汽車制造：拉擠工藝提升產量

　　一個合作性的歐洲項目希望通過改進拉擠成型工藝實現復合材料在汽車行業中的更多應用。西班牙塑料技術中心AIMPLAS 的Nora Lardiés Miazza 介紹了這一項目的具體目標。
      
　　圖1. 汽車行業需要新的生產工藝， 以使復合材料發揮出大作用。
　　生產輕型汽車所要面臨的挑戰眾所周知，輕型汽車具有低油耗優勢，可以直接減少溫室氣體的排放。此外，汽車制造商已經投入了大量的時間和金錢研發混合動力汽車和電動汽車，減少排放到空氣中的污染物。這種新的電動汽車結構將需要更輕的材料和新的生產工藝，工藝必須更簡單、更靈活。
　　引導這種變化并代替傳統金屬材料的佳材料是復合材料（混合有玻璃纖維或碳纖維的熱固性樹脂）。復合材料具有良好的機械性能和高耐腐蝕性，而且重量輕。實際上，用復合材料代替鋼質部件大約可以減少40% 的重量。雖然玻纖增強塑料（GFRP）在運輸行業的消耗量大約為350 噸/ 年，被用于不同的車輛部件，但復合材料在結構部件中的應用仍然是很少的，因為它們只被用于原型車。復合材料結構的廣泛使用將確保這些車輛比目前的汽車重量輕。
　　自動化需求
　　復合材料汽車部件大批量生產的主要障礙是缺乏復合材料的自動化加工技術，這就增加了它們的制造成本。在所有的復合材料生產工藝中，自動化程度高、高效和具競爭力的工藝就是可以得到恒定截面的拉擠成型工藝（見圖2）。
　　目前，拉擠成型工藝主要是將浸漬的纖維在模具中成型（浸漬是在開放的槽或通過注射完成的）。模具的加熱系統（通常是熱電阻）控制著樹脂的固化。復合材料被拉擠成型之后再切割成所需長度。
      
　　圖2. 傳統的拉擠成型工藝。
　　然而，與傳統材料相比較而言，拉擠型材的幾個缺點削弱了它本身的競爭力，這些問題還有待解決。一方面，該工藝受限于樹脂在模內所需的聚合時間，這就導致拉擠工藝的加工速度較慢。另一方面，如果型材表面需要涂層來提高表面質量，必須增加額外的工藝步驟對型材的表面做精心的準備：打磨和上漆是非常耗費金錢和人工且污染嚴重的工藝過程。
　　為了解決這個問題，COALINE 項目于2013 年9 月啟動。COALINE 項目（為拉擠成型復合材料的在線涂裝開發一種創新的生產工藝）的主要目標是得到一種清潔的一步式在線工藝，無VOC和小顆粒物排放，采用傳感技術、先進的模具設計和微波輔助固化技術來生產正確涂裝的拉擠成型復合材料型材，提高復合材料/ 涂層的附著力，同時降低勞動力成本和加工成本（見圖3）。此外，COALINE 工藝制成的型材將通過底漆式涂裝方式加入其他材料，同時將在線涂裝和按需粘接性能結合起來。
      
　　圖3. 傳統拉擠成型工藝與COALINE 拉擠成型工藝的對比。
　　COALINE 項目的主要目標行業是建筑和汽車（ 電動汽車配件）。COALINE 項目所開發的工藝過程將能夠大大減少所需要的工藝步驟以及污染物排放量，從而生產出帶有涂層的高質量復合材料部件，其中成型、涂層和拋光過程被整合在一個步驟中。因此，就得到了能夠取代傳統金屬汽車結構件的低成本熱固性復合材料，這將減輕汽車的重量，降低燃油消耗和碳排放。此外，高性能涂層型材生產時間的縮短將提高汽車行業的產量，并實現連續生產。COALINE 項目旨在解決高價值涂層拉擠型材的生產難題，大幅降低生產成本（高達35%），減少處理步驟的數量，顯著提高產量，提升它們的質量（與先進的涂層拉擠型材相比）。這些創新方法包括：
　　◆ 新的多級模具設計，樹脂及涂料的聚合在多腔結構中分別進行。
　　◆模具內部的微波加熱系統能夠縮短聚合反應的時間，減少復合材料生產中所需的能耗。MW 系統的使用不依賴于復合材料生產中所使用的纖維類型（玻璃纖維或碳纖維）。
　　◆新型改性樹脂和膠衣以及MW 基座共同改善輻射吸收，實現快速固化。
　　◆控制系統通過控制每一個工藝步驟中的固化程度，實現涂層和復合材料的粘附。
　　◆將樹脂和涂層直接注入模具內部，大限度地減少揮發性有機化合物（VOC）的排放，從而改善工人的工作條件，也避免了復合材料表面的后續處理。
　　◆快速固化的底漆使得復合材料和金屬部件之間可以相互粘附，也使得拉擠成型結構的回收和維護更加容易。
　　結論
　　這一項目在提高車輛性能方面又向前邁進了一步。先，重量的減輕意味著車輛行駛過程中需要更少的能耗；車架上的壓力更小了，車架靈活性提高了，因此載荷能力提高了。其次，該項目將制定出更高的涂層規范，從而為腐蝕性/ 惡劣環境中的操作帶來福音。
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