新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 热塑性塑料在车身面板中的应用

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发表于 2013-7-12 09:56:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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热塑性塑料应用于车身面板已有超过25年了。热塑性塑料在耐蚀性、减重和抗冲击性上远远优于金属,但是,由于在线性热膨胀系数上存在显著差异,可能无法达到汽车工程师对面板间隙公差所希望达到的配合精度。

尽管材料供应商们在市场和应用开发上做了大量的努力,但热塑性塑料在车身面板上的应用渗透始终未获得热塑性塑料在仪表板或前后保险杠面板上取得的范式转移。在仪表板和保险杠面板应用上,热塑性塑料在造型及设计自由度上都远远优于金属材料。迄今为止,出于成本方面的原因,热塑性塑料在车身面板中的应用一直未能突破小批量(每年不到5万辆)的限制。

目前,汽车制造商通过电泳涂装工艺来取得车身和车架所需的腐蚀保护。这是一种温度相对较高的工艺。在电泳涂装之后车辆进入涂漆生产线,通过油漆炉让油漆硬化。传统的钢材在经过这些工序时不会产生任何的热变形问题。

车身面板所用的热塑性塑料材料根据车身面板应用于修整工艺的阶段而分为三种不同的耐热类别。其中,高温工程热塑性塑料一般基于尼龙混合料,适用于需要经过电泳涂装的面板。工程热塑性塑料一般基于PC/PBT混合料,适用于需要经过罩光漆油漆炉的面板(在例外情况下,也可专为低温罩光漆油漆炉而设计,比如通用土星车型所用的面板)。最后一种热塑性塑料不在油漆炉中进行上漆,且在完成涂装工序后依然与车身连在一起。汽车制造商为了减少漆面颜色差异尽量避免在生产线之外涂装零部件。

热塑性塑料的成本随着热变形的加大而提升,因此用于电泳涂装的材料是汽车应用中成本最高的热塑性塑料,用于罩光漆油漆炉的热塑性塑料成本有所降低,成本最低的是用于在生产线之外涂装的热塑性塑料。

虽然金属原材料本身的价格较低,但由于需要投入不少资金购买打造车身面板所需的多种钢材工具,总体资本成本并不低。热塑性塑料虽然原料本身价格较高,但在零部件生产过程中只需要用到一种注塑工具。因此其经济性就要看单个零件的成本曲线与资本成本的比值,通常情况下这一盈亏平衡点大约为每年5万辆的产量。近20年来,钢材生产商通过钢材减薄提升了耐腐蚀性和减轻了车身面板的重量。在对工具的要求上,也从原先的6-7种工具减少为4-5种,由此降低了资本成本,提升了钢制面板的竞争力。

随着汽车制造商,特别是亚洲汽车制造商,开始生产价格仅为2500-5000美元的低价车,这似乎给塑料带来了很大的应用潜力。塔塔汽车公司原先曾打算在Nano的车身面板中使用热塑性塑料,但因为不够具有成本竞争力而作罢。

实际上,利用现有技术已经有机会生产出更富竞争力的热塑性塑料车身面板,改变盈亏平衡点。

首先,工程热塑性塑料对于广泛的大批量应用来说成本过于高昂。PC/PBT从1980年代初期开始应用于保险杠面板,而TPO主要凭借成本上的优势,已经成功地取而代之。同样的模式也将重现在车身面板上,将把原料成本减少40%或以上。采用低温罩光漆油漆炉的通用土星车型相比大批量汽车生产用的金属,仍具有较高的成本。要提升热塑性塑料解决方案的成本竞争力,就必须降低原材料的成本。

第二,针对普通车型的“涂装”技术已经开发出了适用的技术。基于PVDF和共挤热塑性塑料硫化/PP系统的涂膜技术,如舒尔曼公司的Invision技术,已经提供了能够达到车身面板质量要求的非涂漆解决方案。但舒尔曼缺乏足够的资金来实施这一看起来颇有前途的技术。此外,对于售价仅为2500美元的这类低价车,用热塑性塑料模塑成彩色面板能够带来潜在的质量/价格优势,给消费者带来耳目一新的新选择。

虽然涂膜和共挤结构的成本很高,但考虑到涂漆生产线的高昂成本,加上在减排上的可观潜力,有希望为正在大建新厂的亚洲汽车制造商带来新的选择。要让已经成熟的西方汽车制造商考虑取消涂装生产是不太现实的事,因为他们的资金已经投下去了,而且他们并不打算生产迎合亚洲这类收入较低的大众市场需要的汽车。专为供应亚洲国家而新建的工厂可以充分利用非涂漆解决方案,减少资本投入。

第三,在PP上已经开发出可供热塑成型的材料级别,现已在北美产汽车的保险杠面板和门下围板中得到应用。有多种旋转热成型机器可达到单台注塑机的产能效率,但资本投入相对较低。此外,采用单面模具,通常为铝制(尽管对此类应用来说钢材可能更理想),也能比注塑成型(双面模具)在成本上有所降低。

第四,通过激光焊接附件或使用尼龙搭扣带开发出了相应的紧固技术(已在热塑性前保险杠面板上得到验证)。此类紧固技术最大程度减少了热塑成型在无法方便地生产出3-D深度几何体上的局限性,同时也更便于组装。

第五,采用基于PP的技术有助于提升汽车的可再生性。对于前后保险杠面板、仪表板、密封系统和某些引擎罩下部件,当PP在车辆中的使用数量达到一定的原料临界量时,将吸引车辆拆卸商对报废汽车进行再生。

那么,既然在经济和环境上都具有如此吸引人的优点,为什么热塑性塑料无法在汽车上全面得到应用呢?事实上已经逐步得到应用了。戴姆勒Smart车型就是一个很好的例子,最先采用的是PC/PBT,现在又扩展至PP(仍采用注塑成型)。至于热塑性塑料在单个部件上的应用实例更是不胜枚举,尽管如此,热塑性塑料在汽车应用上仍未向前迈出飞跃性的一步。之所以未取得实质性的突破(诸如塔塔Nano之类的项目最终还是选用了金属板)的主要原因之一是,缺乏大型PP供应商为这一应用的发展进程注入推动力。PP生产商不愿投入资金和做出承诺为OEM提供支持,他们认为换用新材料的风险太大了。这一变革只有在亚洲OEM的推动下在亚洲市场实现,因为采用此类技术生产的汽车主要在亚洲有市场,西方汽车制造商缺乏动力更改其传统工艺来生产此类低成本、同时质量要求可能也较低的产品。

热塑性塑料能在交通繁忙的城市环境中发挥性能优势的这一优点,以及既富有成本竞争力、又能带来“绿色”优势的汽车难道不会成为新的市场追宠吗?

作者:杨罗杰(Roger Young) 罗伯特埃勒咨询公司(Robert Eller Associates)副总裁
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