復合材料助力車用部件制造降本增效

 

“降本”幾乎是今年以來各行各業高度關注的話題。對于汽車零部件加工制造來說，通過材料的研發實現集成化設計，減少部件與工序，是降本增效的有效途徑之一。

 

 

 

根據Reports and Insights網站發布的2022-2030年汽車復合材料市場的未來發展與機遇分析專題報告分析，預計到2022年底，汽車工業用復合材料市場規模將達到95億美元，預計到2030年將達到165億美元，2022-2030年的復合年增長率將達到7.0%。

 

 

 

近期，不少企業推出新款復合材料，助力車用塑料部件加工降本提質。

 

 

 

一體成型的熱塑性復合材料

 

 

 

三菱化學集團開發的具有可回收性的功能選擇性熱塑性復合材料GMT，可通過一體化成型減少部件數量并簡化裝配過程。還有高性能工程塑料DURABIO，通過著色具有良好的可著色性以及具有抗刮擦性。它可以省略噴漆等二次加工，有助于減少生產過程中的二氧化碳。此外，還可以解決VOC的排放等環境問題。

 

 

 

此外，三菱化學集團還推出熱塑性復合材料（ FRTP），該原材料具備阻燃性、可加工性能指標高和可回收性，可用于蓄電池外殼。

 

 

 

 

 

采用三菱GMT材料一體成型的汽車部件。

 

 

 

電動汽車底板組件一步壓塑成型

 

 

 

朗盛品旗下的連續纖維增強熱塑性復合材料Tepex dynalite（CFRTP）是可用于高效和機械穩定的車底板組件的輕質材料。近期，該材料已應用于理想L9和理想L8兩款插電式混合動力SUV的面板。

 

 

 

汽車的面板需要面對嚴苛的要求，尤其是使用在保護油箱或電池的車底板組件，需要具備較高的抗穿透性、較強的能量吸收能力。

 

 

 

朗盛Tepex復合材料比類似的鋼結構設計輕30%左右。與純DLFT等其他材料相比，Tepex增強材料使車底板組件更堅固，硬度更高，能量吸收能力更強。理想L9和L8的大尺寸面板均由堅固的熱塑性復合材料結構組成。它們采用壓縮成型工藝制造而成，包括一個由高性能復合材料Tepex dynalite制成的加固嵌件以及一個DLFT（直接長纖維熱塑性塑料）塊。

 

 

 

 

 

車底板組件長約1.5米，寬約1米，厚度僅為3-4毫米。它包含一個由Tepex dynalite 104-RG600制成的1毫米厚的嵌件和另外一個由擠出工藝制成的DLFT塊。這兩種材料都經過加熱和塑化，然后放置進模壓模具，只需一個步驟就能塑為一體。Tepex嵌件的基體由聚丙烯組成，并用47%體積百分比的連續玻璃纖維粗紗進行加固。聚丙烯DLFT塊含有40%重量百分比的長玻璃纖維。

 

 

 

車底板組件可以采用傳統的壓縮成型工具制造，這可以確保高效的生產。DLFT能夠以經濟的方式制成直接擠出物，并構成組件的主要部分，這也有助于提高成本效率。

 

 

 

聚氨酯HP-RTM制造工藝實現“以塑代鋼”

 

 

 

科思創與高新技術企業卡淶科技共同推出了使用高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝的聚氨酯電池包上殼體解決方案，并在主流動力電池制造商實現批量生產。本次合作研發開創了聚氨酯復合材料在新能源汽車電池包領域的應用。

 

 

 

聚氨酯HP-RTM制造工藝實現“以塑代鋼”，可用于電池包。

 

 

 

據介紹，該款聚氨酯電池包上殼體解決方案在今年通過了歐盟REACH和RoHS認證，以及中國GB38031-2020的標準化測試，并在機械性能、高溫高濕老化、氙燈老化、耐酸、耐堿、耐高溫和絕緣性能等一系列標準化測試中表現出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工藝實現了“以塑代鋼”的減重要求。

 

 

 

 

 

相較于其他工藝，全新的HP-RTM工藝使用自動化鋪層技術，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期評估顯示，相較傳統金屬工藝，使用HP-RTM工藝產生的二氧化碳排放也更低。

 

 

 

STM聚氨酯復合材料電池包殼體

 

 

 

不久前，搭載巴斯夫所開發、基于STM工藝的聚氨酯復合材料電池包殼體解決方案的幾款電動汽車已經實現了大批量上市。

 

 

 

經過充分的量產驗證，這項解決方案兼具阻燃好，重量輕，可以提升電動車的駕駛安全性。此外，在生產方面，它可直接應用于現有成熟的汽車供應鏈和生產設施，生產的效率高，非常適于汽車行業的快速大規模生產，是電動汽車電池包減重降本的理想解決方案。

 

 

 

采用巴斯夫特性材料開發的STM 聚氨酯復合材料電池包殼體，采用微發泡技術，可以大大降低部件密度，輕松實現殼體減量的目標，同時擁有關鍵專利技術使得部件可以滿足氣密性試驗與沉水試驗要求。

 

 

 

 

 

在輕量化的同時，該復合材料擁有著高強度和高韌性的特點，為殼體保證了足夠的機械性能。

 

 

 

據了解，巴斯夫的STM聚氨酯復合材料解決方案，其工藝無需預成型，生產效率遠遠高于其他傳統的聚氨酯復合材料成型工藝。目前國內汽車行業已有成熟的產業鏈和供應商可以快速提供量產的產品。同時,新量產項目的設備及模具投入成本也非常低。

 

 

 

以預制件生產復雜的車輛結構件

 

 

 

Cannon Tipos公司和Coriolis 復合材料公司聯合開發了一種制造工藝，可以從接近凈形的干預制件中制造出復雜的碳纖維增強復合材料（CFRP）部件作為半成品。

 

 

 

該工藝的關鍵組成部分是高壓樹脂傳遞模塑（HPRTM）工藝和Coriolis的自動纖維定位（AFP）。該合作產生的組件目前正在進行適合批量生產的測試。該工藝實現了20秒的生產循環節拍時間，并顯示出符合要求的機械性能，但重量最多減輕了80%。

 

 

 

該公司生產的自動纖維放置（AFP）設備允許連續纖維或短纖維以不同的方向放置，甚至是復雜的幾何表面，同時最大限度地減少材料浪費。

 

 

 

 

 

干式AFP二維預制件由單向（UD）取向碳纖維的優化纖維薄片組成，每層纖維重量為280克/平方米，纖維體積分數為55%。一種特殊的粘結劑技術被用于注射快速固化的兼容環氧樹脂系統。改進預制件的可塑性、纖維浸漬和可修剪性（使用三維水刀工藝），以實現接近凈成形的幾何形狀，可將總體廢品率降低達50%。

 

 

 

Cannon Tipos鋼制模具的設計壓力最高可達120巴。最小化的微孔確保了樹脂與固化劑在恒定溫度下的最佳反應，最大偏差為2℃。此外，在注射階段有最小的背壓，真空時間應最大化，以避免沖刷損失和氣泡的產生。由于高度拋光的腔體與Coriolis的預制件技術相結合，部件的表面質量特別好。

 

 

 

汽車碳纖維復合材料將高速增長

 

2029市場規模有望達43.86億美元

 

近日，Ameliate Digital Consultancy Private Limited的市場研究和咨詢部門Exactitude Consultancy正式發布了汽車工業用碳纖維增強熱塑性復合材料市場發展分析報告，根據報告市場分析結果顯示，2022年全球汽車工業用碳纖維熱塑性復合材料市場規模為7.123億美元，預計到2029年將達到43.86億美元，2023年至2029年的復合年增長率高達29.65%。

 

 

 

汽車用碳纖維熱塑性復合材料是通過使用碳纖維對熱塑性樹脂基體進行增加得到的一種復合材料。像碳纖維這樣的高性能材料其耐用性是鋼的10倍，而重量只有鋼的五分之一。

 

 

 

為了開發一種獨一無二的產品，可用于制造耐用和輕便的汽車部件，碳纖維通常會與一種或多種聚合物相結合。汽車的內部和外部都是使用這些熱塑性材料設計的。

 

 

 

 

 

碳纖維增強熱塑性復合材料在汽車應用中的另一個主要優勢體現在它具有很強的抗變形和耐酸堿腐蝕能力。在過去的幾年里，人們越來越關注CFRTP幫助汽車行業滿足節能和減少二氧化碳排放要求的潛力。

 

 

 

碳纖維增強結構具有堅固、輕便、承載能力強等特點，而且對降低汽車重量至關重要。雖然其優勢明顯，但也存在一定的制約因素，主要障礙之一是，與用于開發各種汽車零部件的其他纖維（玻璃纖維、天然纖維）相比，碳纖維的成本較高，因為小型汽車零部件制造商無法投資昂貴的碳纖維。另一個障礙是汽車制造商在實施碳纖維復合材料零件回收或垃圾處理系統方面猶豫不決。

 

 

 

為了減少污染，電動汽車和太陽能汽車的數量不斷增強，而隨著環保型汽車的出現，汽車用碳纖維熱塑性復合材料的市場將擴大。例如，塔塔汽車Tata Motors公司在其位于浦那的制造廠推出了混合動力和電動Star巴士，作為其零排放大眾運輸解決方案的一部分。而政府法規也將間接促進汽車行業中碳纖維熱塑性復合材料的發展。

 

 

 

 

 

在汽車工業用碳纖維熱塑性復合材料領域，全球范圍內主要參與公司包括Basf、Cytec Solvay Group、Plasticomp、Dowaksa、Sgl Group、Toray Industries、Teijin Limited、Hexcel Corporation、Arkema S.A.、Mitsubishi Chemical Holdings Corporation、Covestro Ag、Plasan Carbon Composites 等。

 

 

 

今年在相關領域主要進展包括：2023年1月19日，富士通有限公司和帝人宣布啟動一個合作項目，在2023年1月至3月期間提高用于建造自行車框架的回收材料的環境價值。E Bike Advanced Technologies GmbH和V frames GmbH都是德國碳纖維增強塑料自行車車架的生產商和經銷商。瑞典初創企業Solerial Matsions正在開發一種碳纖維納米顆粒添加劑，采用增材制造技術來降低汽車結構部件的成本和重量，同時提供更好的保護。

 

 

 

電動汽車蓄電池箱用復合材料

 

 

 

2023年1月12日，中國汽車工業協會發布了2022年汽車市場產銷數據。2022年我國汽車產銷分別完成了2702.1萬輛和2686.4萬輛，同比增長3.4％和2.1％。其中，新能源汽車在2022年的優異表現成為我國汽車市場保持正向增長的關鍵。

 

 

 

2022年我國新能源汽車全年產銷量分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9％和93.4％，市場占有率達到25.6％，高于2021年12.1個百分點。

 

 

 

而網絡數據顯示， 2022年11月份，全球電動汽車銷量繼續保持兩位數的同比增幅（46%）,電動汽車銷量占全球整體汽車市場18%的份額,其中純電動汽車的市場份額增長到13%。

 

 

 

毫無疑問，電動化已經地成為全球汽車產業的發展方向。在全球新能源汽車爆發式增長趨勢下，電動汽車蓄電池箱用復合材料也迎來了極大的發展機遇，各大車企也對電動汽車蓄電池箱用復合材料技術和性能提出了更高的要求。

 

 

 

 

 

高電壓電動汽車電池系統的箱體需要平衡一些復雜的要求。首先，它們必須提供長期的力學性能，包括扭轉、彎曲剛度等，以便在電池組壽命期間承載沉重的電池，同時保護電池免受腐蝕、石子撞擊、灰塵和濕氣侵入以及電解液泄漏的影響。在某些情況下，電池箱體還需能夠防止靜電放電和來自附近系統的電磁干擾/射頻干擾。

 

 

 

其次，在發生碰撞時，箱體必須保護電池系統，防止撞碎、刺穿或因水/濕氣進入而引起短路。第三，電動汽車電池系統必須有助于在各種天氣下充電/放電期間將各單格電池保持在理想的熱運行范圍內。在發生火災時，它們還必須盡可能長時間地保持電池組不接觸火焰，同時保護車輛乘員免受電池組內部熱失控產生的熱量和火焰的影響。此外，還存在重量對行駛里程的影響、電池堆疊公差對安裝空間的影響、制造成本、可維護性和使用期滿的回收等諸多挑戰。

 

 

 

新能源汽車復合材料

 

結構板簧輕量化技術分析

 

汽車輕量化發展必要性

 

 

 

汽車制造行業發展中，汽車輕量化是對汽車技術的創新與改進，對控制汽車能耗、減少汽車燃油量意義重大、復合材料板簧作為汽車的重要組成部分，其在汽車輕量化發展中有著不可替代的作用。因此，本文通過介紹汽車負荷板簧工藝，對汽車輕量化發展中復合材料板簧的具體應用展開研究，借此在汽車材料輕量化基礎上，實現整車輕量化，推動汽車技術改革。

 

 

 

 

 

技術環境

 

 

 

目前，高強度鋼鋁鎂合金廣泛應用于商用車，使得輕量化的空間非常有限。復合材料也用于商用車非承重結構（如導流板等），但復合材料很少用于國內商用車承重結構（如板簧、車架等）。主要原因之一是其載荷強、結構復雜、技術困難和風險大。為了實現國內商用車突破性的輕量化效果，必須加強負載品中密度輕、強度高的復合材料的應用。復合鋼板彈簧與其他運載部件相比，對減少汽車質量有明顯效果，目前已成為國內商用車輕量化研究的熱門產品。

 

 

 

 

 

生態環境

 

 

 

近年來，我國已成為世界最大的石油進口國。據我國石油經濟技術研究院發布的《2019年國內外油氣行業發展報告》數據顯示，2019年我國原油凈進口首次超過5億t，原油對外依存度首次超過70%。從2004年的40%到2010年首次突破了50%的國際警戒線，從2016年的60%到2019年的70%，我國石油的對外依存度不斷突破。據國家統計局，2020年1—7月，我國進口原油3.2億t，同比增長12.1%。資料顯示，我國礦石資源對進口石油資源的依賴程度很高。因此，我國需要解決石油危機，減少對石油等礦石能源的依賴，復合鋼板彈簧在汽車輕量化方面的應用有助于更好地解決能源依賴問題。

 

 

 

在汽車懸架系統中，板簧屬于該系統的重要結構，其參數設計合理性、準確性，直接應著汽車舒適性、穩定性。傳統汽車技術中，汽車懸架制造使用彈簧鋼加工，但卻導致汽車整體重量較大，所以在汽車輕量化發展的今天，相關人員可通過降低復合材料板簧自重來控制整車重量。因此，深入探究復合材料板簧在汽車輕量化發展中的應用，對實現汽車輕量化目標有著重大價值。

 

 

 

鋼板彈簧概述

 

 

 

作用

 

鋼板彈簧主要由多片寬厚相等但長短不一的彈性鋼片組成。采用懸架技術將車架和車橋相連，以承受輪胎對車架產生的沖擊力，同時具有緩沖減振的功能，保證汽車行駛平穩性的同時提升駕駛者的舒適度。

 

 

 

分類

 

鋼板彈簧主要分為多片簧及少片簧兩大類。多片簧是將多片直徑相同，但長短不同的鋼材疊加一起，將多片鋼板彈簧的各片鋼材疊加成倒三角形狀，最上端的鋼材最長，最下端的鋼材最短，鋼材的片數和客車的載荷有關，因此鋼材片越多、厚度越大，彈簧剛性也越大。不過，當鋼板彈簧工作時間久了之后，各片之間還會相互滑動摩擦引起巨大噪聲，而鋼片之間的相對磨損也會造成彈簧產生扭曲，導致機器運轉不順暢。少片簧則是將兩頭薄中間厚的鋼材疊加在一起。由于少片鋼板彈簧的鋼材斷面長度變化較大，從中部到兩頭的斷面寬度也會逐漸變化，因此軋壓過程就比較復雜，價錢也比多片簧高。在同樣剛性的情況下，少片簧較多片簧輕50%左右，從而降低了相對磨損和振動，也提高了使用安全性。

 

 

 

原理

 

鋼板彈簧通常安裝在車輛懸架內部，當車橋與車架之間互為依靠時，當鋼板彈簧接受的垂直負荷為正向時，各彈簧均因受力情況而變化，有向上拱彎的趨勢。當車橋和車架之間彼此脫離時，鋼板彈簧承擔的方向垂直負荷和變化便逐步減少。

 

 

 

主片卷耳受力最強，比較容易損壞。為改變主片卷耳的受力狀況，常把第2片末端彎成小卷耳，包在主片卷耳的最外側，叫做包耳。為了在彈性變化時各片之間有相應滑動的機會，可以在主片卷耳和第2片包耳間留出很大的空間。但有時在鋼板簧片兩端也不做卷耳，而是使用另外的支承連接方法，如橡膠支承墊。

 

 

 

優缺點

 

鋼板彈簧的好處是構造簡單，運行安全可靠，成本便宜，維護簡單。它既是懸掛的彈力部件，也是懸掛的導向裝置。一端與底盤鉸接，能夠傳輸各類動力與扭矩，同時具有摩擦減振的功能，因此被廣泛用于非獨立懸掛上。不足之處是一般作為非獨立懸架，自身質量較大，剛性大，舒適度較差，且縱向寬度過大，不利于減少車輛的前懸和后懸間距，易于與車架連接的鋼管彈簧銷磨損等。

 

 

 

目前，環保理念已經深入社會各行各業當中，汽車行業也逐漸重視輕量化設計問題。為解決能耗和環境污染問題，最近幾年電動車的生產和保有量一路高漲。降低整車重量是減少電動車的能耗、提升續航里程的有純電動汽車重量降低效解決方案之一。

 

 

 

相關研究表明，純電動汽車重量降低10%，續航里程便可增加約5.5%。為保證和提高電動車的續航里程，可以從兩個方面入手，一是提高能量密度從而減少電池的應用量，二是減少結構件的重量。

 

 

 

對于純電動汽車來說，減重是提升其動力和續航的一個有效途徑。作為其中的一個大體積部件，電池箱存在著相當大的輕量化潛力。以電池箱上蓋為例，市面上已存在多種“以塑代鋼”的輕量化方案，包括SMC、LFT-D和纖維增強注塑等工藝的應用。然而，這些方案主要以非連續纖維增強的復合材料為主。由于產品性能要求和工藝本身的限制，上述方案的制品壁厚通常在2.5mm以上，進一步實現薄壁化存在較大的技術難度。由于上述工藝在薄壁化方面的局限性，越來越多的汽車主機廠和汽車電池廠商將關注點放在了連續纖維增強復合材料的電池箱方案上。