新材料与工艺手册

[会员灌水] 马芳武:汽车轻量化的创新应用前瞻发展

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发表于 2016-5-13 09:35:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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        由我来先做第一讲,还是做一个个人的简单介绍,这里面坐的很多人比较了解我,我原来在英国读博士,在美国公司工作了很多年前些年作为海归回到中国,前几年在吉利汽车,去年回到吉林大学做教授,创建了一个青岛汽车研究院。会后感兴趣的同事对我们团队的研究方向和工作内容可以做交流,这里不再详细介绍。       这里简单介绍一下关于轻量化方面我个人的一些理解,因为实际上轻量化涉及到四方面的内容第一方面大家都知道是轻量化材料,第二方面是结构方面的变化和设计方法变化。第三是轻量化工艺。第四是轻量化集成的方向。本次重点介绍我个人和团队认为比较具有前沿的方向。

图为:国家“千人计划”特聘教授 、吉林大学青岛汽车研究院执行院长 马芳武

       轻量化是一个什么概念,想像蝴蝶或者我们日常生活中所看到一些生物和植物,其实它们是母亲自然给我们创造的最简单最轻、最强的一些东西,包括蜘蛛的丝是比我们现在所用钢筋还要强壮、还要结实,这些都是我们应该学习的内容。
       但是人类创造的东西是是非常笨重的,这些机器我们曾经在某个时代引以为自豪,包括现在大量使用其实非常笨重,非常繁重,特别是有一些齿轮结构的影响,这些东西也是我们人类曾经引以为自豪工业革命带来的成果,现在人类到了一个发展的奇点,就是今天上午的大会主题,这个奇点是让我们从智能化、网连化和轻量化方面,人类对自己提出的更大挑战。
       我们现在看到的石油资源消耗,看到的北极冰山熔化,还有大量污染;大家谈论汽车,讲的更多是汽车在制造和设计过程当中的问题,更多看到使用和使用以后给人留下的更繁重的处理的问题,这些可能会给我们人类带来更大的麻烦,由此也引申到人类如何处理汽车循环再生和利用的问题。
       其实有一个很好的切入点,对我们做轻量化来讲,很多人在讲轻量化并没有把汽车整体模块化作为主要的切入点但是我认为对于汽车设计师和供应商,我们做整体模块这个是对汽车巨大贡献,我认为不管搞设计和材料还是工艺,做汽车模块化是一个最好切入点,这个是我们在座各位,应该传给同行的信息,现在我们看到另外一个案例也是一个模块化很好的概念,特别是现在电动车的发展,由于整体的底盘,然后整体的模块使得这样轻量化的概念应该融入到整体的设计里面去,而不应该很分散的每一个零部件里面去。现在我们看到的一些模块,特别是前端模块大家在普遍应用,因为我在工作时,在推动车门内板模块的时候遇到很大阻力,它和我们传统设计方法是有巨大关系,尽管在行业里面呼吁多年了,但是真正实施起来还有一些问题。
       现在我们看这里有一个例子,实际上就是说这里面所讲模块化、集成化,现在大家看这个例子,就是(英文)中间这个中控台一带,是可以把左右一些键、按纽还有一些显示都集成到这样(英文)一个里面去,大家看到类似的介绍,就是用生物机材料、用薄膜技术,仪表盘大量技术集成在一起,这个是一个很好的发展方向。
       还有一个发展方向,我们对材料本身要求变轻,材料除了本身性能之外,研究材料里面做一些中空的结构,做一些微球化的结构,这个就是非常好的结构,它实际上从一个小小的一些气泡扩大到这样,使整个材料结构强度变强但是材料里面做一些中空的结构,在座很多同事已经有所了解。
       由于这样的一个中空结构发展,我们会看到不管是从它的轻量化方面,从就是材料的制造工艺和成本以及最后和循环方面都有很多优点,这是一个例子,在汽车的内板上面有很多应用,这个是(英文),我以前工作的公司他们在应用的一些例子。
       还有一个技术就是中空的玻璃微球的技术,它的尺寸可以是毫米、微米或者纳米量级,把这些微球和已有材料混合在一起,使得空间会占领,但是微球抗压能力非常强,使得空间和材料结构增强,空间会减少,这也是目前发展趋势。
       我在吉林大学的团队和几个博士在做类似的工作,我们看到这里面的应用,在其他一些材料方面都有一些应用。
       还有就是3D打印技术,目前行业里面炒的很厉害,其他行业比如航空炒的更厉害,汽车是大批量生产,大家对3D打印多少会产生误解,我们看到(英文)是平面打印,以为就是打印而已,其实实际上是一种材料的添加技术,我们现在大部分做的材料,是切削技术或者说是减材技术,而3D打印是做加材的技术。我在美国刚刚开过一个会议,会议上面对打印机的展示有很多,关于3D打印的演讲也很多,我觉得我们应该对3D打印有一个更深的认识,未来个性化设计的汽车可以用3D打印打出来,我们看到很多材料从金属、非金属等等一系列都可以用于打印。这个例子就是我们现在看到一部汽车的很多部件,甚至发动机的一些零部件,很硬的一些零部件,包括一些车的内室都可以打印出来,甚至汽车的尾灯一系列东西都可打印出来。由于这种打印我们可以做到汽车非常个性化,今天上午其实主题大家看了半天,好像大家都没有讲汽车技术,原因在于汽车未来是更个性化的一些设计,然后更贴近于和互联网和人们生活密切相关的一些个性化的发展,由于这样个性发展未来看到这种设计实际上很多是由客户,也就是说买车者,或者你们自己来通过网上,通过像淘宝方式,组合进行设计的,今天讲了一个简单的车型可以有10万种组合,这种10万种组合不可能每一个都是批量生产,有一些零件、灯、座椅、小的东西通过3D打印隔夜打印出来,客户定制车,这个是通过3D打印做出来,我们做轻量化也好或者做3D打印未来有一个巨大发展空间,这个是一个例子,我们会看到利用五天时间打印一个汽车。
       这个也是汽车里面一些骨架,更理想的状态,一些特殊的零件进行打印。说一下由于这种3D打印可以很多零部件很简单,未来通过3D打印技术把中间隔板设计成立体状态,有一些是镂空或者非焊接技术打印出来,结构简单轻便又强度增强。
       刚才讲了3D打印工业革命技术、玻璃微球技术和(英文)是属于工艺方面问题。下面介绍全球都在关心碳纤维的技术,这个优点不用讲:非常轻,耐热性等一系列性能都非常优越,但是成本和加工工艺是一个问题,有一个趋势到2020年的时候,碳纤维应用会达到一个非常高的水平,这个是十万吨的水平。这是整个行业发展趋势。那么在汽车行业里面就是就是蓝色的,会有一个巨大的推动。
       国内和国外现在应用范围都非常广这个是我的团队做的统计,现在在我们国内看见小型汽车、中型客车以及其他方面应用的方面。这些例子在车展上会看到更多的,不再一一举,总之目前中国是一个很好发展趋势。碳纤维混合结构因为要里面做一些加强的,还有做一些骨架,碳纤维车身总的减重是15%或者20%,我是中国汽车轻量化联盟主要专家,我们今年十三五科技计划的时候整车减重30%。这是国内应用的例子。还有一个发展方向由于大家对铝、镁、钢的研究这些年,特别在十二五科技规划的时候有所突破,在整个行业里面除了我刚才讲的玻璃微球的技术,微结构技术,人们把目光重新投入到生物基的材料,在2000年以后,在北美曾经热了一段时间,当时由于人类和自然抢一些资源,稍有停短,但是最近一两年又开始复活,生物基材料利用一些麻的纤维得到大量的应用,目前它是解决环保VOC和汽车可循环再生最好的解决方法,相当于轻量化和生态环境结合的最好的例子,所以我们看到很多生物基材料在医学,在其他方面的应用这个就是生物材料应用,我们的团队和伙伴在这方面投入了大量精力。
       我们最近开发了一个材料抗冲击性也可以达到1000兆帕以上水平,这的是它的优点,优点很多,有一些工艺还有后续相关的优点,VOC是全球特别关注的内容,在生物基方面,如果我们VOC按十级来分,它可以达到九级,满足很好的要求,我们在汽车行业七级VOC是比较好的。       这个也是就是里面有麻纤维还有一些天然纤维,里面有一个乳酸剂PLA,以后我们做的汽车可以咬,小孩子的玩具都可以咬,现在我们汽车里面的塑料拿下来不可以咬,现在还是比较危险的,最高的理想也是在用我的团队工作,未来汽车上面任何塑料拿下来可以让小孩子咬,不担心有毒,这样的一个发展方向采用乳酸基是最好的材料,它的密度可以达到1.1左右,比PP稍微轻一点,还是比较理想的状态。
       大家看到这个是PLA,在2019年以后,现在举这些例子都有一个大力的发展,乳酸基的材料有一个大力发展,在整个化学工业和相关行业都有一个相关发展,我们联盟去年在日本进行考察,日本几个化学公司非常重视,到欧洲也进行考察,他们也非常重视,还有一个北欧的公司也非常重视,大家需要这方面的信息和资料可以跟大家分享。
       这个就是人类思考的主题,人类是生活在自然中,取之于自然,这里列了很多车型,纤维素在林肯车上的应用,稻壳在F—150的应用,去年我们在宝马的I3的现场看到展示所有天然材料的应用,未来我们做轻量化的同时,尽量用天然材料,而不是一味只是寻求那些最轻的材料。这个是福特应用的例子,这个是另外一个车叫(英)和木材相关的材料,这个是雷克萨斯的采用的植物天然材料。
       目前我们能够看到这些天然材料,在国内我们有一些合作伙伴,能够做的一些汽车里面相关的东西,目前做的比较好的就是脚踏板,还有托盘,都可以做出来。另外一个方向刚才有简单介绍,就是微结构材料未来将会有一个大的突破,原因在于我们现在材料大家研制是实心的,而微材料结构不是实体的,而是虚空的结构,这些结构会做的非常轻,而且里面含大量的结构性的元素,这些结构元素其实我们早就看到,比如房屋、桥梁是那些大的桁架,这些大的结构元素通过新型加工技术做成非常小的,做成毫米、微米和纳米级的这些微结构,下面看一些例子,这个也是我们的团队在跟密歇根大学做的项目,我们做了很多小微结构的东西。
       我需要再详细介绍一下,传统的我们看见结构件都是实心的,然后可能大家前些年听说有一些铝镁结构,是不规则的,还有一些蜂窝状的,可以根据需要做成什么结构。拿车轮举例,现在已经在受力方面已经很轻了,实心并不见得最好,在汽车应用的大量东西都是实心的我们应用一些带结构的,是有空心结构的,这是一个材料的特性表,这个方向是材料密度越往前密度越大,这个就是强度,在材料密度很低的这样一个结构,我们特别需要在这一带,就是这个区域材料密度很低我们需要强度很大的天然材料是不存在的,我们用微结构材料做到这个区域达到我们要求的方向。
       这个上面是一些成型的方法和相关的东西,这里面在讲微结构有一个概念,由于微结构力学和分析,提前到材料级去分析,因为结构和材料已经没有分的很清晰了,所以说这个是一个传统方式,我在寻求一种设计的时候,我是寻找材料,到材料库里面找,但是新的设计方式就是我在进行汽车设计的时候,结构和材料同时在做,就是这里的一个主要差别。现在有更轻的,这个是美国航天局做的一个东西,它的下面是蒲公英的毛毛,是一个非常好的微结构,可以在空中飘,这个比这个更轻,这个是一个气泡,相对密度只有0.01%,但是结构很结实,有一些实验数据如果大家感兴趣可以进行分享。
       一个很好的例子,这个是很多人做过的一些相应的实验,子弹打进的时候可以夹住,有压力的时候会往外伸展,如果是负的就可以挤压,我们在做的汽车车轮,在国内推广的一个项目,然后这个叫N轮,非充气轮胎,未来是一个很好发展方向。这也是相关的微结构东西,不再详细介绍。
       我们看实心结构受力不见得好,我们钢轨式会好一些,像碳纤维是一个很好的发展方向,再往后就是微结构发展方向,一定要和工艺结合起来,因为工艺实现是有一定难度。
       畅想一下未来,我们现在在设计的汽车也好,在我们看见日常生活品也好,实际上是很笨重的,我一直在想,建筑空壁很好,又保温又轻,大家每天在喊VOC环保,实际上我们用的材料不环保,汽车是一个金属庞然大物,从发明第一辆 到现在都是金属的材料,对金属加工为主导,不是一个很好发展方向,汽车四大工艺、冲压、焊接、喷涂、组装,我们会利用虚拟现实设计,使设计更轻,通过一些虚拟的工艺制作变得更好。还有就是会通过更小的人性化的东西,变得更小更轻更环保。我的理念就是车也好、出行方式也好,更多是考虑它的更人性化的方式来解决这样总体的方案,我认为就是我们未来的汽车应该是更简单,然后更绿色。谢谢大家。


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