汽車部件聯(lián)姻增強聚丙烯材料的多樣分析
http://www.sxbltgs.net 時間:2015年4月10日 關注數(shù):787 次 |
摘要：長玻纖增強聚丙烯材料在汽車部件上的研究與應用，是近年來的熱點之一。本文簡述長短玻纖增強聚丙烯材料的特點，對長玻纖塑料在前端模塊、儀表板骨架、車門模塊等典型部件應用進行分析。
長玻纖增強聚丙烯塑料指含有玻璃纖維長度在10到25mm的改性聚丙烯復合材料，經(jīng)過注塑等工藝形成三維結構，英文為 Long Glass
Fiber polypropylene，簡寫為LGFPP。國內(nèi)外亦有很多資料將長纖維增強熱塑性塑料簡稱為LFT，即 Long-fiber
reinforce thermoplastic的縮寫。從材料定義看，LGFPP屬于LFT的一種。
材料特點
微觀結構決定宏觀性能，因此10~25mm長玻纖增強塑料(簡寫LGFPP)相比普通4~7mm短玻纖增強塑料(簡寫GFPP)具有更高的強度、剛度、 韌性，以及尺寸穩(wěn)定性、翹曲度低等優(yōu)勢。此外，長玻纖增強聚丙烯材料即使經(jīng)受100℃的高溫也不會產(chǎn)生明顯的蠕變，且比短玻纖增強聚丙烯有著更好的抗蠕變 性能。
在注塑成品上，長玻纖交錯成立體網(wǎng)絡結構，即使聚丙烯基材灼燒后，長玻纖網(wǎng)絡仍形成一定強度的玻纖骨架，而短玻纖灼燒后一 般則成無強度的纖維骨架。造成這種情況，主要因為增強纖維的長徑比值決定增強效果，臨界長徑=L/D，臨界長徑比小于100的填料和短玻璃纖維沒有增強作 用，而臨界長徑比小于100 的長玻璃纖維則起到增強作用。
與金屬材料和熱固性復合材料相比，長玻纖塑料密度低，相同部件重量可 減輕20~50%;長玻纖塑料能為設計人員提供更大的設計靈活性，比如可成型形狀復雜的部件，集成零部件使用數(shù)量，節(jié)約模具成本(一般長玻纖塑料注塑模具 的成本約為金屬沖壓模具成本的20%)，減少能耗(長玻纖塑料的生產(chǎn)能耗僅為鋼制品的60~80%、鋁制品的35~50%)，簡化裝配工序。
汽車典型應用部件有哪些
基于長玻纖材料的應用優(yōu)勢，其在汽車應用已越來越廣泛，在主流車型新車型上，我們已越來越多看到以下部件采用長玻纖增強聚丙烯材料，長纖維增強聚丙烯被 用于轎車的儀表板本體骨架、電池托架、前端模塊、控電盒、座椅支撐架、備胎盤、擋泥板、底盤蓋板、噪音隔板、后車門框架等。
下面，就幾個長玻纖塑料典型應用部件介紹。
前端模塊：對于汽車前端模塊，采用PP-LGF30材料，可將散熱器、喇叭、冷凝器、托架等超過10個傳統(tǒng)金屬件集成于一個整體;相比金屬件更耐腐蝕，密度小、重量減輕約30%，具有更高的設計自由度，可直接回收無需分類處理;降低了制造成本，有明顯的降本優(yōu)勢。
大眾、福特等外資品牌汽車前端模塊塑料化成功應用多年。近年來，自主品牌車企逐步開始進行自主化設計與新材料應用研究。比如，上汽主導的FCV- 863項目，對前端模塊實施塑料化，減重達3.03kg。長安汽車，在2011年車展并展示了款配有全塑料前端模塊的CX30緊湊型轎車，將22個金屬零 部件組成一個注塑成型部件，極大地簡化了CX30車型的前端結構，使該部件減重高達40%，并且減輕了汽車總重量約4kg。長安逸動2015款塑料前端模 塊原鋼件10.13kg，塑料件6kg，預計減重4.13kg，減重率41%;并將推廣應用到C201、C206、C2X等量產(chǎn)車型上。長城汽車2014 年6月量產(chǎn)的最新款汽車已采用塑料前端模塊，重量減輕30%至4.7kg。江淮汽車目前也在量產(chǎn)車上推廣塑料前端模塊等產(chǎn)品。2011年，奇瑞汽車承擔的 “纖維增強塑料前端模塊開發(fā)及其在目標車型上集成應用”國家科技支撐計劃項目，對塑料前端模塊進行系統(tǒng)開發(fā)，并成功應用到量產(chǎn)車型(比如艾瑞澤7)上。
在卡車前端模塊塑料化方面，SABIC與SCANIA合作成功開發(fā)了卡車前端框架，并形成模塊化供貨，將部件由5.15kg減重至3.29kg，減重效果達33%。
儀表板本體骨架：對于軟質(zhì)儀表板骨架材料，采用LGFPP比填充PP材料強度更高、彎曲模量更改，流動性更好些，在相同強度下，儀表板設計厚度可減薄從 而減重，一般減重效果約20%。同時，可將傳統(tǒng)的多個部件儀表盤托架發(fā)展為單個模塊。此外，儀表板前除霜風道本體、儀表板中間骨架選材，一般與儀表板本體 骨架采用同一種材料，可進一步提升減重效果。
2011，福特翼虎及福特Kuga儀表板(采用Trexel MuCell微孔泡沫注塑成型技術和SABIC的PP-LGF20制造)，和普通注塑制造的填充聚丙烯儀表板相比，此應用產(chǎn)品將每輛車減輕了 0.45kg，生產(chǎn)時間縮短15%，成本降低3美元。目前，寶馬、奧迪等中高端軟質(zhì)儀表板骨架，大多采用長玻纖塑料制造作為儀表板骨架材料。比 如，2010年BMW公司7系轎車儀表板骨架通過采用長玻纖塑料，儀表板成品能夠比傳統(tǒng)材料重量降低20%。同時，長玻纖聚丙烯材料可與BMW公司自動化 整體發(fā)泡注塑技術相兼容;采用較少的原材料就能實現(xiàn)更高的強度和剛度，并且能夠使儀表板具有更優(yōu)良的性能。目前，寶馬3/5/7系、奔馳E等高端汽車儀表 板骨架皆采用LGFPP材料。
合資品牌車企中，一汽大眾、上海大眾、長安福特等多款量產(chǎn)車的儀表板骨架均已采用LGFPP。在自 主品牌中，長城高端SUV儀表板骨架PP- LGF20代替改性PP由3mm減為2.2mm，并成功批量化生產(chǎn)。比亞迪騰勢、上汽榮威550等中級以上乘用車的儀表板骨架也逐步采用LGFPP材料。
車門模塊（車門中間板骨架）
曾經(jīng)采用SABIC STAMAX長玻纖聚丙烯的現(xiàn)代索納塔塑料車門模塊，獲得了在美國塑料工程師協(xié)會(SPE)創(chuàng)新大獎。新福特Fiesta車型前門模塊集成了多種功能元 件，諸如門鎖、車門玻璃升降器、揚聲器、防盜裝置等。馬自達6車門內(nèi)板，一汽奔騰B70等皆采用LGFPP制造。
換擋機構：換擋 機構主要采用金屬材料和短纖維尼龍材料，目前，國外少數(shù)車型換擋機構骨架已嘗試采用長玻纖增強聚丙烯材料替代短玻纖尼龍材料。尼龍材料容易吸水，成品件吸 水率一般在0.7%以上。在高溫高濕環(huán)境下，存在發(fā)生失效的風險;若改為不易吸水的長玻纖聚丙烯材料，則可避免此類問題的發(fā)生。同時，采用長玻纖增強PP 材料，可起到減重降本的作用。
電子油門踏板：電子油門踏板臂需要承受較大的力，因此，其選用材料需要有極好的力學性能，較好的韌 性，在高低溫下材料性能不能有大的變化。目前電子油門踏板臂以玻纖增強PA材料為主。泰科納材料商曾成功用長玻纖塑料(牌號Celstran PP-LGF40/50)用于電子油門踏板上，如圖9所示，具有低氣味性且高強度的良好性能，比增強PA材料的成本低。
長玻纖塑料可用在座椅靠背，替代傳統(tǒng)鋼材骨架可實現(xiàn)減重20%、且優(yōu)異的設計自由度和機械性能、擴大的乘坐空間等特點。
另外，長玻纖塑料可以制成電池托盤、天窗框架、備胎倉及備胎倉蓋。福特KUGA(2010)采用PP-LGF40制成的后背門內(nèi)板。
材料開發(fā)的難度和重點
減重降本一直是整車比較關注的話題，相比外資車企將PP-LGF作為輕量化新材料的成功應用，自主品牌在實施過程中還有許多困難需要克服。比如：
(1)樹立理EVI(Early Vendor Involvement的縮寫)概念：即材料供應商系統(tǒng)零件供應商，在概念開發(fā)階段介入新車型項目，充分了解主機廠用戶對材料的需求，從而提高更改性能的 產(chǎn)品和服務;如果僅以標桿車企用材作為選材依據(jù)，則在車型上市與標桿車已有約5年的選材差距。
(2)成本分析：若單純從原材料成本考慮，每公斤塑料價格高于金屬材料;但前期模具費用投入較少，塑料件注塑模具僅同部件鋼質(zhì)模具的50%，模壓模具僅為同部件鋼質(zhì)模具30~40%;集成周邊部件，模塊化供貨，可進一步節(jié)省主機廠裝配等費用、減少裝配工具、節(jié)約場地。
(3)其他方面：部件用材料種類的改變，材料收縮率變化需要開發(fā)新模具;同時針對長玻纖特殊材料，需要采用不同于常規(guī)注塑機等加工設備。雖然，作為外購件大部分技術攻關由一級供應商來承擔進行，但在主機廠需要做好長玻纖材料產(chǎn)業(yè)化過程中的各種技術問題的應對措施。
在長玻纖增強塑料的應用開發(fā)方面，外資車企在應用開發(fā)方面更為深入和超前，國內(nèi)自主品牌則更多地借鑒吸收應用外資車企的成熟應用案例和先進技術。
自主品牌中，長城汽車和上汽乘用車走在最前面，吉利、奇瑞、長安乘用車亦進行了大量的應用開發(fā)工作。長城汽車全面開展了塑料零部件產(chǎn)品的研究工作，部分 已量產(chǎn)應用;在國家項目的支持下，上汽在純電動車E50等車型上研究使用許多LGFPP零部件。在行業(yè)內(nèi)，以汽車輕量化聯(lián)盟為依托，進行輕量化技術(含輕 量化材料技術)的交流與溝通;在公司內(nèi)，搭建整車輕量化技術應用平臺，及時將新材料新技術新工藝引入到整車開發(fā)中。
在材料替代方面，長玻纖塑料類制品可同時起到減重、降本的作用。之前是短玻纖尼龍材料代替金屬材料，近幾年隨著輕量化材料應用開發(fā)，長玻纖增強聚丙烯材料在越來越多的汽車部件上逐步代替了短玻纖尼龍塑料，這樣進一步推廣了LGFPP材料在汽車上的研究與應用。
材料特點
微觀結構決定宏觀性能，因此10~25mm長玻纖增強塑料(簡寫LGFPP)相比普通4~7mm短玻纖增強塑料(簡寫GFPP)具有更高的強度、剛度、 韌性，以及尺寸穩(wěn)定性、翹曲度低等優(yōu)勢。此外，長玻纖增強聚丙烯材料即使經(jīng)受100℃的高溫也不會產(chǎn)生明顯的蠕變，且比短玻纖增強聚丙烯有著更好的抗蠕變 性能。
在注塑成品上，長玻纖交錯成立體網(wǎng)絡結構，即使聚丙烯基材灼燒后，長玻纖網(wǎng)絡仍形成一定強度的玻纖骨架，而短玻纖灼燒后一 般則成無強度的纖維骨架。造成這種情況，主要因為增強纖維的長徑比值決定增強效果，臨界長徑=L/D，臨界長徑比小于100的填料和短玻璃纖維沒有增強作 用，而臨界長徑比小于100 的長玻璃纖維則起到增強作用。
與金屬材料和熱固性復合材料相比，長玻纖塑料密度低，相同部件重量可 減輕20~50%;長玻纖塑料能為設計人員提供更大的設計靈活性，比如可成型形狀復雜的部件，集成零部件使用數(shù)量，節(jié)約模具成本(一般長玻纖塑料注塑模具 的成本約為金屬沖壓模具成本的20%)，減少能耗(長玻纖塑料的生產(chǎn)能耗僅為鋼制品的60~80%、鋁制品的35~50%)，簡化裝配工序。
汽車典型應用部件有哪些
基于長玻纖材料的應用優(yōu)勢，其在汽車應用已越來越廣泛，在主流車型新車型上，我們已越來越多看到以下部件采用長玻纖增強聚丙烯材料，長纖維增強聚丙烯被 用于轎車的儀表板本體骨架、電池托架、前端模塊、控電盒、座椅支撐架、備胎盤、擋泥板、底盤蓋板、噪音隔板、后車門框架等。
下面，就幾個長玻纖塑料典型應用部件介紹。
前端模塊：對于汽車前端模塊，采用PP-LGF30材料，可將散熱器、喇叭、冷凝器、托架等超過10個傳統(tǒng)金屬件集成于一個整體;相比金屬件更耐腐蝕，密度小、重量減輕約30%，具有更高的設計自由度，可直接回收無需分類處理;降低了制造成本，有明顯的降本優(yōu)勢。
大眾、福特等外資品牌汽車前端模塊塑料化成功應用多年。近年來，自主品牌車企逐步開始進行自主化設計與新材料應用研究。比如，上汽主導的FCV- 863項目，對前端模塊實施塑料化，減重達3.03kg。長安汽車，在2011年車展并展示了款配有全塑料前端模塊的CX30緊湊型轎車，將22個金屬零 部件組成一個注塑成型部件，極大地簡化了CX30車型的前端結構，使該部件減重高達40%，并且減輕了汽車總重量約4kg。長安逸動2015款塑料前端模 塊原鋼件10.13kg，塑料件6kg，預計減重4.13kg，減重率41%;并將推廣應用到C201、C206、C2X等量產(chǎn)車型上。長城汽車2014 年6月量產(chǎn)的最新款汽車已采用塑料前端模塊，重量減輕30%至4.7kg。江淮汽車目前也在量產(chǎn)車上推廣塑料前端模塊等產(chǎn)品。2011年，奇瑞汽車承擔的 “纖維增強塑料前端模塊開發(fā)及其在目標車型上集成應用”國家科技支撐計劃項目，對塑料前端模塊進行系統(tǒng)開發(fā)，并成功應用到量產(chǎn)車型(比如艾瑞澤7)上。
在卡車前端模塊塑料化方面，SABIC與SCANIA合作成功開發(fā)了卡車前端框架，并形成模塊化供貨，將部件由5.15kg減重至3.29kg，減重效果達33%。
儀表板本體骨架：對于軟質(zhì)儀表板骨架材料，采用LGFPP比填充PP材料強度更高、彎曲模量更改，流動性更好些，在相同強度下，儀表板設計厚度可減薄從 而減重，一般減重效果約20%。同時，可將傳統(tǒng)的多個部件儀表盤托架發(fā)展為單個模塊。此外，儀表板前除霜風道本體、儀表板中間骨架選材，一般與儀表板本體 骨架采用同一種材料，可進一步提升減重效果。
2011，福特翼虎及福特Kuga儀表板(采用Trexel MuCell微孔泡沫注塑成型技術和SABIC的PP-LGF20制造)，和普通注塑制造的填充聚丙烯儀表板相比，此應用產(chǎn)品將每輛車減輕了 0.45kg，生產(chǎn)時間縮短15%，成本降低3美元。目前，寶馬、奧迪等中高端軟質(zhì)儀表板骨架，大多采用長玻纖塑料制造作為儀表板骨架材料。比 如，2010年BMW公司7系轎車儀表板骨架通過采用長玻纖塑料，儀表板成品能夠比傳統(tǒng)材料重量降低20%。同時，長玻纖聚丙烯材料可與BMW公司自動化 整體發(fā)泡注塑技術相兼容;采用較少的原材料就能實現(xiàn)更高的強度和剛度，并且能夠使儀表板具有更優(yōu)良的性能。目前，寶馬3/5/7系、奔馳E等高端汽車儀表 板骨架皆采用LGFPP材料。
合資品牌車企中，一汽大眾、上海大眾、長安福特等多款量產(chǎn)車的儀表板骨架均已采用LGFPP。在自 主品牌中，長城高端SUV儀表板骨架PP- LGF20代替改性PP由3mm減為2.2mm，并成功批量化生產(chǎn)。比亞迪騰勢、上汽榮威550等中級以上乘用車的儀表板骨架也逐步采用LGFPP材料。
車門模塊（車門中間板骨架）
曾經(jīng)采用SABIC STAMAX長玻纖聚丙烯的現(xiàn)代索納塔塑料車門模塊，獲得了在美國塑料工程師協(xié)會(SPE)創(chuàng)新大獎。新福特Fiesta車型前門模塊集成了多種功能元 件，諸如門鎖、車門玻璃升降器、揚聲器、防盜裝置等。馬自達6車門內(nèi)板，一汽奔騰B70等皆采用LGFPP制造。
換擋機構：換擋 機構主要采用金屬材料和短纖維尼龍材料，目前，國外少數(shù)車型換擋機構骨架已嘗試采用長玻纖增強聚丙烯材料替代短玻纖尼龍材料。尼龍材料容易吸水，成品件吸 水率一般在0.7%以上。在高溫高濕環(huán)境下，存在發(fā)生失效的風險;若改為不易吸水的長玻纖聚丙烯材料，則可避免此類問題的發(fā)生。同時，采用長玻纖增強PP 材料，可起到減重降本的作用。
電子油門踏板：電子油門踏板臂需要承受較大的力，因此，其選用材料需要有極好的力學性能，較好的韌 性，在高低溫下材料性能不能有大的變化。目前電子油門踏板臂以玻纖增強PA材料為主。泰科納材料商曾成功用長玻纖塑料(牌號Celstran PP-LGF40/50)用于電子油門踏板上，如圖9所示，具有低氣味性且高強度的良好性能，比增強PA材料的成本低。
長玻纖塑料可用在座椅靠背，替代傳統(tǒng)鋼材骨架可實現(xiàn)減重20%、且優(yōu)異的設計自由度和機械性能、擴大的乘坐空間等特點。
另外，長玻纖塑料可以制成電池托盤、天窗框架、備胎倉及備胎倉蓋。福特KUGA(2010)采用PP-LGF40制成的后背門內(nèi)板。
材料開發(fā)的難度和重點
減重降本一直是整車比較關注的話題，相比外資車企將PP-LGF作為輕量化新材料的成功應用，自主品牌在實施過程中還有許多困難需要克服。比如：
(1)樹立理EVI(Early Vendor Involvement的縮寫)概念：即材料供應商系統(tǒng)零件供應商，在概念開發(fā)階段介入新車型項目，充分了解主機廠用戶對材料的需求，從而提高更改性能的 產(chǎn)品和服務;如果僅以標桿車企用材作為選材依據(jù)，則在車型上市與標桿車已有約5年的選材差距。
(2)成本分析：若單純從原材料成本考慮，每公斤塑料價格高于金屬材料;但前期模具費用投入較少，塑料件注塑模具僅同部件鋼質(zhì)模具的50%，模壓模具僅為同部件鋼質(zhì)模具30~40%;集成周邊部件，模塊化供貨，可進一步節(jié)省主機廠裝配等費用、減少裝配工具、節(jié)約場地。
(3)其他方面：部件用材料種類的改變，材料收縮率變化需要開發(fā)新模具;同時針對長玻纖特殊材料，需要采用不同于常規(guī)注塑機等加工設備。雖然，作為外購件大部分技術攻關由一級供應商來承擔進行，但在主機廠需要做好長玻纖材料產(chǎn)業(yè)化過程中的各種技術問題的應對措施。
在長玻纖增強塑料的應用開發(fā)方面，外資車企在應用開發(fā)方面更為深入和超前，國內(nèi)自主品牌則更多地借鑒吸收應用外資車企的成熟應用案例和先進技術。
自主品牌中，長城汽車和上汽乘用車走在最前面，吉利、奇瑞、長安乘用車亦進行了大量的應用開發(fā)工作。長城汽車全面開展了塑料零部件產(chǎn)品的研究工作，部分 已量產(chǎn)應用;在國家項目的支持下，上汽在純電動車E50等車型上研究使用許多LGFPP零部件。在行業(yè)內(nèi)，以汽車輕量化聯(lián)盟為依托，進行輕量化技術(含輕 量化材料技術)的交流與溝通;在公司內(nèi)，搭建整車輕量化技術應用平臺，及時將新材料新技術新工藝引入到整車開發(fā)中。
在材料替代方面，長玻纖塑料類制品可同時起到減重、降本的作用。之前是短玻纖尼龍材料代替金屬材料，近幾年隨著輕量化材料應用開發(fā)，長玻纖增強聚丙烯材料在越來越多的汽車部件上逐步代替了短玻纖尼龍塑料，這樣進一步推廣了LGFPP材料在汽車上的研究與應用。
(來自:雅式橡塑)
