复合材料助力车用部件制造降本增效

复合材料助力车用部件制造降本增效

2023/12/14

复合材料助力车用部件制造降本增效

 

以塑代钢+一体化成型

复合材料助力车用部件制造降本增效

 
    “降本”几乎是今年以来各行各业高度关注的话题。对于汽车零部件加工制造来说，通过材料的研发实现集成化设计，减少部件与工序，是降本增效的有效途径之一。
 
      根据Reports and Insights网站发布的2022-2030年汽车复合材料市场的未来发展与机遇分析专题报告分析， 预计到2022年底，汽车工业用复合材料市场规模将达到95亿美元，预计到2030年将达到165亿美元，2022-2030年的复合年增长率将达到7.0%。
 
      近期，不少企业推出新款复合材料，助力车用塑料部件加工降本提质。
 

一体成型的热塑性复合材料

     三菱化学集团开发的具有可回收性的功能选择性热塑性复合材料GMT，可通过一体化成型减少部件数量并简化装配过程。还有高性能工程塑料DURABIO，通过着色具有良好的可着色性以及具有抗刮擦性。它可以省略喷漆等二次加工，有助于减少生产过程中的二氧化碳。此外，还可以解决VOC的排放等环境问题。
 
     此外，三菱化学集团还推出热塑性复合材料（ FRTP），该原材料具备阻燃性、可加工性能指标高和可回收性，可用于蓄电池外壳。
 

 
采用三菱GMT材料一体成型的汽车部件。
 

电动汽车底板组件一步压塑成型

 
     朗盛品旗下的连续纤维增强热塑性复合材料Tepex dynalite（CFRTP）是可用于高效和机械稳定的车底板组件的轻质材料。近期，该材料已应用于理想L9和理想L8两款插电式混合动力SUV的面板。
 
     汽车的面板需要面对严苛的要求，尤其是使用在保护油箱或电池的车底板组件，需要具备较高的抗穿透性、较强的能量吸收能力。
 
     朗盛Tepex复合材料比类似的钢结构设计轻30%左右。与纯DLFT等其他材料相比，Tepex增强材料使车底板组件更坚固，硬度更高，能量吸收能力更强。理想L9和L8的大尺寸面板均由坚固的热塑性复合材料结构组成。它们采用压缩成型工艺制造而成，包括一个由高性能复合材料Tepex dynalite制成的加固嵌件以及一个DLFT（直接长纤维热塑性塑料）块。

 
 
     车底板组件长约1.5米，宽约1米，厚度仅为3-4毫米。它包含一个由Tepex dynalite 104-RG600制成的1毫米厚的嵌件和另外一个由挤出工艺制成的DLFT块。这两种材料都经过加热和塑化，然后放置进模压模具，只需一个步骤就能塑为一体。Tepex嵌件的基体由聚丙烯组成，并用47%体积百分比的连续玻璃纤维粗纱进行加固。聚丙烯DLFT块含有40%重量百分比的长玻璃纤维。
 
     车底板组件可以采用传统的压缩成型工具制造，这可以确保高效的生产。DLFT能够以经济的方式制成直接挤出物，并构成组件的主要部分，这也有助于提高成本效率。
 

聚氨酯HP-RTM制造工艺实现“以塑代钢”

 
     科思创与高新技术企业卡涞科技共同推出了使用高压树脂传递模塑成型（HP-RTM）工艺的聚氨酯电池包上壳体解决方案，并在主流动力电池制造商实现批量生产。本次合作研发开创了聚氨酯复合材料在新能源汽车电池包领域的应用。
 
聚氨酯HP-RTM制造工艺实现“以塑代钢”，可用于电池包。
 
     据介绍，该款聚氨酯电池包上壳体解决方案在今年通过了欧盟REACH和RoHS认证，以及中国GB38031-2020的标准化测试，并在机械性能、高温高湿老化、氙灯老化、耐酸、耐碱、耐高温和绝缘性能等一系列标准化测试中表现出色。全新的聚氨酯HP-RTM制造工艺实现了“以塑代钢”的减重要求。
 
 
      相较于其他工艺，全新的HP-RTM工艺使用自动化铺层技术，效率大幅提升，降低了制造成本。生命周期评估显示，相较传统金属工艺，使用HP-RTM工艺产生的二氧化碳排放也更低。
 

STM聚氨酯复合材料电池包壳体

 
     不久前，搭载巴斯夫所开发、基于STM工艺的聚氨酯复合材料电池包壳体解决方案的几款电动汽车已经实现了大批量上市。
 
     经过充分的量产验证，这项解决方案兼具阻燃好，重量轻，可以提升电动车的驾驶安全性。此外，在生产方面，它可直接应用于现有成熟的汽车供应链和生产设施，生产的效率高，非常适于汽车行业的快速大规模生产，是电动汽车电池包减重降本的理想解决方案。
 
     采用巴斯夫特性材料开发的STM 聚氨酯复合材料电池包壳体，采用微发泡技术，可以大大降低部件密度，轻松实现壳体减量的目标，同时拥有关键专利技术使得部件可以满足气密性试验与沉水试验要求。
 

 
     在轻量化的同时，该复合材料拥有着高强度和高韧性的特点，为壳体保证了足够的机械性能。
 
     据了解，巴斯夫的STM聚氨酯复合材料解决方案，其工艺无需预成型，生产效率远远高于其他传统的聚氨酯复合材料成型工艺。目前国内汽车行业已有成熟的产业链和供应商可以快速提供量产的产品。同时,新量产项目的设备及模具投入成本也非常低。
 

以预制件生产复杂的车辆结构件

     Cannon Tipos公司和Coriolis 复合材料公司联合开发了一种制造工艺，可以从接近净形的干预制件中制造出复杂的碳纤维增强复合材料（CFRP）部件作为半成品。
 
     该工艺的关键组成部分是高压树脂传递模塑（HPRTM）工艺和Coriolis的自动纤维定位（AFP）。该合作产生的组件目前正在进行适合批量生产的测试。该工艺实现了20秒的生产循环节拍时间，并显示出符合要求的机械性能，但重量最多减轻了80%。
 
     该公司生产的自动纤维放置（AFP）设备允许连续纤维或短纤维以不同的方向放置，甚至是复杂的几何表面，同时最大限度地减少材料浪费。
 

     干式AFP二维预制件由单向（UD）取向碳纤维的优化纤维薄片组成，每层纤维重量为280克/平方米，纤维体积分数为55%。一种特殊的粘结剂技术被用于注射快速固化的兼容环氧树脂系统。改进预制件的可塑性、纤维浸渍和可修剪性（使用三维水刀工艺），以实现接近净成形的几何形状，可将总体废品率降低达50%。
 
     Cannon Tipos钢制模具的设计压力最高可达120巴。最小化的微孔确保了树脂与固化剂在恒定温度下的最佳反应，最大偏差为2℃。此外，在注射阶段有最小的背压，真空时间应最大化，以避免冲刷损失和气泡的产生。由于高度抛光的腔体与Coriolis的预制件技术相结合，部件的表面质量特别好。
 

汽车碳纤维复合材料将高速增长

2029市场规模有望达43.86亿美元

 
     近日，Ameliate Digital Consultancy Private Limited的市场研究和咨询部门Exactitude Consultancy正式发布了汽车工业用碳纤维增强热塑性复合材料市场发展分析报告，根据报告市场分析结果显示，2022年全球汽车工业用碳纤维热塑性复合材料市场规模为7.123亿美元，预计到2029年将达到43.86亿美元，2023年至2029年的复合年增长率高达29.65%。
 
     汽车用碳纤维热塑性复合材料是通过使用碳纤维对热塑性树脂基体进行增加得到的一种复合材料。像碳纤维这样的高性能材料其耐用性是钢的10倍，而重量只有钢的五分之一。
 
     为了开发一种独一无二的产品，可用于制造耐用和轻便的汽车部件，碳纤维通常会与一种或多种聚合物相结合。汽车的内部和外部都是使用这些热塑性材料设计的。
 

 
     碳纤维增强热塑性复合材料在汽车应用中的另一个主要优势体现在它具有很强的抗变形和耐酸碱腐蚀能力。在过去的几年里，人们越来越关注CFRTP帮助汽车行业满足节能和减少二氧化碳排放要求的潜力。
 
     碳纤维增强结构具有坚固、轻便、承载能力强等特点，而且对降低汽车重量至关重要。虽然其优势明显，但也存在一定的制约因素，主要障碍之一是，与用于开发各种汽车零部件的其他纤维（玻璃纤维、天然纤维）相比，碳纤维的成本较高，因为小型汽车零部件制造商无法投资昂贵的碳纤维。另一个障碍是汽车制造商在实施碳纤维复合材料零件回收或垃圾处理系统方面犹豫不决。
 
     为了减少污染，电动汽车和太阳能汽车的数量不断增强，而随着环保型汽车的出现，汽车用碳纤维热塑性复合材料的市场将扩大。例如，塔塔汽车Tata Motors公司在其位于浦那的制造厂推出了混合动力和电动Star巴士，作为其零排放大众运输解决方案的一部分。而政府法规也将间接促进汽车行业中碳纤维热塑性复合材料的发展。
 

     在汽车工业用碳纤维热塑性复合材料领域，全球范围内主要参与公司包括Basf、Cytec Solvay Group、Plasticomp、Dowaksa、Sgl Group、Toray Industries、Teijin Limited、Hexcel Corporation、Arkema S.A.、Mitsubishi Chemical Holdings Corporation、Covestro Ag、Plasan Carbon Composites 等。
 
     今年在相关领域主要进展包括：2023年1月19日，富士通有限公司和帝人宣布启动一个合作项目，在2023年1月至3月期间提高用于建造自行车框架的回收材料的环境价值。E Bike Advanced Technologies GmbH和V frames GmbH都是德国碳纤维增强塑料自行车车架的生产商和经销商。瑞典初创企业Solerial Matsions正在开发一种碳纤维纳米颗粒添加剂，采用增材制造技术来降低汽车结构部件的成本和重量，同时提供更好的保护。
 

电动汽车蓄电池箱用复合材料

 
     2023年1月12日，中国汽车工业协会发布了2022年汽车市场产销数据。2022年我国汽车产销分别完成了2702.1万辆和2686.4万辆，同比增长3.4％和2.1％。其中，新能源汽车在2022年的优异表现成为我国汽车市场保持正向增长的关键。
 
     2022年我国新能源汽车全年产销量分别完成705.8万辆和688.7万辆，同比分别增长96.9％和93.4％，市场占有率达到25.6％，高于2021年12.1个百分点。
 
     而网络数据显示， 2022年11月份，全球电动汽车销量继续保持两位数的同比增幅（46%）,电动汽车销量占全球整体汽车市场18%的份额,其中纯电动汽车的市场份额增长到13%。
 
     毫无疑问，电动化已经地成为全球汽车产业的发展方向。在全球新能源汽车爆发式增长趋势下，电动汽车蓄电池箱用复合材料也迎来了极大的发展机遇，各大车企也对电动汽车蓄电池箱用复合材料技术和性能提出了更高的要求。
 

     高电压电动汽车电池系统的箱体需要平衡一些复杂的要求。首先，它们必须提供长期的力学性能，包括扭转、弯曲刚度等，以便在电池组寿命期间承载沉重的电池，同时保护电池免受腐蚀、石子撞击、灰尘和湿气侵入以及电解液泄漏的影响。在某些情况下，电池箱体还需能够防止静电放电和来自附近系统的电磁干扰/射频干扰。
 
     其次，在发生碰撞时，箱体必须保护电池系统，防止撞碎、刺穿或因水/湿气进入而引起短路。第三，电动汽 车电池系统必须有助于在各种天气下充电/放电期间将各单格电池保持在理想的热运行范围内。在发生火灾时，它们还必须尽可能长时间地保持电池组不接触火焰，同时保护车辆乘员免受电池组内部热失控产生的热量和火焰的影响。此外，还存在重量对行驶里程的影响、电池堆叠公差对安装空间的影响、制造成本、可维护性和使用期满的回收等诸多挑战。
 

新能源汽车复合材料

结构板簧轻量化技术分析

汽车轻量化发展必要性

     汽车制造行业发展中，汽车轻量化是对汽车技术的创新与改进，对控制汽车能耗、减少汽车燃油量意义重大、复合材料板簧作为汽车的重要组成部分，其在汽车轻量化发展中有着不可替代的作用。因此，本文通过介绍汽车负荷板簧工艺，对汽车轻量化发展中复合材料板簧的具体应用展开研究，借此在汽车材料轻量化基础上，实现整车轻量化，推动汽车技术改革。
 

技术环境

     目前，高强度钢铝镁合金广泛应用于商用车，使得轻量化的空间非常有限。复合材料也用于商用车非承重结构（如导流板等），但复合材料很少用于国内商用车承重结构（如板簧、车架等）。主要原因之一是其载荷强、结构复杂、技术困难和风险大。为了实现国内商用车突破性的轻量化效果，必须加强负载品中密度轻、强度高的复合材料的应用。复合钢板弹簧与其他运载部件相比，对减少汽车质量有明显效果，目前已成为国内商用车轻量化研究的热门产品。
 

 

生态环境

     近年来，我国已成为世界最大的石油进口国。据我国石油经济技术研究院发布的《2019年国内外油气行业发展报告》数据显示，2019年我国原油净进口首次超过5亿t，原油对外依存度首次超过70%。从2004年的40%到2010年首次突破了50%的国际警戒线，从2016年的60%到2019年的70%，我国石油的对外依存度不断突破。据国家统计局，2020年1—7月，我国进口原油3.2亿t，同比增长12.1%。资料显示，我国矿石资源对进口石油资源的依赖程度很高。因此，我国需要解决石油危机，减少对石油等矿石能源的依赖，复合钢板弹簧在汽车轻量化方面的应用有助于更好地解决能源依赖问题。
 
     在汽车悬架系统中，板簧属于该系统的重要结构，其参数设计合理性、准确性，直接应着汽车舒适性、稳定性。传统汽车技术中，汽车悬架制造使用弹簧钢加工，但却导致汽车整体重量较大，所以在汽车轻量化发展的今天，相关人员可通过降低复合材料板簧自重来控制整车重量。因此，深入探究复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用，对实现汽车轻量化目标有着重大价值。
 

钢板弹簧概述

  • 作用

钢板弹簧主要由多片宽厚相等但长短不一的弹性钢片组成。采用悬架技术将车架和车桥相连，以承受轮胎对车架产生的冲击力，同时具有缓冲减振的功能，保证汽车行驶平稳性的同时提升驾驶者的舒适度。

 

  • 分类

钢板弹簧主要分为多片簧及少片簧两大类。多片簧是将多片直径相同，但长短不同的钢材叠加一起，将多片钢板弹簧的各片钢材叠加成倒三角形状，最上端的钢材最长，最下端的钢材最短，钢材的片数和客车的载荷有关，因此钢材片越多、厚度越大，弹簧刚性也越大。不过，当钢板弹簧工作时间久了之后，各片之间还会相互滑动摩擦引起巨大噪声，而钢片之间的相对磨损也会造成弹簧产生扭曲，导致机器运转不顺畅。少片簧则是将两头薄中间厚的钢材叠加在一起。由于少片钢板弹簧的钢材断面长度变化较大，从中部到两头的断面宽度也会逐渐变化，因此轧压过程就比较复杂，价钱也比多片簧高。在同样刚性的情况下，少片簧较多片簧轻50%左右，从而降低了相对磨损和振动，也提高了使用安全性。

 

  • 原理

钢板弹簧通常安装在车辆悬架内部，当车桥与车架之间互为依靠时，当钢板弹簧接受的垂直负荷为正向时，各弹簧均因受力情况而变化，有向上拱弯的趋势。当车桥和车架之间彼此脱离时，钢板弹簧承担的方向垂直负荷和变化便逐步减少。

 

主片卷耳受力最强，比较容易损坏。为改变主片卷耳的受力状况，常把第2片末端弯成小卷耳，包在主片卷耳的最外侧，叫做包耳。为了在弹性变化时各片之间有相应滑动的机会，可以在主片卷耳和第2片包耳间留出很大的空间。但有时在钢板簧片两端也不做卷耳，而是使用另外的支承连接方法，如橡胶支承垫。

 

  • 优缺点

钢板弹簧的好处是构造简单，运行安全可靠，成本便宜，维护简单。它既是悬挂的弹力部件，也是悬挂的导向装置。一端与底盘铰接，能够传输各类动力与扭矩，同时具有摩擦减振的功能，因此被广泛用于非独立悬挂上。不足之处是一般作为非独立悬架，自身质量较大，刚性大，舒适度较差，且纵向宽度过大，不利于减少车辆的前悬和后悬间距，易于与车架连接的钢管弹簧销磨损等。

 
     目前，环保理念已经深入社会各行各业当中，汽车行业也逐渐重视轻量化设计问题。为解决能耗和环境污染问题，最近几年电动车的生产和保有量一路高涨。降低整车重量是减少电动车的能耗、提升续航里程的有纯电动汽车重量降低效解决方案之一。
 
     相关研究表明，纯电动汽车重量降低10%，续航里程便可增加约5.5%。为保证和提高电动车的续航里程，可以从两个方面入手，一是提高能量密度从而减少电池的应用量，二是减少结构件的重量。
 
     对于纯电动汽车来说，减重是提升其动力和续航的一个有效途径。作为其中的一个大体积部件，电池箱存在着相当大的轻量化潜力。以电池箱上盖为例，市面上已存在多种“以塑代钢”的轻量化方案，包括SMC、LFT-D和纤维增强注塑等工艺的应用。然而，这些方案主要以非连续纤维增强的复合材料为主。由于产品性能要求和工艺本身的限制，上述方案的制品壁厚通常在2.5mm以上，进一步实现薄壁化存在较大的技术难度。由于上述工艺在薄壁化方面的局限性，越来越多的汽车主机厂和汽车电池厂商将关注点放在了连续纤维增强复合材料的电池箱方案上。
 
     安徽驰宇新材料科技有限公司，是隶属于国轩集团的一家集动力电池核心配件、精密整车零部件研发、制造、销售于一体的综合型工厂。产品广泛应用于新能源、汽车、铁路、航空等领域。
 
     生产模块主要由汽车外饰件、箱体箱盖两大车间组成。新工厂顺利投产后，自动化生产贯穿整个生产过程，80%以上工序实现无人作业，工艺流程采用生产过程自动化(机器人自动上下件、机器人自动喷涂线、AGV产品转运等)及生产管理控制系统，搭配智能物流系统，将公司建设成符合工业4.0模式的高科技生产模式，实现“智慧工厂”的目标。公司涉及生产工艺有精密模塑、复合材料、金属FDS成型等。
 

2022年6月20日9点18分，安徽驰宇一号车间举行第一条FDS电池箱体全自动生产线通线仪式，该产线的通线标志着安徽驰宇已经具备批量生产FDS电池箱体的设备能力。

 

资料来源：复材邦

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