汽车复合材料的主要加工工艺和技术

作者:文/意大利朗基尔股份有限公司上海代表处 蒋鼎丰 文章来源:AP《汽车塑化》2008年第3期 点击数:15 发布时间:2015-06-10
作为一种可设计的材料,汽车复合材料的制造工艺技术多达几十种,并且不断有新的创新技术被开发出来。本文主要介绍了6种常用的汽车复合材料制造工艺,它们各具特色,企业在选择确定采用何种工艺方法时,可根据企业的基本情况以及汽车主机厂对零部件的具体技术要求进行综合考虑。

作为一种可设计的材料,汽车复合材料的制造工艺技术多达几十种,并且不断有新的创新技术被开发出来。本文主要介绍了6种常用的汽车复合材料制造工艺,它们各具特色,企业在选择确定采用何种工艺方法时,可根据企业的基本情况以及汽车主机厂对零部件的具体技术要求进行综合考虑。

世界上第一辆全复合材料车身的汽车诞生55年以来,随着汽车工业的快速发展以及大众环保意识和节能意识的不断增强,尤其是在世界能源危机和石油涨价而使得汽车工业向轻量化方向发展的大背景下,作为汽车轻量化主流轻质材料之一的汽车复合材料的材料性能和加工工艺技术也因此而得到了快速发展。现在,无论是欧、美、日等汽车工业发达国家,还是中国、巴西和印度等汽车工业快速发展中国家,都已在汽车制造中大量采用汽车复合材料,涉及的车辆有商用车、乘用车、工程车、农用车、运动车以及休闲车、军用车和摩托车等几乎所有的车种,主要应用范围也从外履件发展到汽车的各个部分,可以说从车头到车尾,从外饰件到内饰件,从A级表面的车身面板到结构件、半结构件,从车门、车窗到车盖、车顶,从皮卡车厢、车身底护板到发动机气门盖、油底壳,从座椅骨架、底盘到储气罐、传动轴和板弹簧等,到处都有汽车复合材料的应用。那么,这些形状各异、技术性能各不相同,甚至规格和产量规模都相差甚远的汽车复合材料零部件是如何生产出来的呢?其主要生产工艺有哪些?与常规金属汽车零部件生产相比又有什么优缺点?……,我们知道,汽车复合材料是一种可设计的材料,能够方便地实现整体综合优化设计。其中汽车复合材料制造工艺的可设计性带给了汽车复合材料制造行业无穷的想像力和创新机会。目前,我们己知的汽车复合材料制造工艺技术就多达几十种,并且还处于不断的创新发展之中。由于篇幅有限,本文就汽车复合材料主要且常用的6种加工工艺和技术做一初步介绍。

手糊成型工艺和技术

简单地说,手糊成型工艺(Hand Lay-up Molding)是手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上,然后用压辊滚压压实脱泡,最后在常温下固化成型为汽车复合材料制品,如图1所示。尽管在现代汽车复合材料成型新工艺不断涌现的情况下,手糊成型工艺显得比较原始,但是,该工艺却具有其独特的不可替代性,仍然为世界各国汽车复合材料行业特别是中国汽车复合材料行业所广泛采用。

图2所示为手糊成型工艺流程 。从该工艺流程可以看出,手糊成型工艺具有以下优点:不需要复杂的设备和模具,投资低;生产技术容易掌握,且产品不受尺寸形状的限制,适合小批量和大型制件的生产;可与其他材料如金属、木材及塑料泡沫等同时复合制成一体。这些优点使得手糊成型工艺至今仍然作为汽车复合材料的一种主要成型工艺而被用于小批量地加工各种汽车复合材料制品,如客车和重型卡车的前/后围面板、高顶、导流罩、引擎罩盖、保险杠、挡泥板以及休闲车、农用车的车身等。此外该工艺还被用于新车开发,如制造慨念车和新车样件试制。

手糊成型工艺的缺点是生产效率低,生产周期长,工作环境差,因此对于大批量车型的产品不太适合。此外,由于这种工艺与操作人员的技能水平和制作环境条件有很大的关系,受此影响,在我国,由手糊成型工艺生产的汽车零部件的质量往往不够稳定,从而影响了汽车复合材料的声誉。

需要说明的是,手糊成型工艺并不是劣质汽车复合材料零部件的代名词。只要严格按照手糊成型工艺的流程和工艺规范,准确掌握手糊工艺的技术要领,同样能够制作出一流水平的汽车复合材料制品。实际上,国外很多昂贵和精致的高档跑车以及在展会上熠熠生辉的很多概念车均出自于手糊成型工艺之手。图3所示的Chevrolet Corvette跑车,其车身即为用手糊成型工艺生产出来的。

喷射成型工艺和技术

如图4所示为喷射成型工艺(Spray Up Molding)示意图。该工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出,同时将切断的玻纤无捻粗纱由喷枪中心喷出,使其与树脂在空间均匀混合后沉积到模具上。当沉积到一定厚度时,用压辊滚压使纤维浸透树脂,排除气泡,在经常温固化后成型为汽车复合材料制品。喷射成型工艺是在手糊成型工艺的基础上发展起来的。由于该工艺是借助于机械的手工操作工艺,因此也被称为“半机械手糊成型工艺”。图5所示为该工艺的工艺流程。

与手糊成型工艺相比,喷射成型工艺的效率提高了2~4倍甚至更高。其优点是:由于使用无捻粗纱代替了手糊工艺的玻璃纤维织物,因而材料成本更低;成型过程中无接缝,这使得制品的整体性和层间剪切强度更好;可自由调节产品的壁厚、纤维与树脂的比例以及纤维的长度,因而满足了汽车零部件的不同机械强度要求。由于喷射成型工艺具有效率高、成本低及产品尺寸形状不受限制的优点,因此该工艺在国外汽车复合材料行业中,有逐步取代传统的手糊成型工艺的趋势,例如,客车和重型卡车的很多前/后围面板、侧面护板、高顶及导流罩等都已由喷射成型工艺制作。

喷射成型工艺的缺点是:产品的均匀度在很大程度上取决于操作人员的操作熟练程度;由于喷射成型的树脂含量高且增强玻纤短,因而制品强度较低;阴模成型比阳模成型难度大,小型制品比大型制品生产难度大;生产现场工作环境恶劣,环境污染程度一般均大于其他的工艺方法;初期投资比手糊成型工艺大。尽管如此,近年来,喷射成型工艺的缺点正在得到极大的改善。在国外,已采用机械手编程来替代人工喷射,从而大大提高了产品质量的稳定性,原材料的损耗也被明显降低。同时,通过对生产现场采取全封闭的管理措施以及进行空气排放处理,使得环境污染问题得到明显改善。图6所示为采用喷射成型工艺生产的KENWORTH重卡高顶。

缠绕成型工艺和技术

缠绕成型工艺(Filament Winding)是在控制纤维张力和预定线型的条件下,将浸过树脂胶液的连续纤维(或布带、预浸纱)按照一定的规律连续地缠绕到相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上,然后在室温或加热条件下使之固化、脱模,获得一定形状的汽车复合材料制品,如图7所示。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同,分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。其中,湿法缠绕的应用最为普遍。湿法缠绕工艺顾名思义是将连续玻璃纤维粗纱或玻璃布带浸渍树脂胶后,直接缠绕到芯模或内衬上而成型并经固化的成型方法。而干法缠绕一般仅用于高性能、高精度的尖端技术领域中。

纤维缠绕成型工艺的优点是:能够按产品的受力状况设计缠绕规律,以充分发挥纤维的强度;比强度高。一般来讲,纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比,重量可减轻40%~60%;可靠性高。纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产,工艺条件确定后,缠出来的产品质量稳定、精确;生产效率高。采用机械化或自动化生产,只需少数操作工人,缠绕速度快(240m/min);成本低。在同一产品上,可合理配选若干种材料(包括树脂、纤维和内衬),使其再复合以达到最佳的技术经济效果。现在用纤维缠绕成型工艺生产的CNG/LPG高压气瓶、传动轴和板状弹簧等已广泛应用于大客车、轿车和卡车上。纤维缠绕成型工艺的缺点是:缠绕成型适应性小,不能缠任意结构形式的制品,特别是具有凹形表面的制品。这是因为缠绕时,纤维不能紧贴在芯模表面,而是处于架空状态;缠绕成型需要有缠绕机、芯模、固化加热炉、脱模机及熟练的技术工人,不仅投资大,而且技术要求高,因此只有大批量生产时才能获得较大的经济技术效益。图8所示为采用纤维缠绕成型工艺生产的CNG乘用车用高压气瓶。

树脂传递模塑成型工艺和技术

树脂传递模塑成型工艺(Resin Transfer Moulding)简称RTM。该技术始于1950年代,是从湿法铺层手糊成型工艺和注塑成型工艺中衍生出来的一种新的闭模成型工艺。该工艺一般是在模具的型腔中预先放置玻璃纤维增强材料(包括螺栓、螺帽或聚氨酯泡沫塑料等嵌件),闭模锁紧后,将配好的树脂胶液在一定的温度和压力下,从设置于适当位置的注入孔处注入模腔,浸透玻纤增强材料,然后一起固化,最后启模、脱模,得到两面光滑的汽车复合材料制品。图9所示为RTM工艺示意图。

图10所示为RTM的工艺流程。由于是一种闭模成型工艺,因此RTM的优点是:无需胶衣涂层,即可使构件获得双面光滑的表面;在成型过程中散发的挥发性物质很少,有利于工人的健康和环境保护;模具制造与材料选择的机动性强,不需要庞大、复杂的成型设备就可以制造出复杂的、有极好制品表面的大型构件;根据设计需求,增强材料可以按任意方向铺放或局部增强,因而容易实现按制品受力状况铺放增强材料的目的。成型效率高、投资少以及易实现自动化生产的特点,使RTM工艺日益为汽车复合材料行业所重视,并逐步成为取代手糊成型、喷射成型的主导成型工艺之一。目前,RTM工艺在汽车制造业中的应用已非常广泛,如乘用车的车顶、后厢盖、侧门框和备胎仓,以及卡车的整体驾驶室、挡泥板和储物箱门等都有用RTM工艺生产的。图11所示是用RTM工艺生产的ASTON MARTIN跑车的车身侧围板。

当然,RTM工艺也存在一些不足,如:双面模具的加工费用较高;预成型坯加工生产设备的投资大;对原材料(树脂和玻纤材料)和模具质量的要求高,以及对模具中的设置与工艺要求严格等。目前,对RTM成型工艺的研究和推广不断取得新的进展,主要研究方向集中在:微机控制注射机组、增强材料预成型技术、低成本模具、快速树脂固化体系及工艺稳定性和适应性等方面,涌现出了一系列改良的RTM成型工艺,如Lite-RTM、VARTM、VIP和TERTM等。

模压成型工艺和技术

模压成型工艺(Compression Molding)是复合材料生产中最古老而又富有无限活力的一种成型方法。它是将一定量的预混料或预浸料加入金属对模内,经加热、加压固化而成型的一种方法,如图12所示。模压料的品种有很多,可以是预浸物料、预混物料,也可以是坯料。当前常用的模压料品种有:热固性复合材料,包括SMC、BMC和TMC等;热塑性复合材料,包括GMT、D-LFT和G-LFT等。

在提到模压成型工艺技术时,我们特别要提到汽车复合材料工业广泛应用的热固性复合材料SMC和热塑性复合材料GMT模压成型工艺。

SMC(Sheet Moulding Compounds)又名片状模塑料,是一种带流动性能的预浸材料,其物理形态是一种类似“橡皮”的夹芯材料,“芯材”由经树脂糊充分浸渍的短切玻璃纤维(或毡)组成,上下两面为聚乙烯薄膜所覆盖,以防止空气,灰尘、水汽及杂质等对材料的污染以及聚酯树脂交联剂苯乙烯的挥发损失。树脂糊里含有聚酯树脂、引发剂、化学增稠剂、低收缩率添加剂、填料、脱模剂和颜料等组分。SMC主要采用金属对模的模压成型工艺,其压制工艺过程相对比较简单,主要包括片状模塑料的制备和成模两部分。由于SMC的组成比较复杂,每种组分的种类、质量、性能及其配比等对SMC的生产工艺、成型工艺及最终制品的性能、价格等都有很大的影响,因此,对组分、用量和配比等进行合理的选择,对于制造优良的汽车SMC零部件具有十分重要的意义。图13所示为SMC模压成型工艺流程。

GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)又名玻纤毡增强热塑性塑料片材,是一种用玻璃纤维针刺毡或原丝毡增强的热塑性塑料半成品片材。GMT片材的成型通常有两种:一是连续玻璃纤维毡或针刺毡与热塑性塑料层合而成,另一种则是随机分布的中长纤维与粉末热塑性树脂制成的片材。前者适合于冲压模压成型,其制品的形状一般比较简单。后者的流动性较好,适合于流动模压成型,适于成型形状较为复杂的汽车零部件。与金属材料相比,GMT的密度约为钢材的1/6~1/7,具有耐腐蚀以及隔热、隔音和绝缘性好的优点,可一次加工成型复杂的制品;与SMC片状模塑料相比,GMT具有极长的贮存期,制品的成型周期是SMC的1/3~1/4,并且冲击韧性好,可回收利用。基于以上特点,GMT在汽车工业中的应用范围不断扩大,应用量不断增加,正越来越多地代替金属和热固性复合材料。

与SMC相似,GMT也是采用金属对模的模压成型工艺,所不同的是SMC的固化成型是化学反应,而GMT的冷却成型是物理变化,成型所要求的工艺参数和对压机、模具的技术要求是不相同的。GMT成型工艺的特点是:片材必须先预热(加热至220~230℃),成型压力高(10~25Mpa),成型温度低(35~50℃),成型周期短(30~60s)。GMT模压成型工艺流程如图14所示。

总之,模压成型工艺的主要优点是:生产效率高,便于实现专业化和自动化大批量生产;产品尺寸精度高,重复性好;表面光洁,无需二次修饰;能一次成型结构复杂的制品;由于可批量生产,因此价格相对低廉。这些优点使得模压成型工艺特别适合汽车工业要求批量大、精度高及互换性好的生产特点,是目前汽车复合材料工业中最为普遍采用的成型工艺,尤其是乘用车上的复合材料零部件80%均由模压成型工艺制成,如引擎盖、车门、后厢盖、后举门、车顶、前端框架、仪表台骨架、车门中间承载板、座椅骨架和底部护板等。

模压成型工艺的不足之处在于模具制造复杂,投资较大,加上受压机限制,使其更适合于生产中、大批量的汽车复合材料制品(热固性汽车复合材料制品在100,000件/年以内,热塑性汽车复合材料制品在1,000,000件/年以内)。随着金属加工技术、压机制造水平及合成树脂工艺性能的不断改进和提高,压机吨位和台面尺寸不断增大,模压料的成型温度和压力也相对降低,使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展,目前已能生产的大型汽车部件如模压重卡高顶、MPV车顶、皮卡车厢、重卡驾驶室侧围板等。图15所示即为模压成型工艺生产的2001福特Explorer Sport Trac SMC皮卡车厢。

LFT-D成型工艺技术

LFT-D成型工艺(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct)是继GMT和LFT-G之后又一种新的长纤维增强热塑性复合材料工艺技术,是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术,它区别于GMT和LFT-G的关键因素是半成品步骤被省去了,而在材料的选择上更加灵活,是近年来在汽车复合材料行业中最受关注和市场成长最快的一种崭新的成型工艺技术。在LFT-D技术中,不仅纤维的含量和纤维的长度可以直接调节到最终部件的要求,其基体聚合物也可以直接调节到最终部件的要求。通过使用不同的添加剂可以改变和影响制品的机械和特殊应用特性,如热稳定性、着色性、紫外稳定性和纤维与基体的粘结特性等,这也意味着每一种特殊应用都可以通过LFT-D获得其独特的材料配方。

LFT-D的典型工艺流程是,将聚合物基体颗粒(主要是PP)和添加剂输送到重力混合计量单元中,根据部件的机械性能要求进行材料的混配。经混配好的原料再被送入双螺杆挤出机中进行塑化,熔融的混合物通过一个薄膜模头形成类似瀑布的聚合物薄膜,该聚合物薄膜直接被送入到双螺杆混炼挤塑机的开口处。此时,玻璃纤维粗纱通过特别设计的粗纱架,在经过预热、分散等程序后被引入到聚合物薄膜的顶端与薄膜汇合一同进入到双螺杆挤塑机中,由螺杆切割粗纱,并把它们柔和地混合到预熔的聚合物当中,然后直接送入压制模具中成型或者推压进注射模具成型,如图16所示。

LFT-D成型工艺的优点主要有两个:一是成本低。由于是直接一步法生产,因此由LFT-D生产的大型结构部件比两步法生产的GMT或LFT-G压制部件的成本低20%~50%;二是制品的综合性能优异。LFT-D压制成型制品的抗冲击性能比GMT稍低一些,但由于比LFT-G成型后的纤维长很多,因此其抗冲击性能明显比LFT-G高得多。另外,大量的研究表明,LFT-D注塑的生产效率比采用标准LFT-G粒料的生产效率高,因为LFT-D低的塑化要求改善了纤维被剪断的可能性。对于成型周期超过1min的部件,用LFT-D注塑设备在30s内就能完成。LFT-D成型工艺的缺点主要是制品厂需要加大对LFT-D成型工艺以及材料、配方等的研究投入。图17所示为采用LFT-D生产的2003大众Golf V前端框架。

结束语

从上述汽车复合材料成型工艺技术的初步介绍中,我们可以了解到每一种工艺技术均有其自身的特点。汽车复合材料企业在选择确定采用何种工艺技术方法时,需根据企业的基本情况以及汽车主机厂对零部件的具体技术要求,如产品的批量及其质量要求,以及企业的技术基础和生产资金情况等因素进行综合考虑。在此,特别提请注意的是:汽车复合材料的成型工艺技术并不仅是以上介绍的6种,而是有几十种之多。不仅如此,汽车复合材料制造工艺的可设计性特点意味着今后还将有更多的创新成型工艺不断涌现;汽车复合材料的成型工艺技术从开放式走向闭模式是一个发展趋势。相比之下,闭模式工艺更环保、更节约且质量更好;热固性汽车复合材料和热塑性汽车复合材料各有特点和用途。需要强调的是,热固性汽车复合材料成型工艺技术并不会在竞争中消失,而是会与热塑性汽车复合材料一道,取长补短,共同发展;以LFT-D为代表的连续长纤维增强热塑性汽车复合材料成型工艺技术将会得到强劲的发展,尤其在乘用车轻量化过程中替代金属结构件、半结构件中将发挥重要的作用。图1 手糊成型工艺示意图图2 手糊成型工艺流程图3 用手糊成型工艺生产的跑车车身图4 喷射成型工艺示意图图5 喷射成型工艺流程图6 采用喷射成型工艺生产的重卡高顶图7 纤维缠绕成型工艺示意图图8 采用纤维缠绕成型工艺生产的CNG车用气瓶图9 树脂传递模塑成型工艺示意图图10 RTM的工艺流程图11 用RTM工艺生产的车身侧围板图12 模压成型工艺示意图图13 SMC模压成型工艺流程图14 GMT模压成型工艺流程图15 SMC模压成型工艺生产的皮卡车厢图16 LFT-D成型工艺技术图17 用LFT-D成型工艺生产的前端框架

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