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新一代工程塑料带来安全气囊系统革命性的变化

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 帝斯曼工程塑料< 点击:
如今,新一代的增强型热塑性工程塑料正迅速成为全球汽车安全系统一级供应商的一个应用标准。

对采购人员而言,高级聚酰胺是再好不过的安全气囊壳体材料,它们已被证明可以提供极其优异的性能,同时还可以缩短生产周期,降低成本,因此,具有极高的投资回报率。

对生产和设计工程师们而言,像Akulon和Akulon Ultraflow这类的增强型聚酰胺不仅比其他材料更结实,从而更能保障乘客的安全,而且还具有极高的灵活性,从而为设计师创新和改善产品性能提供了更大的潜力。


10年前,金属制安全气囊系统(壳体)一般含有20个工作部件,重3.2kg,涉及12道生产工序。如今,工作部件仅有5个,重量仅1.2kg,加工工序也只需6道。无疑,这一革命性的变化应归功于新一代工程塑料的诞生。

就战略层面而言,最新款的塑料还带来了惊人的环境效应:不仅可以提高能源利用率,还能降低CO2的排放量,从而开创可持续发展的全新模式。

得益于成功的Akulon PA6,帝斯曼工程塑料能够将这些优势与全球的一级供应商和整车厂商分享。通过在全球大约150种交通工具中的1.2亿个安全系统中的成功应用,玻纤增强的Akulon PA6已证明了其作为最好的安全气囊材料之一,在很多方面不仅优于传统的金属材料,也优于其他塑料。

当然,一切才刚刚开始,塑料在汽车上的新应用已经初见端倪。今后,整辆汽车可能全都由塑料制成——从方向盘到底盘。

安全系统中的工程塑料:设想与现实

早在1990年,当时一本颇具影响力的行业杂志《新科学》曾大胆预测:未来的10~15年中,工程塑料的增长可能达到8%~9%。

然而,事实证明,这一预测在汽车行业显得有些保守。经过近20年的发展,目前普通汽车中的塑料用量已经占到了塑料产量50%的比重,而这也只是让人们看到了先进热塑性塑料在汽车行业中的应用潜能。

即使是金属最忠实的支持者,同样认可工程塑料的本质优势:它们灵活、耐用,而且最重要的是,它们很轻——尽管在体积上它们占整个车体材料的50%,但重量却只占车体实际重量的12%~14%。

当然,在汽车行业中,这些优点并不是客户考虑的最重要的因素,他们考虑更多的是热塑性塑料的成本、强度和耐久性。值得欣慰的是,目前帝斯曼工程塑料最新推出的聚酰胺,正在一些极为严酷的汽车应用中改写规则,尤其是在安全约束系统的应用方面。

客户们首先会问:高性能热塑性塑料的性价比是否高于金属材料?对此,一个不可否认的事实是:与铝相比,塑料每公斤的单价毫无竞争力。但是,就某个零部件的整体工作寿命而言,高性能热塑性塑料的众多特性,如重量、流动性和表观质量等则赋予它们极高的性价比。这些特性有助于提高设计自由度,减少能耗和过多的工作部件,以及免去二级加工……,最终,将带来生产效率的提高。

客户们提出的第二个疑问是:当高性能热塑性塑料被用于像安全气囊这类要求严苛的应用中时,其强度是否足够?现实情况是:帝斯曼工程塑料领先的聚酰胺,如Akulon和Akulon Ultraflow,已经在一些极端应用中,证明了它们优良的耐用性、刚性和综合强度,并且其表现明显优于金属,因此更能保障乘客的安全。

客户们提出的第三个疑问是:塑料是否足够环保?其可持续性如何?在此,可以肯定地说:使用塑料所节约的能源远远超过制造塑料所需要的能源。事实上,生产塑料所需要的石油不到世界储量的5%。如果让时光倒流,把西欧所有的汽车塑料部件用金属部件取代,可想而知,其对环境带来的伤害将是灾难性的:每年将多燃烧10亿多kJ的能量、多排放97兆t的温室气体。如果用原油来衡量,那些浪费的能源相当于2 200万t原油。

综上所述,这些因素将赋予制造商和系统供应商们耳熟能详的那些词语,如“创新”、“持续改善”和“可持续性”全新的、更加深远的意义。事实是,高级聚酰胺给整个制造价值链,而不仅仅是材料成本,带来了一系列息息相关的好处。

聚酰胺的历史概要

聚酰胺(PA)不仅仅是最古老的工程塑料之一,也是应用最广的塑料之一,这主要得益于其所具有的卓越的强度、刚性、耐用性和韧性,尤其是那些更高级的玻纤增强PA66和PA6。

对于此类材料,帝斯曼工程塑料有着自身独特的视角,因为在过去的56年中,帝斯曼工程塑料一直从事着聚酰胺树脂的聚合生产和加工,并在己内酰胺,即生产PA6的主要原材料的制造领域中占据了领先地位。

在过去的50年中,利用帝斯曼的技术,全球已经建立了至少19家己内酰胺的生产厂。如果说,要想理解塑料的真正价值,首先就应对生产塑料的原材料有真正的理解,在这一点上,帝斯曼工程塑料无疑是一个行家。

Akulon,全球最好的安全气囊壳体材料之一

在用作安全气囊壳体的PA6材料中,Akulon凭借其性能和价值脱颖而出,成为全球首选的气囊材料之一。特别是它的高级级别,如K224-PG6和K224-PG8(分别为30%和40%玻纤增强的冲击改型PA6),以及最新级别的AkulonUltraflowK-FPG8,已成为目前制造安全气囊的、可带来极高生产效率的PA6材料。

在“用塑料替代金属”浪潮的推动下,Akulon PA6尤其在欧洲的汽车行业中大获成功。目前,包括奥托立夫(Autoliv)和天合(TRW)在内的主要的一级供应商,已在全球范围内越来越多地使用了这种独特的聚酰胺材料。据统计,全球已有大约150多种汽车的大约1.2亿个安全气囊使用了Akulon PA6,而且最重要的是,失误为零。

目前,汽车制造商们在评估Akulon的价值时,最关注的是它作为材料的实用性。因为安全气囊是人们希望永远都不会用到的少数部件之一,而一旦用到,它必须万无一失。显然,对于安全气囊而言,成功的机会只有一次。作为材料供应商,帝斯曼工程塑料则是全球少数几家致力于验证生存解决方案的公司,他们在此方面勤奋而执著地进行着研究和测试,以确保足够的安全牢固性。

在极端条件下,Akulon更安全、更牢固且更持久

高性能的Akulon已被证明是极其有效的、可承受极端应用环境的安全气囊壳体材料之一。它可以在-35℃的低温下正常工作,而不出现破裂或裂痕。在+85℃的高温下,它表现出了优良的抗蠕变性能,从而确保了此部件的固定点不会出现松动现象。

在耐用性方面,相对于金属,塑料通常具有两个显著的优势,既不会生锈,也不会断裂。同时,Akulon还具有非常出色的抗冲击性能。

而这些还不足以证明Akulon作为安全气囊材料的完美性。帝斯曼工程塑料技术团队的工程师和科学家们为此而研发出的一系列经证明是有效的、独特的测试似乎更有说服力,并且这些测试也是确保其材料在应用中能够保持安全纪录的主要因素。其中,最具影响力的是动态爆破压力测试。测试时,气囊袋内充满点爆后的混合气体。点火前,压力和气体(氧气)的混合物是确定的。这样,实际的压力-时间曲线(用传感器进行测量)就可以反映出典型的现实载荷情况。经过很多一级系统供应商和OEM客户的多次测试验证,测试结果是一致的,均显示出AkulonK224-PG8PA6是制造安全气囊壳体的首选塑料。

Akulon Ultraflow,缩短生产周期,降低系统成本

在较大的温度范围内,Akulon均表现出了优异的综合性能,成为高效率的典范。它帮助设计师节省了额外设计部件所需要的时间和成本,其在重量和外观方面的优势为正在寻求周期短、效率高的工程师们带来了无与伦比的灵活性。而对于更先进的Akulon Ultraflow而言,这些优势则更为突出。与常规PA6相比,Akulon Ultraflow的流动性可以提高80%,注射成型周期可以缩短25%。此外,对于诸如引擎盖之类的增强尼龙部件而言,它还提供了卓越的工艺特性,从而不仅提高了零件的品质,而且减少了加工工序。

不仅如此,制造Akulon Ultraflow安全气囊壳体可以使用较小的模具和设备,这意味着能源消耗的减少,从而提高了资金投入的回报率。

高度灵活的Akulon赋予设计工程师创新和改善的自由度

10年前,金属安全气囊壳体一般包括20个工作部件,重3.2kg,涉及12道生产工序。今天,工作部件的数量只有5个,重量仅1.2kg,生产工序也减少到了只有6道,无疑,这一切都应归功于Akulon的高度灵活性和适用性,由此所带来的巨大的成本节约,也使得工程师们可以大展身手,去实现更多的创新。

Akulon,提高能源利用率,支持可持续使用

帝斯曼工程塑料做出的一项郑重承诺是:其所提供的生存解决方案不仅应帮助客户创造利润,而且还应造福地球。为此,公司致力于研发出对环境影响最小的高科技解决方案。

作为增强塑料,Akulon的最大优点之一是,它具有降低汽车重量的潜质。通常,一辆汽车如果减重100kg,则每行驶100km将节约0.4L的燃油。帝斯曼工程塑料的技术团队凭借其优化产品壁厚的技术能力,可以最大限度地实现部件的轻量化,其后续效应则是显著地降低了碳的排放量。在此方面,Akulon Ultraflow的突出优势不可忽略。

总之,可持续性问题已经远远超出了传统的可回收范畴。目前,帝斯曼工程塑料正在如下3个方面大踏步地前进着。首先,就传统的回收意义而言,一般是将一个塑料部件熔化,然后重塑成一个新的部件。出于质量方面的考虑,通常是将回收材料用在那些要求不太严格、性能稍差的应用中。对于安全气囊壳体而言,则可将其重新注塑成一个简单的汽车部件,或制成公园里的一条长凳。其次,从原料回收的角度看,回收过程一般涉及几个步骤:拆分完整的部件、分离出塑料,然后经化学反应,形成新的“化学建筑结构块”。对此,一个极佳的实例是,从废旧的地毯中提取己内酰胺,作为生产纯PA6的单体。最后,是能源回收,即通过燃烧废品来创造能源,以作为矿物能源的有效替代。这虽然不是理想的方法,却比掩埋处理好得多。

客户的视角

与全球汽车行业中最大的一级安全约束系统供应商奥托立夫的合作,证明了Akulon在安全气囊壳体应用中的领先地位。在奥托立夫公司的N.Bokhari博士与帝斯曼工程塑料的全球领导人M.Huisman博士的一份联合研究报告——《聚酰胺6在汽车安全约束系统部件上的开发和使用》一书中,对Akulon做了如下评述:“腊峦辛⒎蛞丫嫫拦懒擞糜谄蛋踩铱翘宓牡鬯孤腁kulon K224-PG8PA6(尼龙6)玻纤增强材料。此材料具有卓越的加工性能,并大幅度地降低了产品重量和成本。在极低的温度下,它表现出了良好的延展性。此材料成功取代了铝和其他典型的金属气囊壳体材料。目前,Akulon K224-PG8已经顺利通过了奥托立夫的腔内放置测试,测试温度分别为-30℃和+80℃。它在试验和量产的安全气囊箱壳体应用中,均取得了成功。”

在北美,通用汽车公司是第一个使用Akulon增强PA6制作安全气囊箱壳体的制造商(该部件由其供应商天合提供)。此前,美洲的汽车厂商大多使用铝来制造这一部件。其原因是,该部件必须在-40℃和+120℃的极端温度下操作。同时还要求该部件在气体燃烧的初期,即打开气囊的一刻,能够承受240℃的高温,并且至少持续4s的时间。实践证明,注射成型的AkulonK224-PG8壳体部件成功地克服了这些挑战。在此项合作中,帝斯曼工程塑料不仅提供了塑料原材料,还提供了计算机仿真分析(如FEA)和模流分析等服务,从而帮助客户优化了产品性能,降低了成本。

分析师的视角

Akulon不仅在全球范围内赢得了客户的青睐,还得到了杰出分析师的赞赏。例如,Frost & Sullivan曾授予Akulon“2006年度业务发展战略奖”(高韧性薄膜包装领域),作为对其优越的技术性能和杰出的商业价值的认可。

在《2007年Frost & Sullivan全球安全系统市场分析》一书中,该全球公认的分析师称,截至2012年,全球将从汽车前部安全气囊、侧面安全气囊和窗帘安全气囊市场获得33.2亿欧元的收入,综合增长率将接近2%。报告还称,未来几年,标准的前气囊预计将会被更加先进的双阶段智能气囊取代。

这一观点得到了颇具影响力的Aroq-Just-Auto集团所做的2008年的一份报告的回应。近年来,越来越智能化的综合电子控制系统的变革,使被动安全与主动安全之间的界限越来越模糊,更多的人开始关注主动安全性,使安全设施涵盖了整个汽车,以期从源头避免事故的发生。

该报告的结论是:“目前,汽车制造商的两难困境是,如何平衡他们在两个严酷的趋势之间投入的研发费用。一方面,需要减少燃料消耗和排放量;另一方面,需要提高安全性,并进行持续改进,尤其是在成熟的市场中。”

安全气囊壳体的未来

Frost & Sullivan还对安全气囊的未来提出了一个有趣的见解:“随着全球化的不断深入,尤其是亚洲的崛起,在未来的2年中,单是巨大的中国市场就将有突飞猛进的增长。因为新的立法将在2010年生效,因此驾驶员安全气囊的饱和度将从68%上升到100%。

目前,帝斯曼工程塑料技术团队已与中国领先的一级供应商就一些重大项目展开了合作。至于其在北美和欧洲的业务拓展情况,目前的趋势是:延伸增强聚酰胺的应用范围,实现从驾驶员安全气囊到乘客安全气囊的拓展,最终实现一个级别的产品能够涵盖整套的安全气囊,即包括:驾驶员安全气囊、乘客安全气囊和膝部安全气囊。

从被动与主动安全特征之间的整合趋势来看,目前越来越多的功能性元素被作为整个组件的一部分添加到了安全气囊壳体上,例如,借助于塑料的优越性,使得制造商们能够将各种各样的新功能整合到壳体上,并通过一般的注射成型工艺予以实现。

汽车用聚酰胺材料的未来

今天,塑料在汽车上的平均用量已占到了12%~14%的比重。未来10年,这一数字有望翻番,达到20%~24%。

目前,帝斯曼工程塑料已开始在一些新的应用中大胆尝试使用工程塑料,比如将Akulon的姊妹材料Arnitel用作方向盘,以及将更先进的材料,如Akulon Ultraflow用于制造汽车引擎盖和进气歧管等。

无疑,一个全新的时代正在来临——不久,车体结构的主要部件也将使用塑料,如底盘的增强型部件,这有助于将车重减轻12kg。

帝斯曼工程塑料:全球解决方案的领导者

基于在汽车应用方面的专业特长,帝斯曼工程塑料所具备的技术实力远远超出了安全气囊这一范畴。实际上,Akulon只是帝斯曼工程塑料家族中的一员,此外还有Stanyl耐热聚酰胺、Arnitel TPE-E、Arnitel PBT和PET聚酯,以及Xantar聚碳酸酯和Yparex可挤压粘合树脂。

帝斯曼工程塑料不仅是一个材料供应商。从公司出色的研发团队,到这个团队在测试、设计及仿真工程分析(尤其是)方面所拥有的专知,以及向客户提供的其他先进的工程服务,所有这一切都表明,帝斯曼工程塑料是一个能够使价值链的多个环节增值的合作伙伴,而无论其身在何处。

作为一家真正意义上的全球化公司,帝斯曼工程塑料的工厂遍及荷兰、美国、日本、中国、印度、比利时和德国,2007年的营业收入达1 068万欧元。

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