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塑料之于汽车--新进的发展与方案

时间: 2011-06-26 21:17 来源: 作者: 冯颖    点击:
今天的汽车设计师面临诸多挑战,包括工程创新、美化外观、减量降耗、简化工艺和环保责任等。热塑性塑料在最大程度上将外形设计自由度和功能综合的完美结合。如果处理得当,可以通过将多个组件合并成一个组件来减轻重量,以此降低组装的成本。借助合适的材料,我们还可以想象用模内颜色和效果或模内装饰技术来取代上漆作业,从而提供符合生态环保概念的方法。

实现设计和功能完美结合

双曲车窗是一项重要的汽车设计焦点。作为传统材料的最后一座堡垒,玻璃正在被热塑性塑料(例如聚碳酸酯树脂)所取代。聚碳酸酯树脂不仅能够大幅减轻需要大量使用塑料的车窗区域(例如全景天窗)的重量,而且还简化了三维设计的难度。这种方法既能美化外观,又能将功能性融入到车窗组件中。虽然双曲车窗从二十世纪九十年代末开始就已经在一些量产车中使用,但是运用的范围一直很小。现在,这项技术以各种形式应用在出色的概念车中,例如现代 QarmaQ和雪佛兰 Volt。双曲车窗的应用包括在汽车后挡板中集成的扰流器和照明功能,以及运动型车的全景天窗所采用的“双泡”外形。


Honda_Civic_掀背车

尾灯和后挡板车窗的合并是另一个重要的设计领域。最近发布的许多量产车和概念车都采用了尾灯与车窗直接相邻的设计。虽然后挡板车窗目前由传统玻璃制成,实际上还是平的,但尾灯却经过了精雕细琢。由此,不难想象后挡板车窗下一个发展步骤会是怎样。借助聚碳酸酯车窗,我们能够将车窗和后挡板进行合并,从而形成一个复杂的形状,或者使车窗符合后挡板的曲率。

本田公司在设计Honda Civic在欧洲销售的 2006 掀背车型时,希望融入具有视觉冲击力的新风格元素,即“附加车窗”。这种曲面玻璃安装在后车窗下方,并与扰流器和刹车指示灯合为一体。附加车窗是一个复杂的大型部件,对设计和制造提出了的诸多挑战,非传统玻璃甚至是一些塑料之力所能及。为了实现要求的部件整合度、一流的性能和耐候性,同时确保驾驶员有良好的后方视野,本田公司的一级供应商Freeglass选择了与沙伯基础创新塑料合作。

2006 Honda Civic 掀背车在英国生产并且仅在欧洲销售,在设计构思阶段,本田公司寻求一种全新的设计,使汽车具有视觉冲击力的前卫风格,同时保留 Civic 传统的实用性。本田公司创造了一个全新概念,即称为“附加车窗”的独特玻璃元素。这种月牙形部件紧邻后车窗下方,在与扰流器一体化从而提高空气动力学性能的同时,与刹车指示灯成为一体,从而实现部件整合。

但是,这种附加车窗的设计带来了许多挑战,例如,部件尺寸大、复杂性高以及在不失真的情况下为驾驶员提供充分的视野等等。对若干种材料解决方案进行了调查研究,玻璃很快就被排除在外,因为玻璃无法适应该部件如此大的曲率。玻璃的另一个劣势在于,重量大于塑料。

因此,本田公司及其一级供应商 Freeglass公司开始将目光投向塑料玻璃,但是,哪种材料才是最佳之选呢?对这种材料的要求包括:耐候性、耐刮擦性、抗冲击性和高刚度。得到的所有数据都表明,聚碳酸酯 (PC) 满足了这些要求,是最适合的材料。

沙伯基础创新塑料推荐在附加车窗应用中使用与有机硅硬膜相结合的透明、注塑成型的 Lexan GLX 树脂。Lexan GLX 树脂具有很高的抗冲击强度和刚度,而且十分轻巧,这些优点对于汽车玻璃应用非常重要。该树脂还涂敷了一层基于有机硅的硬膜,从而具备了抗磨损以及抗紫外线和化学降解能力。

与玻璃相比,Lexan GLX PC 拥有的设计灵活性使得生产出外观出众的三维月牙形部件成为可能,并且实现了与扰流器和刹车灯座的无缝整合。这种复合汽车玻璃元素使该掀背车具有了夺人眼目的风格和符合空气动力学的光滑设计。

从性能角度来看,Lexan树脂的抗冲击性和刚度较之 PMMA 更胜一筹。耐用的硬膜为该车窗提供周到的保护,使之免受路面碎石造成的磨损、盐等化学品带来的腐蚀以及紫外线降解。事实上,加速老化试验表明这种硬膜的性能是同类产品的四倍。

如水晶般通透的 Lexan 树脂为驾驶者提供了最佳视野,因而增强了安全性。并且,与目前使用的玻璃相比,使用 PC 使得可视范围更大。但这类汽车的经典设计所出现的问题与后方视野受限相关,在轿车测试中有时会因此而招致批评,而PC 正好解决了这一问 题,提高了驾驶者的安全性。

替代橡胶提供密封性能

法国标致汽车公司宣布,由Teknor Apex公司提供的原料所成型的罩通风孔密封条,成型性好,耐候性佳,而且具有类似橡胶的性能,因此选用该公司化学聚合物部在欧洲供应的Tekron 热塑性弹性体(TPE)化合物,作为标致汽车两个系型发动机罩通风口密封条的制造材料。之所以选用热塑性弹性体,是因为热塑性弹性体不仅具备类似橡胶的机械性能,而且有出色的耐候性,并且加工简单。

发动机罩通风口位于前挡风玻璃和发动机舱之间,横贯车体,是新鲜空气进入发动机舱内部的通道。对标致207和307系列轿车,使用Tekron的热塑性弹性体材料,采用二次注塑工艺,在发动机罩通风口的玻璃纤维聚丙烯(PP)基材上注塑形成长达1.5米(近5英尺)的密封唇口。二次注塑是三组件零部件一次成型工艺的一部分,包括结构性PP基材、Tekron密封唇口,以及一个采用创新设计的模塑成型观察孔,通过此孔可看清车架编号。


福特轿车的车窗封套

Tekron的热塑性弹性体具有出色的流动性能,可精确控制公差,在发动机罩通风口的整个长度方向形成光滑、精美的表面。Tekron热塑性弹性体具有出色的耐候性,而且热稳定性好,压缩永久形变小。发动机罩通风口紧靠引擎室上方,温度很高,这些性能对于保持密封完整性非常重要。

Teknor热塑性弹性体是基于苯乙烯嵌段共聚物的化合物。Teknor Apex公司欧洲TPE市场经理Nick Sandland指出,这种材料最高可承受120摄氏度的高温,即使在零下60摄氏度依然保持柔软特性。对于发动机罩通风口密封条,Tekron热塑性弹性体有一个关键的优点,就是几乎不与氧气和臭氧发生反应。除了这种出众的耐候性,Teknor Apex为此类用途提供的稳定剂和氧化抑制剂也是一个重要的因素。

同时,福特汽车公司也已认可将Teknor Apex公司制造的三种柔性乙烯基化合物用于制造挤出和模压的外部组件。

获得福特全球WSK-M4D689规格认可的这三种化合物是:Apex 79-B427D-21D(80 Shore A)、Apex 1523F(75 Shore A)、Apex 1523E-8(65 Shore A)。这些产品目前已用于制作2008年型号的福特轿车、多功能运动型车、卡车的车窗封套、车身侧嵌条和装饰组件。 这三种化合物以前已被汽车行业其他OEM企业认可用于制作外部组件。

创造愉悦的视觉效果

为了不断改善小型汽车的空间感、款式和性价比,并让高档汽车更显豪华,欧洲汽车制造商开始向沙伯基础创新塑料寻求独特的树脂颜色和效果的解决方案。最新的流行趋势是使用半透明和透明的树脂来覆盖内饰件的纹理和图案,以代替普通的内饰组件如方向盘、门饰板和控制台等,创造一种愉悦的视觉效果。除了传统材料和颜色(通常为棕色或茶色),沙伯基础创新塑料发现在概念车内部有采用光泽度、对比度都较高的黑色和白色的趋势。针对这个趋势,沙伯基础创新塑料开发了多种黑色和白色 Visualfx* 树脂和高光泽、防静电的聚碳酸酯。

Visualfx* 系列特殊视觉效果树脂,使设计师有更多独特颜色和效果的选择余地。此外,沙伯基础创新塑料还为特殊流程(如双层模塑造型和水转印)提供透明和半透明树脂。

半透明和透明效果为汽车内饰添加了深度感和空间感,让各种组件产生焕然一新的视觉效果。此外,用透明的 Lexan* 树脂层来覆盖不透明的塑料层还能将线束和其它硬件巧妙地隐藏起来。Visualfx 树脂惊人的美感和多用性将使其成为当前新款汽车的最佳选择。

双层模塑造型和水转印是汽车设计师用来实现新型半透明和透明效果的两大重要载体。双层模塑造型技术需要在透明、半透明或不透明的树脂上再覆盖一层半透明或透明的树脂,加重部件的深度感。水转印技术需要将部件浸入像薄膜一样浮在水面的墨水图案层,使得图案层上的设计粘贴到部件表面。此外,图案层还能包裹住部件,实现比传统模内装饰应用更好的覆盖效果。水转印过程完成后,再利用透明的涂层就能很好的保护这层薄膜。当使用哑光或柔光而非高光来打磨表面时,这一涂层能改变内饰的外观。

欧宝在设计 2007 Corsa 时希望设计出新颖却不失温馨的汽车内饰。欧宝与沙伯基础创新塑料紧密协作,从公司的 Visualfx 特殊视觉效果系列树脂中选择了 Lexan FXD123 树脂来生产中央栈区半透明的开关、把手以及车门内饰,这些内饰部件在夜光下会发光。塑料供应商不仅提供了欧宝寻求的精确日光颜色,而且微调了半透明树脂的用量,能保证夜间从后面照射部件时它也能显示与白天同样的颜色。

沙伯基础创新塑料将在近期发布 Expression 2009 调色板,一系列全新的特殊效果将反映未来的发展趋势。已被运用于Visualfx 树脂系列中的Expression 2009 系列,可以激发设计师对未来汽车的创造潜能。

满足汽车结构部件的要求

Teknor Apex旗下公司Chem Polymer宣布推出一种抗冲击能力高强的尼龙66材料,这种材料的流动性能优于同类材料,而且弯曲强度和低温韧性能够满足许多汽车部件以及防碰撞填充物的要求。

Chemlon 109具有出色的流动性能,适用于生产紧固件等精密或多腔部件,凭借出色的弯曲强度,能够承受装配和最终使用造成的应力。Chemlon 109具有卓越的韧性,仪表盘甚至整个发动机等汽车部件低温储存和运输使用的防碰撞填充物或垫板。

这种材料的关键性质之一,就是零下40摄氏度时的缺口冲击强度达到4.5英尺•磅/英寸(240J/m),弯曲强度达7000 psi(48.3兆帕)。

Chemlon 109材料已达到克莱斯勒、福特和通用汽车的车用材料标准,已用于生产这三大汽车公司使用的零部件。Chem Polymer在美国、欧洲和亚洲设有生产厂,可按完全相同的配方向世界各地供应本产品。

塑铝复合技术减量降耗

采用铝复合部件是汽车制造的又一发展趋势,新款奥迪TT轿车是第一部在车辆前端使用塑铝材料的车型。此前,汽车前端的混合材料中通常采用的成份是钢铁。朗盛半结晶产品部“合必得”(hybrid)复合技术专家Martin Klocke说:“用铝替代钢铁制造汽车部件可以显著减轻15%的重量。汽车结构部件采用模内组装法将三层薄铝板与朗盛公司在复合技术领域广泛应用的Durethan (杜力顿)牌号的BKV 30聚酰胺6增强玻璃纤维组合在一起。”这一部件由系统部件供应商佛吉亚集团(Faurecia)在德国英戈尔斯塔特的工厂内制造,然后直接交付奥迪公司。

塑铝复合前端部件不仅有助于降低汽车油耗,还可以通过减轻汽车前轴前部的重量提高汽车前部的稳定性从而提升车辆的操控性。

塑铝复合部件的采用为奥迪的设计师带来了更大的施展空间,他们可以为新款车型的前端赋予更多特性,例如,头灯和保险杠的接合点,引擎罩插销,冷却循环系统的组成零件,保险杠安装架螺母,电缆固定卡夹,以及在与行人发生碰撞时起到更好保护作用的位置更靠后的车底(甲板)凸缘。

朗盛为佛吉亚和奥迪两个公司的铝复合前端部件开发提供了一系列技术支持。通过与佛吉亚公司密切合作,朗盛的设计团队优化了汽车的前端支架提高了轿车的NVH特性(总成噪声、振动、声振粗糙度)。此外,朗盛还通过数据测算提高了轿车前部的总体强度;通过流变仿真令部件实现最小变形,聚酰胺热熔实现了优化流量和铸件充型特性。此外,朗盛还协助他们确定了按照初始产量制造时的最优生产参数。

朗盛认为铝复合技术在汽车制造中将日益盛行,并正在为此而积极努力。Martin Klocke说:“汽车部件的重量可以显著降低,从而降低油耗和二氧化碳排放。铝复合技术将来还有望在B-cross members车顶支架和仪表板加强件上得到更广泛的应用。”

简化装配流程

模塑互连器件(MID),即三维塑料电路板,正在日益成为汽车行业的发展趋势,在汽车工程领域应用潜力巨大。

模塑连器件摒弃了传统电路板,将导体轨和电子元件直接应用在器件内。因此,复杂的装配可以实现小型化,同时通过集成功能可以大量减少单个元件的数量。激光直接成型技术(LDS)是生产模塑互连器件的一种创新工艺,该技术由LPKF 激光电子股份有限公司(LPKF Laser & Electronics AG)开发。这一技术可以将导体轨附加到热塑电路载体上,令电路设计的修改变得简单、经济、灵活,并且无需使用腐蚀性化学品,电气/电子元件行业正在利用LDS技术的优势。朗盛公司半结晶产品事业部的LDS专家Ralf Jantz说:“这一技术令我们在汽车工程领域看到了巨大的潜力,例如可以应用在传动轴编码器、传感器壳体、、控制器壳体、方向盘模块和电子锁系统的生产中。”朗盛公司目前销售多种定制的Pocan (保根)牌号的聚酯产品用于这些部件的生产。

LDS方法基于热塑性塑料,该塑料含有一种有机金属复合物形态的添加剂。当三维部件注塑成型后,激光在其三维表面“刻蚀”高分辨率的电路图形。在这一过程中,激光光束将表面的聚酯层蒸发,活化了下层添加物中的金属原子。在化学镀槽中,被活化部分覆上铜层,之后如有必要还可以通过电镀技术对铜层加以强化。根据应用的不同,还可在铜层上电镀镍、金等其他金属层。

朗盛公司为LDS工艺开发的Pocan 聚酯产品可以有效控制整个工艺过程中的各个步骤,从原材料选择和注塑、到激光刻蚀、镀金属,如果需要还可进行焊接工艺。例如,Pocan DP T7140 LDS是高温应用的理想材料,该高耐热牌号材料具有250 ℃的热变形温度(Bf),因此适用于回流焊和蒸气焊工艺。实际测试证明,该材料可以承受电子元件在无铅焊锡焊接时的温度。很多模塑互连器件应用都需采用类似的焊接过程。

Pocan DP7102用于无失真模塑互连器件的经济型注塑,具有出色的表面质感。该材料具有良好的流动特性,因此保证了高生产率。Pocan TP 710-003则是经过特别设计,用于制造挤出型材然后通过LDS工艺制成电路载体。

朗盛公司现在正针对LDS工艺努力拓展其Pocan 系列产品。Jantz表示:“例如,我们正在开发具有阻燃特性的材料,以满足UL 94(美国保险商实验室协会)的V-0级别标准,还在开发弹性体改性材料以满足制造更高强度材料的应用需求。”

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