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片状模塑料(SMC)在汽车造中的应用

时间: 2011-07-17 18:00 来源: 作者: 点击:

片状模塑料(SMC)近年在汽车业的应用日渐普及,并以此造三类汽车零件。本文首先概述SMC在汽车造业的应用,然后介绍减少重量及成本的SMC汽车零件的研究发展情况,最后道出该材料未来面对的挑战。

片状模塑料(Sheet Moulding Compound,简称SMC)是用上、下塑料薄膜裹覆着聚酯树脂、短切玻璃纤维、填料和辅助材料的片材,是用途广泛的模压合材料品的半成品。与钢汽车零件相比,模压成型SMC汽车零件具有许多优点,如:生产周期短,便于汽车改型,投资效益较好;重量较轻,节约燃油,排污较少;设计自由;件的整体性好,零件的数量很少;耐用性和隔热性好等。SMC的缺点包括:不可回收,污染环境;虽然性能价格比较好,但一次性投资(如SMC机组、压机和模具)往往高于对应的钢件。

SMC汽车零件分为三类:一、功能件,如机油盘、隔热板等,要求耐高温和耐油腐蚀;二、车壳外板,全世界轿车、轻型货车的外板价值300亿美元/年,而SMC外板所占比率很小(只有美国例外),但具有A级表面精度的SMC车壳(特别是发动机罩)发展很快;三、结构件,如散热器托架、横梁(cross car beam),Taurus和Mercury Sable轿车的前围的下散热器SMC托架只有二件(原钢的有22个零件),重量大减,成本降低14%。

SMC在汽车造业的应用情况

SMC汽车构件是20世纪90年代美国最成功的合材料品之一。在2000年SMC市场中,美国和欧洲汽车SMC消耗量的占有率分别为70%和42%。

美国新颍SMC汽车构件的实例如下:2001 Cheverolet 1500系列Silverado 4x4 Extended cab车的后挡板,用SMC/SRIM成型合材料成;2001 Ford Ranger XLT 4x4车的发动机罩和前脸是SMC的(Budd公司模压);2001 Pontiac Azotek车具有SMC大灯托架,其重量和零件数目比原来钢托架大减;2001 Cheverolet Corvette车的前地板是SMC蒙皮/balsa木芯的夹芯结构,厚度15mm,重量15kg,比原来钢地板更轻,刚度更高,明显地降低了发动机产生的振动和噪音;2001 Cheverolet Avalanch Ultimate Utility Vehicle车的中、后门内饰板,由SMC/SRIM成型合材料成,比原来内饰板的耐压痕性和耐腐蚀性更好。

轿车车壳是SMC的难关和新成就之一。其表面精度要求严格,必须达到A级表面精度,即LORIA波纹指数。为达到此指标轿车通常可采用烤漆技术,换言之SMC车壳必须经受烤漆的高温。1969年International Harvester货车SMC发动机罩面世,导致SMC像潮水般涌入重型货车市场;1978年模压SMC开始采用模内涂层(IMC),使技术更上一层楼;1982年开始采用低糙度SMC配方和真空模压技术,使A级表面精度技术日臻成熟;1994年开始掌握回收SMC技术,但因成本太高和难度太大,而不能推广实施;1998年Corvette牌轿车的内饰板开始采用低密度SMC(用空心玻璃微珠做填料)模压成型,比重由原来的1.9降到1.4,为轻质SMC(也即:汽车节能)另辟蹊径。

轻质、高强SMC汽车零件的研究与开发

减轻汽车重量

“减轻汽车重量”是汽车造业的重要课题。其主要途径包括:借助于有限元计算方法,科学地设计SMC零件的结构,提高其效率;选用最佳SMC原材料(如低密度填料)和模压工艺,使零件减薄;减少SMC配方填料和纤维的含量;尽可能选用夹芯结构、混杂系统材料。

降低SMC密度的方法有:选用空心玻璃微珠做填料,SMC密度可降到1.4~1.5g/cm3;借助添加剂,使GF含量和品的物理性能最佳;模压前模压件表面涂敷密封底漆和模内涂层,使品达到A级表面精度;选用表面涂覆了聚酯和乙烯基酯浸润剂的GF代替普通GF,可使模压品的重量减轻65%,弯曲模量大于30GPa,拉伸强度大于400MPa。

目前一些乘用车的SMC壳体比别的材料壳体较厚(普通SMC壳体的厚度为2.5~3mm);DSM公司的目标为2mm或更薄;法国雷诺公司第三代Espace轿车SMC壳体厚2.1~2.3mm,密度为1.6g/cm3;Isuzu轻型货车的前脸选用低密度(1.4g/cm3)、A级表面精度的SMC模压,重量比普通SMC轻30%。有的SMC壳体上只有一条加强筋,减薄的潜力很小。

30% GF/热固性改性丙烯酸树脂的SMC(日本Mitsubishi Rayon Co研),添加了特种浸润剂(sizing),提高了树脂与GF的浸润性。可沿用现有的SMC机组生产。品的收缩率为7%~8%,大于聚酯SMC(收缩率为3%);耐老化和光泽保留率极好;褪色率只是聚酯SMC的一半。

降低成本

降低成本是提高商品竞争力的关键因素之一。SMC发动机罩的成本低于铝合金和聚对苯二甲酸已二醇酯(PET)发动机罩,但高于钢发动机罩,其主要原因是SMC车壳表面的瑕疵多,修理费时费力,喷漆质量差,二次加工费昂贵(是钢车壳的3.6倍)。近日出现了真空挤出热塑性混合料处理SMC零件表面瑕疵的新技术。

另外,采用科技含量高的先进技术和科学管理,可以提高SMC零件的各项生产指标,例如从1986至1996的十年间,繱MC零件的生产周期从135秒/件降到90秒/件;次品率由10%降到5%;边角料所占比率由5%降到2%;正常运转时间(uptime)所占比率由75%升为90%。这样就大幅度降低了SMC零件的成本。

SMC品的基准产量与机遇挑战

从理论上讲,SMC品客观上存在一个基准产量(crossover point),当某件SMC品的实际产量低于此基准时,它的价格低于同类钢零件;超过此基准时则高于钢零件,该基准随着科技进步和市场扩大而递增。美国权威机构 IBIS Associates的科学论说明,1986年的基准产量为7万件/年,十年后约上升为15万件/年。目前北美半数以上的SMC零件生产公司的产量都小于10万件/年,由此可见,SMC的汽车市场潜力很大。

生产实践和科学研究指出,SMC不失为较科学、理想的新型汽车壳体材料。在未来开发节能、环保的新车、快速改型换代、小批量投产方面,它将起着重要作用。随着新车型不断涌现,势必产生新课题和新风险,例如如何减少由于采用SMC导致汽车造商的投资风险?如何提高SMC车壳的性能和质量,在与钢、铝车壳的竞争中稳操胜券?这些都是摆在面前的艰巨任务。

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