轻质复合材料推动汽车轻量化发展

轻质复合材料一直是开发更节能汽车的关键部分，美国能源部汽车技术办公室的数据显示，汽车重量减少10%，燃油经济性就能提高6%至8%。然而，随着汽车零部件制造商找到了减轻重量的新方法，人们还学会了极大限度地提高复合材料的其他显著特性，包括其巨大的强度和可模塑性。

但是，CFRP和GFRP材料提供的设计自由度，已受到生产可扩展性的挑战。因此，开发人员正在集中精力简化要组装的组件数量，减少对第二组装或精加工的需求，从而以更具竞争力的成本加快整个制造过程。

这项工作似乎正在取得成果。研究公司Global Market Insights预测，从2020年到2026年，汽车复合材料市场的复合年增长率将超过6.7％。大部分的增长将归功于正在研发的创新产品，例如以下提到的复合材料应用四大创新产品。

有望量产的CarbonPro碳纤维皮卡后货箱

快速生产也是碳纤维皮卡后货箱的一个关键优势，该产品首次在通用汽车2019年的Sierra Denali 1500和Sierra AT4 1500上推出。轻巧的CarbonPro碳纤维后货箱的抗冲击能力是钢制后货箱的10倍，能够经受住飓风1级弹丸测试。碳纤维复合材料的早期测试包括将沉重的负载——从煤渣块到450磅的装满水的钢桶，扔到后货箱上。钢桶受到了冲击，但坚硬的复合材料几乎没有受到影响。

然而，汽车零部件制造商更有可能对支持这种结构碳纤维增强热塑性（CFRTP）部件大批量生产的技术感兴趣。日本复合材料技术供应商帝人公司（Teijin）研发的生产设备可以在大约一分钟内成型一个CFRTP部件。一个完整的CarbonPro后货箱总共大约23个CFRTP模块——可以在10分钟内建成。这些后货箱是在帝人的子公司大陆结构塑料（CSP）印第安纳工厂组装的。

据报道，尽管GMC在其约20万辆2019年款塞拉斯（sierra）中使用CarbonPro车箱的产量不足500辆，但到2020年，需求已将这一数字推至近2万辆。

帝人专有的碳纤维尼龙热塑性材料Sereebo®构成了CarbonPro车厢板、内侧面板和地板。不仅提供强度，与传统的钢制皮卡车厢相比，它还能减轻Sierra皮卡25%的重量。如果考虑到防刮伤和防凹陷的板材不再需要40磅的内衬，那么这些重量的节省就会进一步增加。

CFRTP的成形性使工程师能够进一步将侧壁推出，与轧辊成型的钢制皮卡车厢相比，提供了整整一立方英尺的货物空间。这种可塑性也为通用汽车提供了独特的设计灵活性。通用汽车的工程师们选择在这个车厢上添加一些独特的功能，包括系带和用于存放自行车的凹痕，以及增加牵引力的三维“纹理”。事实上，正如其他汽车制造商发现的那样，复合材料的模塑性呈现出许多独特的美学和功能可能性，这是其他材料不可能实现的。

简化后备箱地板的生产

当巴西一级汽车供应商DPA Moldados开始寻找热塑性三明治夹层芯解决方案，以取代之前的热固性选择时，该公司求助于热塑性蜂窝芯技术专家EconCore。之后，材料和部件供应商共同开发了一种压缩成型工艺，替换了传统的多步热固性聚氨酯、玻璃纤维、纸蜂窝夹层铺层，取而代之的是低成本、环保的热塑性蜂窝替代材料。

在过去，这种模块化的行李箱地板是由两个或三个模压部件制成的，然后用铰链连接成可折叠的部分。通过新工艺，供应商挤出一种热塑性材料，直接转化为蜂窝芯。核心是用热塑性玻璃纤维毡复合皮压缩模压成型的，全部来自单层的三明治预制体，并且装饰性的热塑性地毯是一次性添加到零件的表面。连接可折叠部分的铰链是通过容纳模具间隙设计在同一过程中创建的。柔软、预热的热塑性塑料蜂窝芯被校准成“V”形，创造了一个活的铰链。

通过减少二次加工，供应商能够将单个零件的生产从90-120秒周期加速到45- 5秒周期，这一时间节省有助于降低使用高性能材料的总体成本。

EconCore的首席运营官托马斯?布莱克（Tomasz Czarnecki）预测，通过在单个位置模制所有面板组件，可以进一步简化此过程。他说：“将来，在产量足够高的情况下，压缩成型步骤可以与连续的蜂窝夹芯板生产结合在一起。”

Czarnecki估计，一条高容量的蜂窝生产线可以为10种或更多不同的车型创造产品，这种灵活性增加了解决方案的整体价值。

新型产品的另一个显著优势在于，与早期模型中使用的材料相比，使用蜂窝状行李箱底板使重量减轻了20％。通过使用更少的材料，该组件减轻了重量并减少了对环境的影响。这也进一步推动了环境友好。

Czarnecki解释说：“我们的产品以及汽车零部件装饰所需的热塑性整理地毯都是可回收的。在地毯成型和整合到夹层结构中，它们不会受到其他材料的污染，如聚氨酯或热固性胶水，所以在产品使用寿命结束时，它们可以完全回收。”在某些情况下，当地毯和面板是由同一种热塑性材料制成时，该公司可以进一步简化回收过程，避免任何机械分离部件。

生产团队正在考虑在将来的升级换代中使用ThermHex再生PET热塑性蜂窝芯，以进一步提高产品的环境友好性。

复合发动机护罩令驾驶舱更安静

复合材料的可塑性帮助福特开发了一种独特的解决方案，以应对噪音挑战。与其他整车厂一样，福特也在密切关注轻量化机遇，同时也在关注包括噪音在内的整体驾驶体验。关于如何提高舒适性的研究促使制造商考虑降低驾驶室内部动力系统噪声、振动和粗糙性（NVH）的策略。事实上，这就是福特在密歇根州迪尔伯恩建立NVH实验室的全部目标。

CSP受邀来到NVH实验室，与福特合作开发一种热固性片模复合材料（SMC），用于发动机护罩，专门设计用于解决噪音和振动问题。福特公司已经决定用两堵墙将引擎室与乘客隔开，这将有助于减少其2020年福特探索者和林肯飞行员的行车声。发动机罩模仿了福特NVH测试实验室使用的半消声室。

CSP最终确定了一种乙烯基酯基的高玻璃纤维含量SMC材料，并采用压缩成型工艺设计，以满足应用程序的质量/密度、NVH要求、热性能和结构要求。由此产生的发动机罩会在发动机舱和钢制前隔板之间形成气隙。它缠绕在引擎的后面，与发动机舱两侧的稳定支柱塔相接。

CSP的业务发展总监布莱恩?路德维格（Bryan Ludwig）表示，如果使用传统材料，这种形式是不可能实现的。他解释说：“因为我们的玻璃纤维复合材料是热固性材料，它实际上提供了比金属更好的热性能，并且可以被压得足够薄，以适应狭小的机舱空间。”

热保护至关重要，因为发动机罩有助于散发发动机产生的多余热量，以保护电气组件。当然，通过在将发动机与乘客分隔开的那堵墙中使用复合材料（如CSP的专有材料），制造商还可以减轻添加其他部件的重量。4件装的组件重12磅，比类似的钢制护罩轻。

弧形中空拉挤碳纤维保险杠

雪佛兰将2020 Stingray称为迄今为止其基本车型科尔维特中最快、最强大的一款，能够在三秒内达到0到60英里每小时的速度。它之所以能达到这样的速度，部分原因是其车身广泛使用了轻质材料。采用超轻浮子材料制造汽车行李箱和仪表板一直是汽车工业界关注的焦点。超轻浮子材料是由Molded Fiber Glass Co.生产的玻璃纤维和专有树脂SMC，据报道很轻，可以浮在水中。但是，2020年Stingray的多空心拉挤碳纤维保险杠横梁证明了复合材料在轻巧的情况下具有的强度。

保险杠的形状对其耐撞性有很大影响。都灵大学（University of Turin）和密歇根州立大学（Michigan State University）的研究人员发现，在开发复合保险杠梁时，选择正确的曲率半径可以改善汽车的空气动力学和结构，并有助于提高汽车的安全性。改变材料和梁的曲率会影响沿梁的应力分布以及应力值。密歇根州的格兰德海文市（Grand Haven）提供了一种正确的选择和一个创新的机会。

Shape Corp.高级产品开发的产品开发工程师保罗?罗姆（Paul Roehm）表示，当通用汽车公司接洽时，这家复合工程公司已经在探索拉挤成型方面的高级开发工作。OEM有兴趣使用复合解决方案来减轻Stingray的重量，同时满足苛刻的性能要求。

该团队最终选择了碳纤维和Scott Bader的Crestapol®聚氨酯丙烯酸酯树脂的混合物，以实现保险杠梁强度和轻量化性能的适当平衡。与德国纤维复合材料拉挤公司Thomas Technik + Innovation合作，形状工程师开始制作拉挤型材的原型。工程师们从直线型材开始，对制造工艺和产品属性有了初步的了解，然后才推出了该行业的第一个弯曲拉挤型材。

“除了目标型材所需的质量和复杂性之外，它还具有多空心设计和薄壁，我们还需要能够为我们的目标应用制造具有曲率的拉挤型材，这在当今行业中还没有做到。”Shape高级产品开发产品经理乔?马特基（Joe Matecki）解释说。

为了创建弯曲轮廓，工程团队必须重新考虑标准的拉挤成型工艺。Roehm解释说：“在典型的直线拉挤成型中，夹持器移动以不断拉动零件。要在热固性塑料中增加曲率，零件需要以弯曲状态进行固化。”由Thomas Technik开发的缓冲器梁生产单元使用一个弯曲的、移动的模具来拉动零件和一个固定的夹具。

完成后的保险杠横梁将被绑在汽车后部的钢结构上，然而这带来了另一个挑战。开发人员对几种结构胶粘剂进行了测试，以找到强度和韧性的极佳组合，来满足达到雪佛兰标准所需的碰撞、冲击和耐久性要求，以及用于钢铁部件的电泳涂装工艺的高温要求。为了在生产线上组装保险杠梁，它必须经受住这一艰难的初级加工过程。团队选择Crestabond®M7-05的部分原因是其在高温测试协议下的粘结能力。不仅成品能达到严格的A级表面要求，而且在主要的生产线上也能做到。