利用天然纤维减轻汽车部件重量

作者：Werner Klusmeier    来源：kunststoffe International杂志

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 天然纤维在汽车内饰件领域的作用变得越来越重要。除了可持续的成本和减轻的重量，原材料供应的独立性也成为天然纤维应用的一个重要参数。 汽车零部件的重量在有关二氧化碳排放的争论中扮演着越来越重要的角色。这就是为什么江森自控在过去几年里的发展重点一直是降低汽车零部件的重量。无论是车门板板、仪表板、地面控制台、立柱饰板还是顶篷——每克重量都发挥着重要作用。材料、薄壁结构精密元件和轻微材料重叠的智能组合降低了单个零件的重量和成本。 天然纤维在该领域（图1）发挥着特殊作用。它们被用于覆以各种饰物的纤维增强基体部件内饰。江森自控针对天然纤维的研发已逾50多年，它也是欧洲最大的天然纤维车门板制造商之一。近几年，江森自控在天然纤维材料和粘合剂的组合方面取得了很大的进步。 根据加工方法（图2）的不同，纤维增强材料可被分为两类。第一类是注塑成型生产材料，通常指玻璃纤维增强热塑性塑料，如玻璃纤维增强聚丙烯。第二类是用于垫压工艺的材料，其中天然纤维通过热塑性或热固性方法进行绑定。材料的选择取决于部件的规格。与重量相比，弯曲强度、抗弯弹性模量和冲击强度等物理特性发挥着至关重要的作用。部件的碰撞性能和气候交变试验性能也应考虑在内。 应用范围 玻璃纤维增强部件通常用于具有高抗弯强度和刚度要求的环境，如仪表板的基体部件。天然纤维模压部件主要用于车门板，它们或者作为一个完整的车门板基体（宝马3系和5系），或者作为各个部件的基体（福特C-MAX、欧宝雅特和大众途观车型）。 最近由天然纤维制成的部件包括宝马新3系的轿车和旅行车车门板。部件的制造结合了注塑成型和天然纤维模压技术。该方法使可再生的环保原材料得以用在车门板的隐形元件上。车门板由天然纤维基体后盖注塑成型。这种创新的制造方法使部件比之前轻了20%。 所有的开发工作只有一个目标：改善产品和工艺的二氧化碳平衡，同时生产出轻量结构和易于回收的产品。用于改善二氧化碳平衡的可再生环保原材料的重要性也将与日俱增。 注塑成型 注塑成型工艺通常使用玻璃纤维和天然纤维或矿物填料。长纤维常用于仪表板以满足所需的强度值。短玻璃纤维常用于车门板领域，例如压条。为了进一步减少其他部件的重量，例如：掌上地图，还可以利用玻璃球和玻璃空心体。但是，这些工艺还尚未投入生产。 还有一个挑战需要解决，那就是高木质素含量，特别是使用木纤维之时。当经受高温和较长的停驻时间时，材料会产生分解并形成气味。出于这一原因，江森自控在注塑成型工艺中并不使用天然纤维。合作伙伴公司在注塑成型工艺中使用的是纤维素等材料。尽管纤维素通过了费森尤斯研究所的气味测试，它仍是一种相当昂贵的中间产品。为了获得相同的技术性能，除了玻璃纤维之外还应使用更多的材料。木质素含量较低的韧皮纤维工艺也正在开发之中。 在注塑成型过程中使用天然纤维能够减轻部件重量，因为玻璃纤维往往比天然纤维更重。用天然纤维替代玻璃纤维时，为了获得相同的部件性能，需要使用更多的天然纤维，因此成本有所增加。因为天然纤维无法在注塑成型工艺中代替玻璃纤维成为更省钱的方案，它们仍然是没有吸引力的替代原材料。 垫压工艺 针刺木纤维垫和丙烯酸树脂粘合剂在200-220℃的温度下在模内进行压缩（图3）。这种被称作Fibrowood垫的材料中天然纤维含量为70%。与石化原料相比，该工艺在价格上相对稳定。这种垫具有较低的单位面积重量和良好的碰撞性能。Fibrowood通过简单的真空层压技术即可实现模内压纹。 江森自控生产的EcoCor垫是一种由亚麻、大麻、洋麻等天然纤维与聚丙烯制成的热塑性约束模压垫。首先将其加热至约200℃，然后在模内进行低温压缩。表面材料可直接应用于一步法工艺而无需粘合剂。EcoCor的天然纤维含量为50%。 或者，将由亚麻或大麻制成的天然纤维用环氧树脂润湿，然后在大约150℃的温度下在模内进行压缩。基体材料可覆以PVC薄膜、TPO薄膜、织物或皮革。天然纤维含量为70%。相对石化材料而言，其价格仍然较为稳定。 混合制造工艺 为了进一步降低制造成本和内饰件重量，江森自控一直在研发新的生产工艺。各种制造工艺可与混合制造工艺（图4）相结合，使宝马新3系车门板专用的压缩Fibrowood垫直接在注塑机里进行后盖注塑成型（图5），从而赋予车门板所需的增强筋板结构。江森自控在批量生产中使用的第一种混合材料正是源于这种方式。 因此，可再生的环保原材料得以用在车门板的隐形元件上。车门板由与塑料直接后盖注塑成型的天然纤维基体组成。这种创新的生产工艺使该部件比传统部件轻了20%。2013年，江森自控的天然纤维车门板荣获塑料工程师协会（SPE）大奖。 随着行业的进一步发展， 一种新的混合成型工艺（压缩混合成型或CHyM）（标题图）开始崭露头角。该方法结合了天然纤维部件和热塑性注塑 成型技术的优势。通过该工艺制造的内饰件比注塑件轻40%。相对于可比价格范围内的产品，CHyM工艺在降低部件重量的同时还能提供高强度。重量的减轻和刚度的改善(30%)简化了车门板在白色车身上的安装。 将CHyM工艺引入宝马中高端车型可将天然纤维垫的重量降低至1200g/m2。在实际情况下，这意味着车门板内饰件基体的重量在20年里已经减轻了一半。未来，该生产工艺还将延伸到其他部件领域，如座椅靠背板和仪表板等。 结语 可再生环保原材料在改善产品和工艺的二氧化碳平衡方面的的重要性将与日俱增，可回收材料在汽车上的比重也将日益增长。江森自控一直致力于使用天然纤维，特别是亚麻、大麻和洋麻等韧皮纤维。接下来的发展步骤是改进轻量化结构和工艺整合。此外，他们还在研究如何对不同的天然纤维和合成纤维进行组合以改善其物理性能，如耐热性等。除了可持续的成本和减轻的重量，原材料供应的独立性也成为天然纤维应用的一个重要参数。由于OEM产品遍布世界各地，全球可用性变得比以往任何时候都重要。汽车平台立足全球， 工厂遍布欧洲、美洲和亚洲。因此，供应链管理必须确保天然纤维的持续可用和的质量。

文章内容仅供参考 (投稿) (1/8/2015)