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A级车身面板中的复合材料:进化仍在继续

随着纤维增强聚合物在汽车零部件领域取得进展,低密度smc引领了潮流。
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A级是汽车车身零件表面光洁度的合格评定。对于复合材料而言,这意味着其平整度、光滑度和反射光线的能力与钢的同等,并表明该部件在可着色性或成型化妆品方面与金属竞争的能力。一个零件如何达到a级表面处理,会影响白车身(BIW)的装配和涂装过程——例如,这些零件是可以在生产线上喷涂,还是必须在车身车间外进行精细喷涂?这些差异,以秒数、报废率和美元来量化,最终定义了一个模型的底线。

自20世纪40年代以来,复合材料已在A类自动部件中使用,但它们的使用表现出显着的膨胀和挫折(参见“创新驾驶汽车SMC”)。目前的市场预测一致认为,在可预见的未来,汽车车型将使用多种材料,包括高强度钢、铝和纤维增强复合材料,以符合减少燃料消耗和排放的规定。

Class A remains a requirement for car closures (e.g., fenders, hood, trunklid/decklid, roof, doors, quarter panels), and also a challenge, as OEMs seek to use composites to navigate not only lightweighting, but also global supply, modularization and demand for an increasingly multifunctional vehicle envelope. A big question is, which composite materials and process options will meet these requirements?

铝作为目标

根据2016年6月的IHS Markit(伦敦,英国)汽车预报员Michael Robinet,将在2022-2023之前将封闭制造转向钢铁,然后在2030年之前转向CFRP和其他复合材料。这对供应商来说是材料的变化和纤维增强板模塑化合物(SMC)的制造商。“我们在SMC的竞争曾经是其他模板,”研发主任Mike Siwajek说大陆结构塑料(Auburn Hills, MI, US),使用SMC和其他复合材料的部件制造商。“现在我们与铝在重量、成本和表面光洁度上展开了正面的竞争。”

值得注意的是,CSP为其低密度TCA超轻度SMC接收了许多奖项,其具有1.2的比重(SG),在通用电机上生产(底特律,MI,US)C7巡洋舰。SMC的模具成本比钢或铝冲压低得多,可降低多达50%。他解释说:“这使得CSP的模压SMC部件相比a级部件每年拥有高达15万台的成本优势。”“超过这个数量,就是成本优势消失了,但我们依然看齐用金属。”

Siwajek说,高产量下的成本均等是一项强大的资产。“oem正试图将平台推向全球,而不是在每个大洲都采用不同的模式。”规模经济是通过在世界范围内制造相同的零部件来实现的,SMC增强了这一优势。“例如,一个冲压钢件需要3到5个模具,”他解释说,“但SMC只需要一个模具,这大大减少了全球供应所需的投资。”

这一趋势的另一个方面是构建更少的全球化平台,但增加模型的数量变体,每个专门以满足各个地区和年龄组的不同客户需求。“例如,在90年代末/ 2000年代初,野马有五到六种不同的发动机罩,提供造型和性能调整,比如马赫1,谢尔比等,“Siwajek解释道。“SMC有助于非常高效地完成这一目标。”

Siwajek补充说:“我们也开始研究不同的金属结构,例如,在电梯门和门中,我们可以生产完全组装的组件,以降低复杂性和重量。”CSP的举措之一是为当前的设计和产品设定基准,回答关键问题:“我们在哪里可以节约重量并提供价值?”我们如何为存在问题的oem厂商提供解决方案?”例如,他提供了一个由镁内部和铝外部组成的部件。“这些材料有明显的缺点,”Siwajek说。“它们的尺寸不稳定,这导致了涂装和组装过程中的问题。它们还构成了电偶腐蚀的重大风险。”他说,CSP正在与多家oem合作,以摆脱金属。“许多人害怕SMC在210°C以上的温度下进行e涂层工艺,认为‘塑料’无法处理这一问题。但我们的TCA部件可以做到这一点,没有问题。”

竞争的复合材料

然而,SMC不是正在考虑的唯一综合,因为汽车制造商追求多层设计以进行轻量化。增强的热塑性塑料和碳纤维复合材料也已经进化,虽然不是每个人都信服了他们在A类应用中的性能。SMC复合机董事总经理Michael PolotzkiMenzolit GmbH是一家(意大利威拉塔斯)看到了两个原因,为什么热塑性塑料不像类体表面一样竞争。“首先,热伸长率高于SMC,”他解释说:“这使得难以满足公差要求,特别是在较大的部件上非常困难。其次,部分的刚度不够高,以便您必须添加加强结构。这增加了成本,重量和生产复杂性。“Polotzki还致力于将肋条和支柱掺入热塑性部件,而不将这些印刷通到可见表面上。

但热塑性塑料可能与碳纤维一起开发新的支撑。Gary Lownsdale,总裁反式科技国际(Loudon,TN,US)和汽车和复合材料的50年的老兵,看到汽车转向热塑性树脂的碳复合材料的轨迹,主要是两个主要原因:<2分钟的循环时间和易于处理与树脂转移成型(RTM)相比注塑成型。“注塑成型现在是一个非常良好的理解和控制的过程,”他解释道。“使用易于使用的软件易于模拟零件并模拟过程。它也是一种高压工艺,有助于复杂的形状和一致的质量。“使用热固性树脂的高压RTM(HP-RTM)呢?“HP-RTM朝向注塑成型,”Lownsdale说,“但仍有许多未知数。”

Lownsdale在热塑性塑料中拒绝了打印问题,并指出它也仍然是SMC的关注。“有技术可以克服这一点,比如使用薄面纱对抗工具,”他承认。“另一种解决方案是间隙成型,在那里它们使压力下来,然后将其脱落到足以允许富含压力机的树脂表面以完成成型。”Lownsdale也看到了一些成型局限性。例如,他认为Fenders并不适合SMC,“因为它们的形状更复杂。”他还指出,一些SMC塑造者仍然挣扎着油漆缺陷。

CSP和Menzolit表示,他们已经克服了这些问题,采用工业4.0数据分析,使零件缺陷和报废率接近于零(参见这篇文章的旁注故事,“SMC 4.0”)。波洛茨基说,“油漆流行”问题是SMC众所周知的(见“采用SMC树脂和底漆,防止漆面开裂”)。“我们建议铸模者使用模内涂层(IMC)技术,避免这些问题。”他说,IMC封闭了材料表面,消除了针孔。“它的成本有点高,但效果要好得多。它使表面具有导电性,这样这些部件就可以通过内联涂装。”

Siwajek说,欧洲的原始设备制造商在SMC涂装方面仍然存在一些问题,但他们也采取了不同的方法。一些原始设备制造商采用了内部成型的部件,而另一些则采用了外部热塑性、内部SMC的混合系统。“问题是,这些部件必须在工厂外喷漆,在运往装配线并安装时小心处理电子涂层过程,增加了复杂性,成本和风险。“Siwajek指出,他公司最高批量的工作目前是吉普车牧马人员屋顶(见菲亚特克莱斯勒美国(FCA,英国FCA)的屋顶(上面)。“这是一个唯一的应用程序,因为它在零件的内部和外部都有一个表面。我们每天占900人。“

碳纤维SMC

展望未来,轻量化的需求将促使认真努力将碳纤维增强纳入SMC。Polotzki说:“我们正在研究几个项目,希望碳纤维在SMC中应用于串行应用。”“然而,以目前碳纤维的价格,这只会用于利基产品,如高端和高档汽车。”什么样的价格才能让碳纤维SMC应用于大规模生产的汽车?波洛茨基回答说:“低于11欧元/公斤(5.3美元/磅)。”“那么,作为一种降低密度、壁厚,从而降低重量的手段,它就更有意义了。”

Menzolit Automaker Daimler AG(德国斯图加特),Aliancys AG)(Schaffhausen, Switzerland)也在推进碳纤维的发展,在其位于荷兰Zwolle的研发设施安装了一条新的SMC生产线,以便与客户试验全系列的SMC产品。Aliancys首席技术官Paul Vercoulen表示:“我们已经将碳纤维解决方案的开发作为我们长期战略的一个重点。”

麦格纳外部(Concord, ON, Canada)被美国塑料工程师协会(SPE, Bethel, CT,美国)今年10月首次在量产汽车上采用压缩成型的碳复合材料发动机罩。为2016年设计的两件式引擎盖凯迪拉克ats-vCTS-V轿车采用快速固化碳纤维/环氧预浸料。外面板采用六层50K单碳纤维,内面板采用织物组织,两者均来自巴特公司(Millbury、马、美国)。这款引擎盖比铝制版本轻27%。据报道,机器人预制和材料加载过程有助于将循环时间降至10分钟以下,使产量达到30000 /年。罩是油漆,与内层面板裸露的编织选项。

Magna的上面的公告遵循它的EpicBlendSMC EB CFS-Z,SMC开发使用Zoltek CorporationPanex35商用碳纤维,在其位于美国的Grabill工厂合成,并可出售给其他铸模商。最初的申请是结构性的。2014年7月,CSP收购了所有麦格纳外墙复合材料业务,使CSP成为全球最大的SMC制造商。

“我们的方法是把碳纤维放在有意义的地方,”CSP的Siwajek说,“例如,用玻璃纤维与碳纤维的混合材料来加强结构。”粗略的设计,你可以得到最好的效果,并实现独特的,具有成本效益的解决方案。”

Polynt复合材料自2016年春季以来,德国(米伦)已提供CF-SMC,最初针对结构应用,但A级产品正在开发中。产品开发经理Nicole Stoess说:“我们的聚碳产品是用再生碳纤维垫加强的。”“我们还提供polyent SMCarbon (3K-50K) SMC,用于热压罐处理的环氧树脂,以及用于压缩成型的环氧和乙烯基酯SMC。”她进一步指出,“几家著名的欧洲汽车公司已经大幅扩大了CF-SMC的使用,以至于Polynt最近增加了一台新的1.5米宽的SMC机器,完全致力于定制碳纤维材料。”

覆盖所有复合基础

“我所看到的2020-2025型号是混合材料,”Lownsdale说:“不仅仅是将钢与铝和CFRP组合,而且是热塑性塑料,热固性和碳纤维的组合。”他指出,作为一个例子,使用注射模制的热塑性塑料用于外板和RTM'd CFRP的Decklid,添加,“这种方法也在引擎盖和屋顶上工作。从来没有似乎相似的进程,我们现在可以结合起来。“

CSP还生产了一种内置RTM CFRP的a级面板,但这一款采用了TCA Ultra Lite SMC的外部,由其欧洲研发团队开发。Siwajek说:“他们凭借这种使用再生碳纤维材料的多材料盖板赢得了2016年CAMX奖。”“他们对传统SMC部件进行了改造,与铝制部件相比,重量减少了13%。”用快固化环氧树脂在不到3分钟内成型Hexion Inc.(哥伦布,哦,我们)。Siwajek指出:“这些低循环时间树脂使RTM与SMC不相上下。帝人芳纶BV(东京,日本)最近购买的CSP是增加他的公司获得一系列新的助剂和热塑性塑料。

事实上,快速固化树脂和HP-RTM工艺是专门为提供低循环时间的复合汽车部件而开发的,使其与金属相比更具竞争力。虽然最初是用聚氨酯和环氧树脂开发的,HP-RTM使用热塑性塑料树脂现在是一个选择,因为混合工艺结合热成型和过度成型-注射成型热塑性塑料在成型的复合基材上(见“HP-RTM上升”)。

另一个趋势是由传统整齐的塑料铸模到结构复合材料。塑料汽车外饰的世界领导者塑料Omnium (Île-de-France,法国)就是一个很好的例子。2015年,该公司生产了2700万个保险杠、500万个前端模块、120万个后挡板、150万个挡泥板和100万个扰流板300万复合结构零件,热塑性塑料中的吹捧能力热固性度以及碳纤维和智能材料的开发。介绍于2013年,其混合热塑性/复合材料致缘尾板与SMC内部相结合了一类长玻璃纤维增​​强聚丙烯(LGF PP)。用于Peugot,Rangure Rover,Jaguar和Citroën模型,致致尊重公司的第一个复合在中国的后挡板为荣威E50.电动汽车。

这种在不同材料和工艺范围内塑造零件的能力也被新进入汽车复合材料领域的企业所接受。2015年,一级汽车尾气/排放控制专家克康(Santa Catarina, Nuevo León, Mexico)在其位于蒙特雷附近的总部推出了克康先进材料(KAM)。提供复合材料设计和制造的轻量化车辆在新的9300米2设施,Kam的全系列工艺包括热成型,注塑和浅r rdm。据报道,第一家北美公司安装了HP-RTM机器(提供恩格尔采用聚氨酯(PUR)注塑技术(来自PUR加工机械专家亨内基,圣奥古斯丁,德国)。2016年,KAM获得了“A级表面粉碎芯湿压技术”的许可麦格纳外部(奥地利格拉茨)。该方法是一种改进的复合喷涂成型(CSM),结合喷涂和压缩成型与机器人和快速固化的PUR树脂。麦格纳在一个a级表面的预生产发动机罩中演示了这一过程,使用的是纸蜂窝芯和碳纤维织物或玻璃毡,表面喷涂树脂,然后在加热工具和压缩机上固化。固化部分脱模,修整并再次放置在压缩模具中,真空树脂注射成型(RIM)添加了外层PUR皮,用于a级完成(见“Pur固化窗口中的处理“)。两步过程在8分钟内完成,部分涂上了离线。

模块化和多功能性

在20世纪90年代的趋势已经存在,第1级供应商继续推进整合零件,屋顶,门和尾部/升降机模块的能力。一个例子是2014年全球全热塑性(和可回收的)后挡板流氓交叉电型载体(CUV),其将涂漆的热塑性聚烯烃(TPO)外部与模塑颜色相结合,30%增强LGF PP内部。该模块包括尾部灯系统,后窗,电子和扰流板进入单个单元,送到日产装配线,减少空间,工人和OEM的时间。该部件还根据废料减少和再利用,将重量30%与冲压钢加入30%Vs.盖上钢,并要求保护35%的成本与SMC。

塑料全部的h复合尾板以低成本整合灯,天线,电动和碰撞保护,重量比钢更小,适合标致308.。一款改型原型机将SMC从玻璃改为碳,尽管增加了空气动力扰流板和侧面偏转板,但与铝制设计相比,重量仍减少了10%(见上图)。Polotzki同意SMC在这类集成方面的优势,他补充说:“我们正在与几家oem和一级供应商合作,开发将SMC用于甲板盖和车顶模块的新产品,因为它可以实现嵌入天线的辐射透光部件。”

在2016年12月投资者日塑料Omnium断言,未来的汽车信封将是聪明的。该公司表示,它将提供一个轻量级,智能材料车身面板系统的five岁(图3),旨在整合更多的功能。一级供应商还将与oem合作,开发集成和高效的架构复杂的互动模块。一项已经为车主们所渴望并在一项为期三年的研究项目中展示的功能是电能储存。

SMC的下一步工作

Siwajek承认身体面板多功能性的趋势,包括能源生成和存储,但设想了更长的开发时间表。“嵌入式电路非常远,CSP的开发管道,”他注意,但我们正在看石墨烯和其他纳米材料。如果我们能够促进电导率并获得额外的功能,如能量存储和防止电磁和射频干扰(RFI,EMI),这很好,但我们仍然必须满足A级和成本要求。“他补充说,CSP将与OEM作为合作伙伴追求这些类型的发展,并指出这种合作更频繁地发生。“我们现在有几个项目,OEM对我们带来了问题,我们共同努力开发解决方案,共享实验室,数据和资源。”

目前,最大的问题仍然是减重。Polotzki说:“SMC的下一个机遇是在保持零件刚度的同时进一步降低密度。”亚什兰表演材料(哥伦布,OH,美国)发布了新的1.1和1.0 SG密度SMC产品开发的结果,表明表面质量没有下降核心成型技术(CMT,哥伦布,哦,美国)正在推广其0.98℃的水利石SMC。这提供了17%的减少1.18 SG Iirilite和Econolite产品。全级级别的水利石仍在开发中。毫无疑问,随着不断的需求,毫无疑问,我们的客户将继续要求进一步减少密度,我们将努力实现,“CMT VP Marketing and Sales Terry O'Donovan表示。毫无疑问,寻求在课堂上做出这些工作的车辆,也将继续下去。

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