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宝马汽车致力于塑料应用

时间: 2011-07-14 20:05 来源: 作者: 点击:

在汽车讲求轻量化的时候,塑料在这领域找到它的用武之地。无论是车身、内饰件以及外饰件等地方,都可以找到不同种类的塑料应用。作为全球最大的汽车制造商之一,宝马(BMW)也因应潮流所趋,使用了大量的塑料。


宝马M3 CSL汽车

宝马汽车在德国慕尼黑设有2家工厂,分别位于Landshut及Dingolfing,两厂共有员工超过26,000名,负责零部件制作、车款开发及组装工序,用于各款宝马汽车、摩托车以至一级方程式赛车。Landshut工厂生产合金、塑料外饰件及内饰件,以及汽车传动轴和备用发动机;Dingolfing则以组装为主,特色之处是其组装线灵活性高,一条组装线可装配4款不同型号的宝马汽车。

公司运作性能及材料开发总监Rudolf Stauber博士指出,现时轿车对减重的要求越来越高,所以有必要多采用塑料或轻金属来取替以往的铁制部件。以宝马7系为例,其总重量为1935千克,塑料部份占了14.5%。虽然这个数字可能还不太高,但Stauber博士预测,2005年聚合物及弹性体在汽车的使用将超过20%。

除了减轻汽车的重量外,Stauber博士还指出了几项未来汽车的发展重点:改善材料与环境的兼容性、提高司机及乘客的安全、提升实用价值,以及使用更多纳米技术。

宝马汽车现有使用的塑料大致包括热塑性塑料、热固性塑料、弹性体及热塑性弹性体等。如,与厚钢板制成的同类部件相比,革新性热塑性塑料车身侧板重量更轻,两块前侧板可降低每车重量大约4公斤。这一设计理念可进一步增强宝马6系车型的行驶动力性能。另一重要的优点是,采用塑料部件,宝马设计师可继续确保宝马6系Coupe和敞篷车型侧板从头至尾的优美线条。如果采用传统钢结构,不可能以同样方式将侧面装饰件整合于侧板内。而且,热塑性塑料作为一种可逆向成型的材料,与钢质材料相比,在一些碰撞中如停车时可能造成的轻微碰撞不会造成严重影响。

碳纤维增强塑料应用

宝马塑料应用的一个重点发展项目是重量轻的复合材料―碳纤维增强塑料(CFP)。宝马BMW FW25单壳式一级方程式赛车就是利用这种超强的轻质材料制成。该材料的特点是:

1. CFP可大幅度减轻汽车重量,特别适合制作车体部件。现代汽车中,车体占整车重量的15~20%,采用CFP塑料制成车体部件,其重量比铝材和钢材分别轻30%和50%以上。即,这一先进材料可减轻整车重量达10%。

2. 除了大幅度减轻整车重量之外,CFP塑料车体部件的最大优势在于其在碰撞时表现出优异的强度和刚度。碳纤维厚度大约为0.007毫米,受力主要集中在纤维本身的定向流方向。因此,可选择合理的排列,将纤维彼此层叠构建,从而优化CFP塑料的特色功能和特性,将其调整到预期的强度和负载条件。

3. CFP塑料的另一优势是可制成高度整合的超大型车体部件,这些部件如果用铝材或钢板制成,制作过程十分复杂。这样,为车体设计和建造等方面提供了巨大优势,固定和支承等功能可直接整合于部件本体之中。即使复杂的结构件或整车模块,均可用同一模具一体化制作,从而减少车体所需部件的数量。

通过Landshut厂CFP塑料专家、宝马研究革新中心专家和宝马公司汽车工程师的密切合作而开发和设计,宝马BMW M3 CSL型汽车的车顶充分体现了采用轻质CFP增强车体结构的优势。为了保证部件所需的稳定性之外,考虑材料的光洁度和外观,还采用了最佳的生产流程,以利用透明层漆面展现CFP材料的组织结构。BMW M3 CSL型汽车车顶在Landshut厂分三个生产阶段制成。第一阶段中,将5层专用碳纤维层叠放置进行预成型。这一阶段的重要要求,同时也是这一过程的一项重大革新,是确保碳纤维妥善排列,准确到位,具备合理的结构,提供车顶所需的稳定性和外观。第二阶段是树脂压铸(RTM)注射工艺,将已预成型的多层碳纤维垫放入1,800吨压机,将透明型环氧树脂注射到材料之中。然后,车顶在高温模具中硬化,最后,由机械手从模具中拆除,漆上透明漆。

这一新的生产流程在全球属首次系列化应用,它体现了两个特点:首先,由于生产流程高度自动化,车顶制造所需的时间至少缩短了1/5。其次,与钢质车顶相比,宝马M3 CSL型汽车的车顶重量减轻了50%或6公斤。

仿真软件的应用

虚拟现实技术是设计中的重点技术,通过三维(3D)演示,使计算结果“有形化”,从而使整个开发队伍得到工作和结果的确实概念。在研制车身蒙皮革新部件的过程中,宝马采用了最先进的仿真法。如,在将塑料灌注于注射成型的车身侧板模具时,充分考虑了各种高温和机械因素,始终采用计算机辅助仿真程序。由此,宝马公司塑料技术专家优化了各部件的功能特色和品质。

侧板注射成型模具

左右侧板采用热塑性材料通过注射成型工艺制成。这一工艺中所用的注射成型模具,充分考虑了各个搭接点和工段,当然,也考虑了部件的复杂设计。因此,这是当今汽车制造业中最复杂的模具。侧板的特定外形和设计,要求采用至少9块滑动件,以形成水管、保险杠连接件、车门弯曲部分和轮罩法兰。当中的挑战是,热塑性塑料要求严格控制模具内温度,连同滑动件一起,必须能在120℃高温下顺利移动。另一要求是,必须确保宝马汽车保持高标准表面质量,不得留下模具或滑动件压印。

为了达到上述标准,宝马公司塑料技术专家自行开发了这一模具及其配套理念。结果,开发出了一套三压板式模具,其中,第三压板作为专用刮板机架。这一模具用于注射成型机上,能产生3200吨的闭模压力。材料的总体收缩率为1.7%,模具内收缩率大约为1%。清楚显示了极高的稳定力。

为防止滑动件在注射过程中移动,异型滑块必须精确设置和调整,公差在0.02~0.03毫米范围内。注射成型之后,5轴式机械手将部件拆除,模具及围绕工件整个周边的搭接件不会对部件造成任何损伤。然后,将注塑件从其它链段中切下,放置于冷却计上。

在下一工序中,一套全自动机械手将增强件由里向外粘贴在侧板内。粘贴之前进行等离子加工过程是预处理阶段中十分重要的工序,其目的是保证粘胶得到最佳粘接。最后,考虑到热塑性塑料部件的膨胀性,必须精密设置生产用模具和模头,精度达到数十分之一毫米。

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