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車用塑料創新應用現狀及無限空間


摘要:

文章來源:中塑在線







關鍵詞:

車用塑料







案例正文

比傳統鋼材,汽車塑料在輕量化、提升造型設計自由度、降低成本上優勢明顯。在非關鍵結構件處使用塑料,既不用擔心提高塑料件強度的問題,還能獲得以上提到的諸多優勢。多年來,塑料在汽車上的應用量不斷提升。在過去30年間,汽車的塑料用量己從20世紀60年代初的10kg左右上升到21世紀初的 200kg量級。亞太地區是最大的汽車塑料市場,其表現也一直備受關注。目前中國各類車型汽車使用塑料達到了每輛130~160kg,相比2010年(70kg)已經有了顯著提高,但與汽車強國,如德國(300kg)相比還有差距,這也說明,亞太地區還有長足的進步空間。

 

一、塑料使用區域分類

 

現今汽車塑料的應用主要分為:功能結構件、內飾件、外飾件三類。它們對塑料件的特性和使用功效各有不同。

 

功能結構件:氣門室罩蓋、冷卻風扇、燃油箱、散熱器水室、油泵殼體、進氣歧管、前大燈組件、速度表、配線、蓄電池、音箱。

 

功能結構件中,塑料能提高耐腐蝕度、耐磨度、表面光滑度和減重效果。比如采用改性塑料并通過AIM工藝制備的發動機進氣歧管,相比傳統的鑄鐵、鋁件有很多優點,重量減少40%、內壁光滑有利于提高進氣充量、良好的抗化學性,有效提高其使用壽命。

 

此外,寶馬公司還曾在微型底盤汽車的前端部件系統中,使用比例近30%的玻璃纖維增強PP材料,除降低成本外還可減少近30%的部件質量。

 

內飾件:儀表板、雜物箱、雜物盒、煙灰盒、方向盤、立柱裝飾、扶手、車門、地板護板、手套箱。

 

在內飾件上,塑料則能降低成本,提高環保、舒適性和安全作用。由于塑料良好的包容性,部分品牌車門還會采用天然纖維和PP熱壓制作,有效減輕車門重量、降低成本和隔音能力。另外纖維還能大大提高門內板強度,并在激烈碰撞中通過材的自行粉碎吸能,保護車內乘員安全。

 

塑料在內飾上的作用不限于此,比如優秀的座椅離不開舒適性,現今汽車彈性減震部分大都使用軟質PU模塑泡沫塑料??紤]到塑料易成型的特點,利用得當還能增大車內空間,這直接促成了車門內板與扶手一體化設計的流行。

 

外飾件:保險杠、側防撞條、散熱器格柵、保險杠、擾流板、擋泥板、擋泥板襯板、車門把手。

 

在外飾件上,塑料可減輕車重、降低維護成本并提高車身造型的自由度,一體成型的塑料尾門一度成為熱潮,比如1982款雪鐵龍BX,就在尾門上使用了BMC(不飽和聚酯團狀模塑料)材料,此后如1996款沃爾沃V70、2002款梅甘娜II、2007年馬款自達5、2011年標致508的旅行版、2014款DS6等都有使用塑料尾門。

 

就汽車塑料使用率看,乘用車中的塑料部件占車身總重量的比例平均在8%至12%,但應用于外飾件的比例僅占車身總重的1%至2%,內飾件占比最高,大約在5至8%。所以大趨勢上,外飾件和功能結構件的塑料化將成為下一步重點發展方向。比如采用旋塑工藝的全塑車身結構,能夠減重近60%的車身重量,這是傳統材料和工藝不能企及的高度,不過由于強度不足,現今全塑車身主要被使用在低速電動車領域。

 

二、 未來汽車零部件塑料化趨勢

 

就現今汽車塑料使用來說,還遠沒到飽和的程度。比如僅塑料保險杠就占到了約42%汽車塑料總用量,而塑料前端框架的使用也是近些年才流行起來,國內至今甚至都沒有建立相關檢測標準,由此可見多元化發展的目標還遠沒實現。

 

而在材料類別層面,聚丙烯(32%),聚氨酯(17%)和聚氯乙烯(16%)占汽車總高性能塑料的約66%,新型車用塑料的使用還有進一步提升空間。

 

由于碳纖維材料成本居高不下,目前汽車塑料的市場機遇就落到了以下新材料上:聚甲基丙烯酸甲酯、長玻纖增強聚丙烯材料、熱塑性復合材料、生態塑料或生物塑料等。

 

聚甲基丙烯酸甲酯,具有高透明度,低價格,易于機械加工等優點,是平常經常使用的玻璃替代材料。廣泛用于儀器儀表零件、汽車車燈。

 

長玻纖增強聚丙烯材料可應用于儀表板,門模塊,前端模塊,尾門以及需要平衡尺寸穩定性,耐熱性和重量優化的其他內部和半結構應用。

 

眾所周知,生態塑料或生物塑料是過去十年發展最快的材料行業之一,比如第四代馬自達MX-5Miata(2015)的小型內飾上就使用了自家開發的生物材料,隨后CX-9等重磅車型中也開始跟進使用。

 

看好生物材料的不僅馬自達一家,比如早在2016年年中,福特汽車公司就順利成為全球首個以二氧化碳為原料,開發配方并測試新型發泡材料與塑料部件的汽車制造商。研究人員預計未來五年內這些新型生物材料將被正式用于福特汽車量產車型上。根據BCC調查公司研究報道預測,這類品將在2020年將達610萬噸左右的規模。

 

三、新材料新工藝

 

除開材料層面,生產方面,塑料件的模塊化將會是未來的重要發展方向。傳統前端模塊采用近20個鋼板沖壓件焊接而成,為此需要開發超過50套以上的模具,而選用長玻纖增強熱塑性聚丙烯制作前端模塊,應用模壓成形技術可以將20多個沖壓件進行有效地組合集成化,只需開發一套模具,就可完成整個產品的一次性成形。既實現減重的目標,還能降低工藝復雜性和成本。

 

當前來說,塑料件的模塊化重心主要集中在前端模塊、車門模塊上,然而包括儀表板、前保險杠總成、后保險杠總成、座椅、底盤零件和動力總成模塊等仍有進一步探索的空間。比如多數車型儀表板骨架仍采用鋼制材質,但一些豪華車型已經開始使用模塊化的塑料儀表板骨架了。

 

以寶馬2017 MINI Countryman為例,其儀表板骨架通過采用長玻纖塑料制成,相比傳統材料減重20%。寶馬也通過此項突破,獲得了美國塑料工程師協會(SPE)主辦的第47屆汽車年度車身內飾類別創新大獎。

 

模塊化帶來的是生產方式的精益化,塑料結構優化則是錦上添花。比如保險杠的薄壁化開發上,相比常規3.0mm壁厚設計,此前吉利采用的2.5mm壁厚設計(pp材料),能使得單件減重20~15%。

 

顯然薄壁化能夠進一步降低成品重量,提高輕量化效果,但薄壁化容易引起翹曲變形,還會有脫模困難的問題。因此除了需要提升工藝水平外,材料特性的提升也很重要。改性塑料作為最重要的汽車輕質材料,將會在此領域起到重要作用。

 

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