蜂窝复材在汽车部件中的应用

来源:荣格国际复材技术商情

发布时间:2019年3月24日下午 09:03:50

蜂窝复合材料通常通过在两个薄玻璃纤维垫之间层叠纸蜂窝芯而制成,是用于汽车应用众所周知的技术。二十多年来,原始设备制造商一直在使用它们来制造内部部件,例如载货地板、天窗罩和车辆后座后面的包装架。  
蜂窝复合材料通常通过在两个薄玻璃纤维垫之间层叠纸蜂窝芯而制成,是用于汽车应用众所周知的技术。二十多年来,原始设备制造商一直在使用它们来制造内部部件,例如载货地板、天窗罩和车辆后座后面的包装架。
 
但现在蜂窝状复合材料的应用正从汽车内部向外部拓展。例如,一款即将推出的电动汽车采用蜂窝状复合材料制成,具有 A 级表面处理。蜂窝复合材料也被整合到 Jeep Renegade 的可拆卸“My Sky”车顶板中。而戴姆勒(Daimler AG)公司一款智能部门生产的双座城市汽车 Smart Fortwo 的车顶模块,展示了蜂窝复合材料吸引汽车制造商关注的原因。它比以前的车顶轻约 30%,但具有相同的强度和刚度。
 
汽车和卡车制造商对将更多的复合材料部件纳入其车辆的持续兴趣正在刺蜂窝复材在汽车部件中的应用激市场增长,并且远远超出蜂窝材料。Grand View Research 预测,到 2025 年,全球汽车复合材料行业的价值将达到116.2 亿美元,未来 7 年的年增长率将达到 6.8%。
 
但是,更广泛地采用复合材料的道路并不是笔直和平坦的,仍然有一些难以驾驭的曲线。虽然复合材料在轻量化、耐腐蚀性、设计创新和零件加固方面具有显著优势,但复合材料制造商必须与铝和钢零件制造商竞争,以维持或增加其在零件业务中的份额。同时,他们必须找到降低材料成本、加快大批量生产以及生产能够满足原始设备制造商严格规范的部件的方法。
 
复合材料制造商正在不断改进。一个例子是玻璃纤维垫,用于外部零件,但它不够光滑,无法立即在模具外进行喷漆。在达到 A 级光洁度之前,你必须将其填充、抛光、打磨并磨光,这是一个昂贵且耗时的过程。
 
树脂注射成型(RIM)涂层技术有望改变这种状况。使用 RIM 技术将零件放入封闭的模具中,在表面上方留有小间隙。然后在顶部注入聚氨酯,制成A 级、无模的成品零件。
 
复合材料制造商使用这种工艺生产出了 BMW M3 的光滑玻璃纤维罩。采用二次成型技术对零件表面进行底漆处理,然后按传统方式进行喷漆。
 
为了帮助原始设备制造商 OEM和一级供应商开发这种创新的涂层技术,并直接将 A 类模具零件商业化,Hennecke、涂层制造商 Votteler、Ruhl 战略合作伙伴和 SA 工程公司在密歇根州利沃尼亚开设了 RIM 涂层技术中心。
 
RIM 涂层技术可以应用于汽车行业之外。“它真的可以应用到任何聚氨酯可以粘住的东西上,因为聚氨酯是一种很好的胶水,所以它几乎可以粘住所有东西。目前最受关注的主要目标市场是蜂窝和注塑零件的汽车行业。二级和三级市场是家用电器和消费品,如电话、电脑和小型电子产品。”设备制造商Hennecke Inc. 复合材料和高级应用组的高级技术销售专家罗泽尔曼说。
 
底盘使用蜂窝复材的汽车
 
更坚固的蜂窝
 
蜂窝复合材料的另一项创新是在聚碳酸酯蜂窝中使用再生碳纤维垫。一家主要的原始设备制造商 OEM 使用这项技术制造了全尺寸电动汽车的底盘。这个部件大约九英尺长,由四个部分粘合在一起制成。
 
为了制造这种蜂窝状的复合板,Bright Lite Structures 开发了一种专利的聚碳酸酯蜂窝状结构,它夹在原生和再生碳纤维垫之间。垫子上喷涂了专利的聚氨酯 - 环氧树脂,这些部分是用湿压热成型工艺一起成型的。聚碳酸酯具有热塑性的特性,所以可以熔化、弯曲,得到想要的几何形状。夹层结构在某些应用中也非常强大,超过了钢、铝或传统碳纤维的强度。
 
对于底盘的前隔板部分,使用夹层复合材料而不是类似的铝制设计,可减轻85%的重量。铝制件由五块铝板组成,重 42 公斤。为了制造这五个铝件,制造商必须拥有广泛的夹具和工具以及焊接设备和夹具。而使用蜂窝复合材料,整个舱壁可以制成一件,重量仅为 6 公斤。夹层复合材料舱壁的成本基准与铝制舱壁的成本相当。
 
目前大约有 300 辆跑车,采用了这款轻型结构的夹层复合地板。该公司已投入商业生产的其他应用包括 4.5 x 2.4米的卡车地板和商用飞机座椅,这些座椅既符合头部撞击标准,又符合联邦航空管理局(FAA)对火灾、烟雾、毒素和热量释放的要求。
 
更严格的要求
 
原始设备制造商将 SMC 用于各种车辆零件,包括 Corvette 的车身面板和Jeep 牧马人的硬顶车顶。一个快速扩张的市场是用于电动车辆的电池外壳,因为复合箱体重量轻并且可以具有阻燃性能。
 
虽然重量轻是 SMC 零件的主要优点,但汽车制造商也喜欢这种材料与电泳涂装工艺(E-coat)相兼容。
 
CSP Plastics 公司研发副总裁迈克 •西瓦耶克表示:“当你拥有一个带有金属部件的车身时,它会经历一个浸涂过程,涂上一层耐腐蚀的磷光涂层。”对于汽车制造商来说,拥有一种能够与铝和钢部件在同一条漆线上使用的复合材料非常重要,因为它们希望用几种不同材料制造的汽车在外观和饰面上保持一致。
 
SMC 还增加了汽车设计师的造型选项。SMC 的优点是可以塑出网形,因此可以设计出很难或不可能用金属冲压的部件。在尺寸稳定性方面,SMC与钢相当,优于铝。这使得它成为半结构件的不错选择,比如丰田 Tacoma 和本田 Ridgeline 的皮卡箱。
 
在一定数量下,SMC 零件的制造成本低于铝或钢零件。西瓦耶克说,最理想的产量是每年 3 万到 15 万件,因为这个数字可以用一种工具生产。如果需要第二种工具,成本优势就会开始减弱。
 
SMC 在汽车工业中仍是一项经过验证的技术,对于材料,每天都有新的需求。
 
此外,一个值得关注的领域是欧洲和亚洲对挥发性有机化合物 VOC 的要求,它们比北美的要求严格得多。而且规格一直在变化。一家欧洲 OEM 公司最近宣布,他们正在收紧已经很严格的标准。复合材料制造商必须预见到这些变化,以便为这些变化做好准备。
 
西瓦耶克补充说:“从我的团队的立场来看,我们正在研究如何利用我们的材料的化学成分来减少 VOCs,以及越来越多的受限制化学物质的使用。我们尽量在保持表面、循环时间、加工能力和成本的同时,消除这些化学物质。这是一个挑战,但我们正在迎接它,并将实现这些目标。”
 
由SMC制成的本田皮卡箱
 
碳纤维的机遇
 
生产横梁和发动机支架等结构性汽车零件存在不同的障碍。一种选择是将非传统树脂如环氧树脂加入 SMC 工艺中以提供更多结构。但环氧树脂通常具有更长的循环时间并且更难加工,因此CSP 正在探索新的混合化学品。
 
此外,该公司正在寻求使用 SMC和树脂传递模塑制造碳纤维部件。“尽管碳纤维价格昂贵,但在有些地方却提供了如此多的价值。如果你不试图用碳纤维覆盖整辆汽车,只把它用在合理的地方,那么你可以得到具有成本效益的解决方案。” 西瓦耶克说。OEM 如果能够在减少浪费和降低成本的同时实现显着的减重效果,那么他们将很愿意考虑这一选择。
 
CSP 目前正在为 2019 年 的 GMC Sierra Denali 制造汽车行业首款碳纤维皮卡箱。该公司采用热塑性压缩成型工艺,以尼龙和短切碳纤维制作CarbonPro 皮卡货厢,重量比标准钢内板和地板要轻 62 磅。
 
在欧洲,ELG 碳纤维公司正在与一级和二级汽车供应商合作,推广使用再生碳纤维(RCF)。据 ELG 公司表示,带有 RCF 车身面板的车辆将很快投入生产。
 
RCF 也正在获得汽车装饰件的认可。一些原始设备制造商更喜欢含有有机无规碳纤维的复合材料外观,以及与原始碳纤维复合材料相关的硬边方格图案。虽然这不是 RCF 的目标,但人们确实喜欢一些车身面板带有碳纤维花纹、颜色和装饰的外观。
 
目前 RCF 复合材料的结构应用还有一定的限制,但随着汽车制造商认识到其成本节约和加工效益,这种应用将会发生变化。在材料方面,RCF 通常占原始纤维织物成本的 40%至 50%。
 
缩短处理时间也有助于降低成本。“对于传统的碳纤维材料,你必须在预制件的上游和布料上进行大量的努力。我们重新格式化的非织造材料具有固有的悬垂性,因此它比传统织物更容易成形。悬垂性优于传统面料,并且需要更少的加工来获得您想要的形状。”该公司解释说。
 
RCF 处理时间的减少取决于组件部分。使用原始织物制作一个非常复杂几何形状,可能需要花费半小时或一小时才能获得良好的预制件。使用回收材料,可以在两秒钟内将其标记出来,或者可能需要一些有限的预成型。但只是几分钟而不是几小时或半小时。
 
汽车制造商也喜欢使用 RCF 的绿色可回收方面。虽然回收纤维也要有能量消耗,但所消耗的约为生产原生碳纤维的 10%。
 
一致性是关键
 
ELG 从整个碳纤维供应链的公司获得碳纤维。该公司表示说:“挑战在于验证纤维类型,并随后向客户保证材料性能。我们已将原料减少给正在进行大规模、长期生产计划和已知纤维类型的供应商。我们现在使用五到七个供应商,而不是五年前有 100 个或更多的低容量混合废物来源。”使用较少的供应商可以很好地跟踪纤维类型,减少来自其他纤维来源的污染,并有助于确保客户获得高质量的产品。
 
有了这种材料的一致性和正确的设计,用 RCF 制造的汽车零部件可以达到与用原始纤维制造的零部件相似的机械性能。
 
现在的汽车工业已经不再考虑用黑色碳纤维制造整个车身了。混合材料汽车平台的想法越来越容易被接受。这是关于在正确的地方使用正确的材料。当汽车制造商需要极高的刚度时,原生纤维是合理的选择,但有时它的使用成本太高。再生碳纤维可能是一种可行的替代品。ELG 公司表示:“我们未来几年的工作是真正确定这些领域,并提出我们的材料不仅是一种物质节约,而且是一种工艺效益。我们必须与原始设备制造商和供应商合作,使他们认识到回收纤维的好处。”
 
这是整个复合材料行业需要采取的策略。原始设备制造商在为汽车设计零部件时有许多材料的选择;需要提醒他们为什么复合材料是其中许多零部件的极佳选择。

 

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