汽車(chē)工業(yè)的現(xiàn)狀

作為世界上最大的工業(yè)領(lǐng)域，2010年的汽車(chē)行業(yè)的工業(yè)產(chǎn)值達(dá)到9000億歐元，銷售車(chē)輛5500-6000萬(wàn)輛。

按照車(chē)輛銷售價(jià)格，分成四個(gè)不同級(jí)別：豪華車(chē)、高端車(chē)、中級(jí)車(chē)和入門(mén)級(jí)車(chē)輛。目前的銷售價(jià)格，豪華車(chē)>7.5萬(wàn)歐元，高端車(chē)>2.5萬(wàn)歐元，中級(jí)車(chē)>1.5萬(wàn)歐元，入門(mén)車(chē) 近幾年，全球汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展主要源于新興市場(chǎng)產(chǎn)量的激增，尤其是中國(guó)。中國(guó)不再簡(jiǎn)單的作為西方的世界工廠，過(guò)去取得的經(jīng)濟(jì)成就也帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)消費(fèi)和服務(wù)業(yè)的 興起。汽車(chē)消費(fèi)的發(fā)展就是一個(gè)強(qiáng)有力的佐證。世界上，幾乎所有的汽車(chē)公司都在中國(guó)開(kāi)設(shè)了本土工廠，這些合資工廠并非為了降低西方消費(fèi)者的成本，而是為了滿 足中國(guó)消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的需求。

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，曾經(jīng)是西方戰(zhàn)后的經(jīng)濟(jì)恢復(fù)的象征，如今也成為中國(guó)等新興國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的表現(xiàn)。預(yù)計(jì)，到了2015年，世界上每?jī)刹科?chē)，就有一部在亞洲制造，即使不包括日本。中國(guó)生產(chǎn)的汽車(chē)比北美、日本和德國(guó)加起來(lái)的產(chǎn)量還要多。  2. 60年來(lái)汽車(chē)復(fù)合材料發(fā)展緩慢  復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)有了一段很長(zhǎng)的歷史，可以追溯到1950s，主要用于汽車(chē)非結(jié)構(gòu)部件，例如硬質(zhì)車(chē)頂。從70/80年代開(kāi)始，越來(lái)越多的采用熱塑性 復(fù)合材料生產(chǎn)汽車(chē)內(nèi)飾以及用熱固性復(fù)合材料制造次結(jié)構(gòu)件，例如保險(xiǎn)杠的梁。由于復(fù)合材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，如:設(shè)計(jì)靈活、容易成型、輕質(zhì)、耐腐蝕等，雖然原材 料和工藝成本高于鋼材和鋁，在汽車(chē)領(lǐng)域還是獲得了一些應(yīng)用。噴漆以后鋼汽車(chē)部件的成本大約是3-4歐元/公斤，復(fù)合材料次結(jié)構(gòu)件的成本大約是8-10歐元 /公斤。  汽車(chē)復(fù)合材料已經(jīng)不再是一個(gè)小眾市場(chǎng)。相對(duì)于復(fù)合材料的其他應(yīng)用領(lǐng)域，汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)是其最大市場(chǎng)，大約占體積的20%，銷售額的18%。如今，世界平均每 輛乘用車(chē)，復(fù)合材料約占總重量的6%。具體隨汽車(chē)的級(jí)別、地區(qū)和部件有所不同。對(duì)于所有級(jí)別的車(chē)輛，儀表板等內(nèi)飾件，75%的車(chē)輛采用了復(fù)合材料，但是對(duì) 于結(jié)構(gòu)部件，僅僅在高端車(chē)型中有所應(yīng)用。例如汽車(chē)的底盤(pán)，只有豪華車(chē)中的10%左右采用了復(fù)合材料。總的來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的用量豪華車(chē)大約是15%，高端車(chē) 大約9%，中級(jí)車(chē)6%，入門(mén)級(jí)車(chē)輛4%。另外，對(duì)于新興市場(chǎng)中級(jí)車(chē)和入門(mén)級(jí)車(chē)輛，復(fù)合材料的用量通常比發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)同級(jí)別車(chē)型低1%。最近，復(fù)合材料的回 收越來(lái)越引起人們的關(guān)注。熱固性復(fù)合材料比熱塑性相比，回收的難度要大很多。所以，在現(xiàn)有的復(fù)合材料應(yīng)用的基礎(chǔ)上，有采用熱塑性取代熱固性樹(shù)脂體系的趨 勢(shì)。  圖1 復(fù)合材料在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用從1980s開(kāi)始加速

3. 2010年-2015年的趨勢(shì)   近期，汽車(chē)整車(chē)廠對(duì)復(fù)合材料的興趣不斷增加。這主要源于不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)（將來(lái)CO2排放超標(biāo)罰款）以及增加的燃油成本，這些都可以通過(guò)復(fù)合材料輕量化來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)合材料可以減輕重量，進(jìn)而降低碳排放，抵消增加的材料費(fèi)用和工藝成本。   歐洲議會(huì)2013年4月24日通過(guò)一項(xiàng)法律草案，要求到2020年在歐盟出售的新汽車(chē)平均每公里二氧化碳排放量由目前的130克減少到95克。對(duì)于那些計(jì) 劃生產(chǎn)二氧化碳排放量超標(biāo)車(chē)的歐盟廠商，草案提出了補(bǔ)救措施，即這些廠商必須同時(shí)生產(chǎn)每公里二氧化碳排放量不足50克的超清潔汽車(chē)。具體規(guī)定如 下：2013年至2015年每生產(chǎn)1輛這樣的超清潔汽車(chē)，最多可生產(chǎn)3.5輛超標(biāo)車(chē)；2016年至2023年可生產(chǎn)1.5輛超標(biāo)車(chē)；2024年以后可生產(chǎn) 1輛超標(biāo)車(chē)。   盡管整車(chē)廠對(duì)復(fù)合材料的興趣有所增加，但是減少碳排放和燃油消耗的方法不僅僅是車(chē)輛減重。最經(jīng)濟(jì)的方法是提高燃油利用率，這可能是整車(chē)廠的首選，特別是對(duì) 于中級(jí)車(chē)和入門(mén)級(jí)車(chē)輛，因?yàn)檫@兩個(gè)級(jí)別的車(chē)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)排量常常不是購(gòu)買(mǎi)的主要考慮因素。對(duì)于現(xiàn)有復(fù)合材料和金屬在成本上的差距，需要一段時(shí)間，通過(guò)技術(shù)進(jìn) 步來(lái)彌補(bǔ)。例如，對(duì)于底盤(pán)這樣的結(jié)構(gòu)部件，加工好的鋼結(jié)構(gòu)的成本大約是3-4歐元/公斤，但是 碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成本（基于現(xiàn)有材料和工藝技術(shù)）高 于30歐元/公斤。   不同的整車(chē)廠家最終會(huì)獲得不同的解決方案，這些方案能夠達(dá)成目標(biāo)的程度也會(huì)有所差異?？偟膩?lái)看，汽車(chē)復(fù)合材料用量的增加，主要集中在量產(chǎn)車(chē)車(chē)身的三個(gè)領(lǐng) 域：汽車(chē)底盤(pán)，車(chē)身覆蓋件和次結(jié)構(gòu)部件。這三個(gè)方面可以大幅度的提高汽車(chē)復(fù)合材料的用量。底盤(pán)的重量約占總重量的25%，是最具減重效率的部件。但是，按 照預(yù)計(jì)，量產(chǎn)車(chē)領(lǐng)域的汽車(chē)復(fù)合材料用量的突破不會(huì)在2015年以前出現(xiàn)。在2015年前的這段時(shí)間，汽車(chē)復(fù)合材料部件的用量會(huì)有少量增加，成本會(huì)有所降 低，復(fù)合材料制造廠家和整車(chē)廠對(duì)復(fù)合材料的材料和工藝進(jìn)一步熟悉；同時(shí)，復(fù)合材料開(kāi)始用于一些高端車(chē)型的旗艦項(xiàng)目，例如德國(guó)的BMW的i3、美國(guó)的 Telsa電動(dòng)汽車(chē)以及英國(guó)的Axon插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。   到2015年，汽車(chē)復(fù)合材料的用量會(huì)達(dá)到200萬(wàn)噸，增長(zhǎng)主要來(lái)源于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的自然增長(zhǎng)（年產(chǎn)量增加6%）和已經(jīng)采用了復(fù)合材料的汽車(chē)部件的市場(chǎng)份額的增加。

4.2015-2020年的趨勢(shì)  2015年以后，隨著碳排放法規(guī)（2020年生效，并逐步嚴(yán)格）的臨近，碳纖維成本的降低以及快速固化環(huán)氧樹(shù)脂的出現(xiàn)，加上工藝和自動(dòng)化設(shè)備的不斷成熟， 例如針對(duì)熱固性復(fù)合材料快速制造開(kāi)發(fā)的HP RTM（高壓樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑）工藝和熱塑性復(fù)合材料層板熱成型自動(dòng)化設(shè)備的研發(fā)，到2020年，碳纖維復(fù)合材料的綜合性價(jià)比會(huì)優(yōu)于金屬，取代金屬材料，用于 量產(chǎn)車(chē)的底盤(pán)制造，并涵蓋大多數(shù)的高端車(chē)型和少量的中級(jí)車(chē)。下面分別對(duì)HP RTM工藝和熱塑性層板的解決方案做詳細(xì)介紹。  圖2 不同級(jí)別的汽車(chē)不同部件汽車(chē)復(fù)合材料的應(yīng)用率

5.熱固性復(fù)合材料高壓RTM工藝  航空工業(yè)采用樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（RTM），進(jìn)行大型高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，降低工藝成本。在汽車(chē)的制造過(guò)程中，也有采用RTM工藝進(jìn)行零部件的生產(chǎn)，主要目的是為了達(dá)到更好的表面質(zhì)量，但是只用于小批量生產(chǎn)的頂級(jí)轎車(chē)中。

圖3 不用樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑工藝的圖解

通常RTM工藝的注射壓力是 6-15bar最大不超過(guò)20bar，工藝周期大約1小時(shí)。但是高壓RTM工藝，注射壓力在10-60bar，工藝周期大約6分鐘。  目前世界上，高壓RTM工藝的設(shè)備廠家有：德國(guó)Dieffenbacher+ KraussMaffei；德國(guó)Schuller + Frimo和意大利的Cannon S.p.A公司，一般采用的兩家公司合作的方式。下面主要就Dieffenbacher+ KraussMaffei的情況做具體的介紹，其他廠家的設(shè)備大同小異。  德國(guó)加工機(jī)械領(lǐng)域的專家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克勞斯瑪菲公司（KraussMaffei）共同開(kāi)發(fā)了高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝 （HP-RTM）的自動(dòng)化生產(chǎn)線。這條生產(chǎn)系統(tǒng)包括預(yù)成型加工、壓制過(guò)程，以及修整工藝。相比于傳統(tǒng)的RTM工藝，HP-RTM工藝減少了樹(shù)脂注射次數(shù)， 提高了預(yù)制件的浸漬質(zhì)量，并縮短了成型周期。

（1）預(yù)制件過(guò)程 對(duì)于HP-RTM部件的生產(chǎn)，需要制造一個(gè)由織物增強(qiáng)材料制成的預(yù)制件。這樣的預(yù)制件在迪芬巴赫的預(yù)成型中心制造完成，通常使用一個(gè)完全自動(dòng)化的過(guò)程。  圖5 高壓RTM工藝的自動(dòng)化過(guò)程

由碳纖或玻纖制成柔軟的纖維織物或纖維氈從卷軸上開(kāi)卷后放入切割機(jī)。使用CNC切割技術(shù)，纖維鋪層被切割成部件加工所需尺寸。該過(guò)程通過(guò)由現(xiàn)有的CAD零 件參數(shù)得到的切割程序完成。切割成形的纖維鋪層材料層合到一起，然后放置到成型單元中?？梢允褂脵C(jī)器人來(lái)可靠地處理切割織物、纖維氈，以及預(yù)制件。預(yù)制件 成型中心可以作為一個(gè)單獨(dú)的單元來(lái)運(yùn)行，也可與壓制工藝一起結(jié)合在產(chǎn)線上。

（2）合模加壓過(guò)程 預(yù)制件的加工過(guò)程之后就是合模加壓。在合模加壓的過(guò)程中，環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)浸漬預(yù)制件，以及其固化。  在用機(jī)器人將預(yù)制件放置到RTM模具中之后，根據(jù)模內(nèi)壓力及部件的尺寸和復(fù)雜性，采用一臺(tái)迪芬巴赫液壓壓機(jī)用高達(dá)36000 kN（3600 t）的壓力完成實(shí)際的合模加壓過(guò)程。壓機(jī)在很短的建壓時(shí)間內(nèi)達(dá)到450 mm/s的合模速度和40 mm/s的加壓速度。迪芬巴赫短沖程系統(tǒng)能夠確保壓機(jī)具有非常高的能效，尤其具有很短的成型時(shí)間和較大的滑塊行程。與傳統(tǒng)的合模加壓技術(shù)相比，可以提高 50%的能效。  合模加壓控制系統(tǒng)允許使用不同的操作程序，并能縮短生產(chǎn)周期。模座周期性地進(jìn)入和離開(kāi)壓機(jī)，只需要很短的換模式時(shí)間、裝卸過(guò)程，以及生產(chǎn)線下對(duì)下半模的清潔。完成高壓注射過(guò)程后，還可以通過(guò)再加壓來(lái)獲得部件質(zhì)量的改善。   （3）注射過(guò)程  將低粘度的反應(yīng)性混合物注入到閉模中浸漬預(yù)制件。通過(guò)使用克勞斯瑪菲的技術(shù)，能夠使注射速度達(dá)到10-200 g/s，取決于樹(shù)脂系統(tǒng)以及部件的尺寸和工藝設(shè)計(jì)。在一個(gè)閉環(huán)過(guò)程中，對(duì)樹(shù)脂和固化劑進(jìn)行精確計(jì)量，并在高壓下進(jìn)行混合，得到反應(yīng)性混合物。  高壓計(jì)量使得注射時(shí)間更短，并提高預(yù)制件的浸潤(rùn)度，因而能以較短的固化時(shí)間來(lái)處理樹(shù)脂系統(tǒng)。這帶來(lái)了更短的生產(chǎn)周期和更高的成本效益。此外，這還提供了額 外的好處，比如，能在保持出色的表面品質(zhì)的同時(shí)獲得更低的孔隙度。而對(duì)溫度的精確控制則能進(jìn)一步縮短加工周期，并從特殊RTM樹(shù)脂體系中獲益。  克勞斯瑪菲的高壓混合頭消除了耗費(fèi)成本的停工時(shí)間，也無(wú)需使用清洗傳統(tǒng)低壓混合頭時(shí)所需的特殊材料。這種混合頭具有自清潔能力，因此能在大批量生產(chǎn)時(shí)表現(xiàn)出突出的能效優(yōu)勢(shì)，它的這種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在多種量化生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證。  通過(guò)脫模劑供料塊，能夠?qū)⒐に囁璧拿撃┲苯右刖o湊的自清潔克勞斯瑪菲高壓混合頭，并且，即使在最低劑量（如0.1 g/sec）時(shí)，仍具有極高的準(zhǔn)確性和工藝可靠性。具有高精度、高重復(fù)性的脫模劑計(jì)量對(duì)于可靠地實(shí)施下游工藝來(lái)說(shuō)無(wú)疑是非常必要的。

（4）修整 修整是工藝鏈最后步驟的其中一環(huán)。包括部件的外廓修邊，增加安裝孔和嵌件開(kāi)孔。用銑刀進(jìn)行的修整采用的由克勞斯瑪菲開(kāi)發(fā)的定制化解決方案。可以采用自動(dòng)化 切割臺(tái)或手提式切割機(jī)。工具的選擇主要取決于部件的尺寸和復(fù)雜程度。機(jī)器人被用于在工藝步驟之間進(jìn)行零部件的處理。  圖6 復(fù)合材料部件的修整

6.熱塑性復(fù)合材料汽車(chē)應(yīng)用  這幾年，在復(fù)合材料領(lǐng)域，熱塑性復(fù)合材料也備受關(guān)注。   （1）有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)包復(fù)成型工藝  未來(lái)兩年內(nèi)，復(fù)合材料有機(jī)板（Organosheet）混合結(jié)構(gòu)技術(shù)將在汽車(chē)結(jié)構(gòu)部件的量產(chǎn)化應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)突破。目前，至少有兩家材料供應(yīng)商，即巴斯夫和朗盛，以及兩家機(jī)器供應(yīng)商，即恩格爾和克勞斯瑪菲，正走在該技術(shù)開(kāi)發(fā)的最前沿。

采 用全塑料的“有機(jī)板混合結(jié)構(gòu)”取代汽車(chē)中的塑料-金屬的“混合”結(jié)構(gòu)。新的工藝直接在連續(xù)板材的基礎(chǔ)上，預(yù)成型，然后包復(fù)成型，代替過(guò)去在金屬預(yù)成型件的 基礎(chǔ)上通過(guò)包復(fù)成型，加上加強(qiáng)筋。恩格爾和克勞斯瑪菲都是采用尼龍6熱塑性樹(shù)脂層纖維織物壓板（熱成型），在加上尼龍6（加或者不加纖維增強(qiáng)），包復(fù)成 型。材料廠家是德國(guó)Bond-Laminates的Tepex有機(jī)板，以及朗盛的尼龍包復(fù)成型顆粒料。恩格爾稱之為：Organomelt工藝，克勞斯瑪 菲則稱之為FiberForm工藝。包復(fù)成型的混合結(jié)構(gòu)工藝不僅僅可以對(duì)熱塑性適用，也可以用于熱固性的復(fù)合材料混合部件，參見(jiàn)圖7。

“有 機(jī)板（Organosheet）”的混合結(jié)構(gòu)部件成型工藝的生產(chǎn)流程是：首先加熱一個(gè)用PA6連續(xù)纖維增強(qiáng)有機(jī)板，然后將其放入注塑模具中，熱成型出一個(gè) 三維形狀，并用另外的PA6樹(shù)脂（未填充的或者是 玻璃纖維增強(qiáng)的）對(duì)其進(jìn)行包復(fù)成型。在某些情況下，在將板坯放入注塑模具中前，先對(duì)其進(jìn)行熱成型。   如 果采用熱塑性復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，主要市場(chǎng)將是汽車(chē)內(nèi)飾，包括座椅部分的組件、門(mén)側(cè)防撞梁、汽車(chē)橫向懸架梁、剎車(chē)踏板、轉(zhuǎn)向柱支架、安全氣囊組件和前端組件 等。如果改成熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)，可以用于結(jié)構(gòu)件或者次結(jié)構(gòu)件。但是，目前國(guó)外還很少有針對(duì)汽車(chē)領(lǐng)域的熱固性的復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)包復(fù)成型的研究和應(yīng) 用。

在K 2010展會(huì)中，恩格爾和克勞斯瑪菲這兩家公司都第一次在兩個(gè)復(fù)雜的成型單元中證明了這項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)，恩格爾成型了一個(gè)轉(zhuǎn)向柱支架，而克勞斯瑪菲則成型了 一個(gè)門(mén)側(cè)防撞梁。兩家公司均采用了德國(guó)Bond-Laminates公司（最近已被朗盛收購(gòu)）提供的Tepex復(fù)合材料板材，并采用朗盛的尼龍材料對(duì)該組 件進(jìn)行包復(fù)成型。將有機(jī)板放到300℃的加熱爐中預(yù)熱30～40s，然后將加熱后的板材送入注塑模具中。閉合模具，對(duì)該板材進(jìn)行預(yù)成型, 接著從其上方將另外的尼龍材料注入到特定區(qū)域。按加熱爐能力的不同，整個(gè)循環(huán)時(shí)間從33s到55s。  圖8 熱塑性復(fù)合材料混合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向柱支架

（2）熱塑性樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝 作為熱塑性復(fù)合材料技術(shù)的下一發(fā)展目標(biāo)，己內(nèi)酰胺單體在模內(nèi)聚合為PA6的技術(shù)正在推進(jìn)之中。該技術(shù)允許采用低黏度的己內(nèi)酰胺浸潤(rùn)放于模具中的干纖維，經(jīng)反應(yīng)后可在線形成一種尼龍基的復(fù)合材料。  巴斯夫與西格里集團(tuán)正在聯(lián)合開(kāi)發(fā)一種基于反應(yīng)性尼龍系統(tǒng)和碳纖維的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料的低成本生產(chǎn)。該材料體系是為T(mén)-RTM工藝（熱塑性樹(shù) 脂傳遞模塑成型工藝）以及反應(yīng)注射成型工藝而準(zhǔn)備的，以獲得比傳統(tǒng)熱固性RTM工藝更短的生產(chǎn)循環(huán)時(shí)間。為適應(yīng)這些更快速加工技術(shù)的要求而對(duì)材料系統(tǒng)的調(diào) 整，將在采用碳纖維復(fù)合材料制成的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)入汽車(chē)量產(chǎn)化應(yīng)用的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。己內(nèi)酰胺在線聚合為尼龍6的機(jī)器系統(tǒng)正由恩格爾在進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

7.結(jié)論   汽車(chē)復(fù)合材料的發(fā)展，結(jié)合了化工、機(jī)械制造以及汽車(chē)復(fù)合材料設(shè)計(jì)，從經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)看，最新突破應(yīng)該源于德國(guó)。德國(guó)的工業(yè)結(jié)構(gòu)結(jié)合了大多數(shù)的豪華汽車(chē)和高端 車(chē)，另外朗盛、巴斯夫等世界頂級(jí)化工企業(yè)以及精密的機(jī)械制造廠家，例如迪芬巴赫公司和克勞斯瑪菲等。隨著碳排放法規(guī)的不斷臨近，復(fù)合材料在汽車(chē)行業(yè)的突破 會(huì)在2015年以后時(shí)間，歐洲汽車(chē)行業(yè)也會(huì)是先進(jìn)材料的倡導(dǎo)者和先行者。熱塑性復(fù)合材料和熱固性復(fù)合材料不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問(wèn)題，因?yàn)樗麄兊母鞣矫娴男阅芏?有所差異，快速成型和自動(dòng)化都是共同的發(fā)展方向。最終汽車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一定是和金屬類似，創(chuàng)建在多材料體系基礎(chǔ)上的混合結(jié)構(gòu)，例如包覆模塑工藝成型的部件。

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