RLE International 開發了一種創新的低成本/低壓壓縮成型變體和熱塑性夾芯板技術，自2019年以來一直在商用車的內隔板（上圖）上生產。該技術目前正在研究生產外部屋面板和發動機罩。

至少五十年來，全球汽車復合材料供應鏈的重要 工作一直集中在努力使熱塑性復合材料成為a級飾面水平車身面板的可行選擇，包括發動機罩、車頂和行李箱蓋。（下面，側欄A提供了復合材料車身板的簡短歷史，側欄B討論了為什么需要這樣做。）熱固性復合材料從20世紀50 年代開始在半結構/垂直和全結 構/水平車身板中取代了汽車外部的金屬。自20世紀80年代以來，熱塑性復合材料一直間歇性地用于垂直車身面板，如保險杠蒙皮和擋泥板，自20世紀90年代以來，門板和其他裝飾件，自21世紀初以來，舉升門。然而，事實證明，使用這類材料很難滿足汽車行業對水平面板的性能、成本和美觀要求。

由蘇珊·克勞斯繪制。

由于英國推出的壓縮成型和熱塑性夾層板技術的低壓變體，這種情況可能正在改變。4年來，該技術一直在大型隔板上生產，用于承載2噸貨物的輕型商用車。本文討論的最新工作表明，該技術可以提供設計靈活性、機械性能、經濟快速的加工和表面美學的正確組合，最終在水平外部面板上可行。

SIDEBAR A：汽車復合材料車身板的簡史

汽車公司生產的八代復合材料雪佛蘭克爾維特跑車突出了用于車身面板的復合材料的有趣進展。

熱固性復合材料在乘用車上用于半結構 垂直和全結構水平外部車身板以及底盤/單體車身元件的歷史悠久。玻璃纖維增強塑料(GFRP)于 1953 年首次出現在當時的通用汽車公司（現為美國密歇根州底特律市通用汽車公司）的雪佛蘭克爾維特跑車的所有外部面板上。20世紀 60年代，克爾維特上的手動疊層玻璃鋼被更快的循環和更一致的壓模片狀模塑化合物(SMC-sheet molding compound)所取代。從那時起，SMC的用途已經擴展到車身面板之外，包括結構皮卡盒、底盤部 件，最近還包括電動汽車電池組的大型保護 外殼。此外，碳纖維/熱固性基體復合材料 在20世紀90年代從一級方程式和二級方程式賽車的重要組成部分過渡到車身面板，后來從21世紀初開始，過渡到街頭合法汽車 （包括克爾維特）的整個單體車身。

20世紀80年代初，注塑成型的短玻璃纖維增強熱塑性塑料首次出現在非結構保險杠 面板上，到80年代中期，它開始過渡到擋泥 板等其他垂直面板上。1990 年，當通用汽車的土星汽車首次亮相時，所有的垂直車身面 板都是注塑成型的熱塑性復合材料。然而， 發動機罩、行李廂蓋和車頂仍采用沖壓鋼， 最終整個外部車身在2010年生產結束前過渡為鋼。

在那十年里，通用汽車的其他幾個銘牌都采用了熱塑性垂直面板，寶馬公司（德國慕尼黑）的限量版(1989-1991)Z1 跑車以及后來戴姆勒公司（現德國斯圖加特梅賽德斯奔馳公司）的梅賽德斯-奔馳部門于1997年推出的小型智能福特兩微型車也是如此。Smart是第一款采用全熱塑性車身面板的汽車，盡管發動機罩和車頂面板確實很小。

2007年， smart成為第一款從玻璃纖維增強聚碳酸酯/聚對苯二甲酸丁二醇酯(GR/PC-PBT)轉向滑石填充熱塑性聚烯烴(TPO)的乘用車。在過去的15年里，滑石填充TPO在垂直車身面板上慢慢取代了工程熱塑性塑料， 如GR/PC-PBT 和 GR/改性聚苯醚聚酰胺(GR/MPPE-PA)。另一個歷時10年的重要 里程碑發生在2014年，全熱塑性舉升門（滑石/TPO 外板與長纖維熱塑性聚丙烯(LFTPP)內板粘合）首次出現在日產Rogue跨界多用途車(CUV)上。從那時起，其他SUV和CUV也紛紛效仿。

質量減少方法

故事始于2015年左右，當時一家汽車制造商的工程團隊向RLE International的英國辦事處尋求幫助，以降低商用車的成本和質量。RLE以其汽車設計和工程工作而聞名于世，尤其是在主要車身結構和內飾方面。因此，該公司提供全面的CAE，工程，造型可行性和推出支持。RLE的團隊提出了幾種金屬到復合材料的轉換方案，以降低成本和質量，包括全結構/水平外部屋面板和客艙和貨艙之間的半結構 /垂直內部艙壁。

聯合小組首先解決了技術上更容易的艙壁問題。在接下來的幾年里，艙壁的設計不斷發展，使得該技術最終通過了所有OEM性能要求。為了滿足OEM的最大12千牛頓沖擊要求，最終艙壁采用單層輕質增強 熱塑性塑料蒙皮， 包括聚丙烯浸漬的可折疊短玻璃，克/平方米形式的玻璃墊熱塑性復合材料——夾著 0°/90°單向 (UD)玻璃纖維帶的芯(盡管也可以使用織物編織)。選擇單層輕質增強熱塑性塑料蒙皮材料以提供良好的未涂漆表面光潔度。

設計成果

• 與鋼和SMC相比，結構面板的質量減少≥50%，半結構/美觀面板的質量降低≥60%，同時與外部面板上的碳纖維增強塑料（CFRP）質量相匹配。
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• 單件成本降低了約10%，但與金屬相比，零件數量減少了，耐用性更高，工具成本更低，噪音/振動/粗糙度顯著提高。
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• 循環時間短（90-120秒），具有出色的低溫沖擊力，可選擇模內著色，可選擇100%的報廢可回收性。

隔板通過低成本/低壓（3.4-4.5巴）的“熱壓/固 結”變體在室溫下在匹配的金屬模具中壓縮成型，在<90秒內成型。該工具既不加熱也不冷卻，但夾層結 構中使用的材料在成型前進行預熱。由于該工具沒有 剪切邊緣，因此脫模后需要進行噴水修整，以清理零 件邊緣并切割任何所需的孔。一體式面板取代了多件式鋼/聚氨酯泡沫襯里組件，質量減少了5.2公斤，降低了部件成本，工具投資減少了80%。此外，全玻璃 纖維/烯烴夾層結構在零件壽命結束時可完全回收。自2019年商業化以來，這款屢獲殊榮的隔板的產量為6-7萬件/年，盡管據報道，該工藝可以用一個工具每年生產多達90000個零件。

獨自一人

RLE的團隊在內部/外部開發負責人Mark Grix的領導下，相信同樣的技術也適用于外部屋面板，因此選擇自行開發a級水平屋面板。自20 世紀90年代在通用電氣塑料公司任職以來，Grix一直在開發熱塑性車身外板。

由于該團隊的預算不多，因此需要采取巧妙的方法。其中一種方法是獲得三塊免費的外部鋼制車頂板，用于在裝有隔板的同一輛商用車上用作焊接車頂板的外層/蒙皮。這些嵌板起到了雙重作用。其中一個被掃描 并用于創建模板，以快速設計面板的外部蒙皮，從而顯著減少CAE時間。由于屋面板的內部（B面）不是概念驗證的一部分，團隊只關注外部（A面）的幾何形狀和表面光潔度。

另外兩塊鋼板被用來制造一種低成本的成型工具，其中一塊蒙皮用作核心，另一塊蒙皮作為空腔， 用于成型相對平坦的復合材料屋面板的a和B表面。該屋頂工具隨后在開發計劃中被用于形成復合材料面板，Grix表示，它從一開始就生產出了出色的零件。

從類似于商用艙壁的夾層結構開始，鋪設、成型 和評估了許多不同的表皮和芯體組合（總厚度從3毫米到5毫米不等），以開發屋面板概念。一旦各種材料 被預熱（不同的層可以被加熱不同的時間長度），它們 就被手動地放置在裝有上述工具的壓縮壓機中（保持在室溫下），并通過熱壓形成。研究人員再次將有效循環時間定為90秒。

RLE 在沒有OEM規格的情況下開發屋面板，將其工作重點放在外部蒙皮上，目的是保持屋頂箍/弓形物就位，并將復合材料解決方案結合到當前金屬屋頂所用的現有焊接凸緣上。這是可能的，因為復合材料結構被配制成具有低的線性熱膨脹系數（CLTE）。隨后的測試表明，目標熱塑性面板具有接近鋁的CLTE。

在 Airborne（荷蘭海牙）擁有的英國工廠對屋面板進行了模制，以進一步發展概念并實現夾層面板結構的表皮和芯材的正確組合。

Airborne 的設施非常理想，因為它配備了一個非常大的烤箱，能夠加熱整個1.75×2.0米的屋面板，并可以將材料加熱到240°C。具有諷刺意味的是，事實證明，烤箱對面板來說太大了，我們已經完成了將烤箱的一部分切除的工作，這 樣材料就不會有太長的停留時間，并允許材料從側面沿著烤箱的長度而不是從末端進料。

隨后對面板材料的各種組合進行了小規模的實驗 室測試。最終，最有希望的候選者通過Sika AG（Baar，Switzerland）的1K結構氨基甲酸酯粘合劑粘 合到測試車輛的車頂箍/弓上，并進行額外的車輛級測試。

Deli 特制產品

由于最終復合材料是在固結和成型之前在壓機中組裝的，這取決于應用所需的性能和表面光潔度，RLE的技術在可組合形成最終面板的表皮、核心和外 表面光潔度的材料類型方面提供了很大的多功能性?？梢允褂脦缀跞魏晤愋偷钠瑺顭崴苄詮秃喜牧希ɡ?，膠帶、GMT、有機片材、LWRT）。唯一的要求是聚合物基質具有化學相容性（以實現良好的材料流動，確保成分均勻），并具有相似的玻璃化轉變溫度，以允許在同一烘箱中加熱，而不必擔心高溫材 料會在固結/成型完成前融化低溫材料。

Grix 解釋道：“每個應用程序的要求都會有所不 同，因此我們可以靈活地使用纖維體積分數從20%到50%不等的材料，盡管我們通常喜歡在 30-40%左右。”。“測試表明，使用更高的FVF沒有任何好處。事實上，如果我們的玻璃纖維 （與樹脂）過多，那么層之間的沖擊強度和附著力就 會受到影響。要獲得良好的表面，擁有足夠的樹脂是絕對必要的。”

對于控制表面光潔度的最具美感的層，候選層包括啞光或光澤熱塑性薄膜、紡織品、粗布/織物組合， 甚至防刮/防紫外線硬涂層或軟觸熱塑性聚氨酯 (TPU)涂層。同樣，這項技術的美妙之處在于，它可以很容易地進行動態修改，以滿足許多行業的應用需求。

迄今為止，RLE 已使用預著色薄膜和低成本鋁工具，在<2 分鐘的循環時間內，直接從模具中生產出耐用、抗紫外線光澤或啞光表面的 A 級汽車面板。與鋼板相比，復合材料為結構板提供了 50%的潛在質量節省，為外部/半結構板提供 60%的潛在質量節約。即使在低溫下，它們也能提供出色的沖擊強度和完全的報廢可回收性。這種熱塑性夾芯板技術不僅受到汽車行業參與者的興趣，也受到其他地面運輸領域參與者的興趣。

該團隊研究了熱塑性樹脂系統（主要是烯烴和聚酰胺家族）和增強材料（包括短切、UD和編織織物） 的不同組合，用于屋頂夾芯板的表皮和核心。由于其 較高的位置，開發的屋面板不需要 a 級飾面。最初， 使用了預著色的黑色材料，也嘗試了啞光白色面板。最近，Grix 和他的團隊通過在工具上涂一層薄膜以及嘗試硬涂層，提高了紫外線穩定性和耐刮性。面板可以使用對比色，也可以與身體的其他部分相匹配。無 論是開發型屋面板還是商用艙壁，都不需要金屬加強 件。Grix估計，如果將整個鋼制屋頂——而不僅僅是 一塊面板——轉換為熱塑性三明治技術，可以節省24.5公斤的質量。

黃金時段準備好了嗎？

汽車制造商喜歡問的一個大問題是，一個概念目前的技術準備水平（TRL-technology readiness level）是多少， Grix的答案是，車頂板概念還相當成熟。

他解釋道：“你仍然需要做一些特定于OEM的測試，比如環境穩定性、NVH（噪音/振動/粗糙度） 等，但出于所有意圖和目的，屋面板使用了與隔板相 同的材料系列和不同的處理方法，隔板在過去四年中 一直在進行相當大的商業生產。” 。“這項技術的靈活性意味著，如果你需要提高紫外線性能或耐刮性， 甚至使面板更厚、更薄或更堅硬，那么我們可以做到這一點。我們花了很多時間真正了解這項技術，以及用工具制作好面板所需的條件。”

RLE 研究的另一個開發項目是使用熱壓/夾芯板技術生產發動機罩。在這種情況下，外面板使用了更高溫度的聚鄰苯二甲酰胺（PPA）基質。同樣，該團隊發現，與鋼相比，質量節省了 50%以上， PedPro在可回收面板中表現出色。

據報道，RLE正在與汽車一級供應商和其他地面運輸領域的原始設備制造商進行討論，如農場設備和 高爾夫球車，以將內部和外部應用商業化。

這項技術的下一步是什么？Grix 說：“沒有理由 （在正確的配方下）這項技術不能用于PedPro（行人保護）兼容的引擎蓋。” 。“我們已經生產了一種正在開發的發動機罩，小規模測試表明，我們比熱固性 材料或鋼具有更好的能量吸收和耗散能力。此外，我 們還探索了將這項技術不僅用于相對簡單的面板，還用于幾何復雜度明顯更高的汽車內飾的高拉伸面板， 與鋼材相比，可節省50-60%的質量，并在使用壽命結束時提供完全可回收的零件，我們認為這是在多個行業尋找輕質面板技術的原始設備制造商的一個成功組合。我們很樂意與任何有興趣進一步探索這一領域的人合作。”

SIDEBAR B:熱塑性復合材料車身面板：優點和挑戰

與熱固性復合材料或金屬相比，出于許多原因，熱塑性復合材料是車身外板所需要 的。首先，它們往往更輕（比重更低），具有更好的損傷容限（沖擊強度）——這是滿足PedPro要求的一個額外好處——而且它們提供了更好的工具表面，減少了模具后的精加工。

與熱固性塑料不同，熱塑性復合材料是可回收的（可熔化再加工），使其更容易重復使用廢料和從報廢零件中回收可用材料— —這是向歐盟銷售車輛的人的一個重要特征 ——而且它們也是全聚合的，這意味著成型周期往往更短，并提供更好的重復性和再現性（R&R），這使它們更適合于更大批量的項目，并有助于抵消它們通常更高的原材料和工具成本。它們還提供了更大的設計自由 度和充足的機會，用于零件集成（減少零件數量）、插入硬件（便于連接）和簡化模具后組裝（與金屬相比）。

盡管熱塑性復合材料有很多優點，但和所有材料一樣，它們也面臨著必須克服的挑戰。例如，由于比鋼或鋁更高的CLTE，具 有不連續纖維增強的早期單片熱塑性復合材料車身面板要求在復合材料面板和金屬面板之間留下大于所需的間隙，以適應溫度循環期間的尺寸變化。如果沒有這種美學權衡， 像門這樣的可移動面板有時無法打開或關閉。這在很大程度上已經通過從單片面板轉 換為成對的粘合內/外面板（有芯或無芯）， 以及通過使用較長的短切/不連續纖維增強件以及GMT/有機片材和熱塑性膠帶等片狀復合材料中的連續纖維無紡、單向和編織增強件來克服。

另一個問題是，汽車行業青睞的熱塑性塑料等級——主要是PP、PA6或6/6，以及PA或熱塑性聚酯與PC或MPPE的混合物— —在對車身進行白色電泳涂層（e-coat）和噴漆后，缺乏承受烘烤爐溫度的熱穩定性。這增加了組裝的復雜性和成本，因為面板必須離線噴漆，并在車輛組裝過程的后期添加。盡管熱塑性塑料板的涂裝仍然是離線完成的，但已經做了很多工作來提高彩色模壓 （MIC）板的紫外線穩定性、顏色深度和金屬特殊效果，而這些面板只需要一層透明涂層即可完成。此外，薄膜技術也取得了長足的進步，它提供了比油漆更耐用的表面，并與汽車制造商降低油漆成本和環境負擔的努力相一致。

還有一個公式化的問題是在剛度和沖擊力之間取得正確的平衡，以避免需要將垂直面板懸掛在車輛上的大型金屬支架。一個相關的問題是，由于剛度和強度通常低于金屬的值，因此通常需要幾何形狀（如肋條）來實現面板的可比機械性能。然而，這往往會 導致標稱壁厚變厚，從而導致包裝問題。面對不得不重新設計現有車輛的車身結構以適應更厚的復合材料面板的前景，大多數原始設備制造商都會通過。對于TPO材料，結合了不連續纖維增強和礦物填料的精心配方工作，導致這些材料在外部垂直面板上占據主 導地位。此外，通過從單片面板設計轉換為粘合內/外面板，不滿足a級要求的結構內面 板由不滿足機械要求的a級外殼補充。

幾十年來，使熱塑性水平面板無法使用的最大挑戰可能是在高溫下下垂和長期蠕變的問題。這有幾個原因。首先，熱塑性塑料在接近其Tg的溫度范圍內軟化，這會導 致機械性能的逐漸喪失，包括承載負載和自我支撐的能力。使它們更容易回收的特性也 會影響它們在高溫下的長期機械完整性。在某種程度上，這得益于從短/不連續纖維增強轉向連續纖維增強，以及從單片面板轉向有芯或無芯的粘結面板。

一個相關的問題是如何實現足夠高的FVF或FWF以在升高的溫度期間改善機械性能。熱塑性聚合物是預聚的（在成型前具有很長的分子鏈），這意味著即使在熔融溫度下，與許多液體熱固性系統相比，它們也相當粘稠。這使得很難實現高水平的纖維潤濕和浸漬。因此，即使在今天，FWF超過40%的注塑等級也有限，而許多熱固性技術允許實現高達70%的FVF。

在某種程度上， 這已經通過仔細的樹脂選擇（例如，使用具有較低粘度的支鏈形式與線型形式的PP）、對熱塑性膠帶和GMT/有機片材生產的層壓工藝的修改，以及最近用低粘度己內酰胺單體浸漬來解決，該單體隨后反應聚合成PA6。折衷是較長的循環時間（更像熱固性塑料）和專用設備。然而，隨著時間的推移，將更多的纖維，特別是更長和連續的纖維，轉化為熱塑性復合材料的能力不斷增 強，這使其能夠在越來越多的結構應用中使用。這里的一個折衷是，對于外觀美觀的表面，更高的FVF/FWF可以導致纖維穿透。這可以部分通過使用薄膜、通過對面板進行涂漆或紋理處理或通過在夾層面板組合物的最外層美學層中使用較低的纖維增強來解決。

最后但并非最不重要的是，直接和間接成本始終是高容量/低利潤汽車行業的一個敏感點。當復合材料行業致力于材料和工藝進步，以應對一個又一個車身面板挑戰時，鋁和鋼鐵行業的同行也在改進材料和工藝。即使在今天，除非轉向復合材料可以從車輛上去除大量物質，提供重要的制造效益，或者能夠增加新的安全性或功能性水平，否則大多數汽車制造商都會拒絕使用復合材料，除非這樣做的成本至少是中性的或低于傳統材料。

注：原文見，《Thermoplastic composites: Cracking the horizontal body panel nut》2023．10．23

楊超凡 2023.12.18