fù)合材料領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料也備受關(guān)注。 （1）有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)包復(fù)成型工藝 未來兩年內(nèi)，復(fù)合材料有機(jī)板（Organosheet）混合結(jié)構(gòu)技術(shù)將在汽車結(jié)構(gòu)部件的量產(chǎn)化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)突破。目前，至少有兩家材料供應(yīng)商，即巴斯夫和朗盛，以及兩家機(jī)器供應(yīng)商，即恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術(shù)開發(fā)的最前沿。
采 用全塑料的“有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)”取代汽車中的塑料-金屬的“混合”結(jié)構(gòu)。新的工藝直接在連續(xù)板材的基礎(chǔ)上，預(yù)成型，然后包復(fù)成型，代替過去在金屬預(yù)成型件的 基礎(chǔ)上通過包復(fù)成型，加上加強(qiáng)筋。恩格爾和克勞斯瑪菲都是采用尼龍6熱塑性樹脂層纖維織物壓板（熱成型），在加上尼龍6（加或者不加纖維增強(qiáng)），包復(fù)成 型。材料廠家是德國(guó)Bond-Laminates的Tepex有機(jī)板，以及朗盛的尼龍包復(fù)成型顆粒料。恩格爾稱之為：Organomelt工藝，克勞斯瑪 菲則稱之為FiberForm工藝。包復(fù)成型的混合結(jié)構(gòu)工藝不僅僅可以對(duì)熱塑性適用，也可以用于熱固性的復(fù)合材料混合部件，參見圖7。
“有 機(jī)板（Organosheet）”的混合結(jié)構(gòu)部件成型工藝的生產(chǎn)流程是：首先加熱一個(gè)用PA6連續(xù)纖維增強(qiáng)有機(jī)板，然后將其放入注塑模具中，熱成型出一個(gè) 三維形狀，并用另外的PA6樹脂（未填充的或者是 玻璃纖維增強(qiáng)的）對(duì)其進(jìn)行包復(fù)成型。在某些情況下，在將板坯放入注塑模具中前，先對(duì)其進(jìn)行熱成型。 如 果采用熱塑性復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，主要市場(chǎng)將是汽車內(nèi)飾，包括座椅部分的組件、門側(cè)防撞梁、汽車橫向懸架梁、剎車踏板、轉(zhuǎn)向柱支架、安全氣囊組件和前端組件 等。如果改成熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，可以用于結(jié)構(gòu)件或者次結(jié)構(gòu)件。但是，目前國(guó)外還很少有針對(duì)汽車領(lǐng)域的熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)包復(fù)成型的研究和應(yīng) 用。
在K 2010展會(huì)中，恩格爾和克勞斯瑪菲這兩家公司都第一次在兩個(gè)復(fù)雜的成型單元中證明了這項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)，恩格爾成型了一個(gè)轉(zhuǎn)向柱支架，而克勞斯瑪菲則成型了 一個(gè)門側(cè)防撞梁。兩家公司均采用了德國(guó)Bond-Laminates公司（最近已被朗盛收購(gòu)）提供的Tepex復(fù)合材料板材，并采用朗盛的尼龍材料對(duì)該組 件進(jìn)行包復(fù)成型。將有機(jī)板放到300℃的加熱爐中預(yù)熱30～40s，然后將加熱后的板材送入注塑模具中。閉合模具，對(duì)該板材進(jìn)行預(yù)成型, 接著從其上方將另外的尼龍材料注入到特定區(qū)域。按加熱爐能力的不同，整個(gè)循環(huán)時(shí)間從33s到55s。 圖8 熱塑性復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向柱支架
（2）熱塑性樹脂傳遞模塑成型工藝 作為熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的下一發(fā)展目標(biāo)，己內(nèi)酰胺單體在模內(nèi)聚合為PA6的技術(shù)正在推進(jìn)之中。該技術(shù)允許采用低黏度的己內(nèi)酰胺浸潤(rùn)放于模具中的干纖維，經(jīng)反應(yīng)后可在線形成一種尼龍基的復(fù)合材料。 巴斯夫與西格里集團(tuán)正在聯(lián)合開發(fā)一種基于反應(yīng)性尼龍系統(tǒng)和碳纖維的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的低成本生產(chǎn)。該材料體系是為T-RTM工藝（熱塑性樹 脂傳遞模塑成型工藝）以及反應(yīng)注射成型工藝而準(zhǔn)備的，以獲得比傳統(tǒng)熱固性RTM工藝更短的生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間。為適應(yīng)這些更快速加工技術(shù)的要求而對(duì)材料系統(tǒng)的調(diào) 整，將在采用碳纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)入汽車量產(chǎn)化應(yīng)用的過程中發(fā)揮重要作用。己內(nèi)酰胺在線聚合為尼龍6的機(jī)器系統(tǒng)正由恩格爾在進(jìn)行開發(fā)。
7.結(jié)論 汽車復(fù)合材料的發(fā)展，結(jié)合了化工、機(jī)械制造以及汽車復(fù)合材料設(shè)計(jì)，從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)來看，最新突破應(yīng)該源于德國(guó)。德國(guó)的工業(yè)結(jié)構(gòu)結(jié)合了大多數(shù)的豪華汽車和高端 車，另外朗盛、巴斯夫等世界頂級(jí)化工企業(yè)以及精密的機(jī)械制造廠家，例如迪芬巴赫公司和克勞斯瑪菲等。隨著碳排放法規(guī)的不斷臨近，復(fù)合材料在汽車行業(yè)的突破 會(huì)在2015年以后時(shí)間，歐洲汽車行業(yè)也會(huì)是先進(jìn)材料的倡導(dǎo)者和先行者。熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料不存在誰替代誰的問題，因?yàn)樗麄兊母鞣矫娴男阅芏?有所差異，快速成型和自動(dòng)化都是共同的發(fā)展方向。最終汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一定是和金屬類似，創(chuàng)建在多材料體系基礎(chǔ)上的混合結(jié)構(gòu)，例如包覆模塑工藝成型的部件。
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