汽车部件联姻增强聚丙烯材料的多样分析
http://www.packltd.cn 时间:2015年4月10日 关注数:592 次 |
摘要：长玻纤增强聚丙烯材料在汽车部件上的研究与应用，是近年来的热点之一。本文简述长短玻纤增强聚丙烯材料的特点，对长玻纤塑料在前端模块、仪表板骨架、车门模块等典型部件应用进行分析。
长玻纤增强聚丙烯塑料指含有玻璃纤维长度在10到25mm的改性聚丙烯复合材料，经过注塑等工艺形成三维结构，英文为 Long Glass
Fiber polypropylene，简写为LGFPP。国内外亦有很多资料将长纤维增强热塑性塑料简称为LFT，即 Long-fiber
reinforce thermoplastic的缩写。从材料定义看，LGFPP属于LFT的一种。
材料特点
微观结构决定宏观性能，因此10~25mm长玻纤增强塑料(简写LGFPP)相比普通4~7mm短玻纤增强塑料(简写GFPP)具有更高的强度、刚度、 韧性，以及尺寸稳定性、翘曲度低等优势。此外，长玻纤增强聚丙烯材料即使经受100℃的高温也不会产生明显的蠕变，且比短玻纤增强聚丙烯有着更好的抗蠕变 性能。
在注塑成品上，长玻纤交错成立体网络结构，即使聚丙烯基材灼烧后，长玻纤网络仍形成一定强度的玻纤骨架，而短玻纤灼烧后一 般则成无强度的纤维骨架。造成这种情况，主要因为增强纤维的长径比值决定增强效果，临界长径=L/D，临界长径比小于100的填料和短玻璃纤维没有增强作 用，而临界长径比小于100 的长玻璃纤维则起到增强作用。
与金属材料和热固性复合材料相比，长玻纤塑料密度低，相同部件重量可 减轻20~50%;长玻纤塑料能为设计人员提供更大的设计灵活性，比如可成型形状复杂的部件，集成零部件使用数量，节约模具成本(一般长玻纤塑料注塑模具 的成本约为金属冲压模具成本的20%)，减少能耗(长玻纤塑料的生产能耗仅为钢制品的60~80%、铝制品的35~50%)，简化装配工序。
汽车典型应用部件有哪些
基于长玻纤材料的应用优势，其在汽车应用已越来越广泛，在主流车型新车型上，我们已越来越多看到以下部件采用长玻纤增强聚丙烯材料，长纤维增强聚丙烯被 用于轿车的仪表板本体骨架、电池托架、前端模块、控电盒、座椅支撑架、备胎盘、挡泥板、底盘盖板、噪音隔板、后车门框架等。
下面，就几个长玻纤塑料典型应用部件介绍。
前端模块：对于汽车前端模块，采用PP-LGF30材料，可将散热器、喇叭、冷凝器、托架等超过10个传统金属件集成于一个整体;相比金属件更耐腐蚀，密度小、重量减轻约30%，具有更高的设计自由度，可直接回收无需分类处理;降低了制造成本，有明显的降本优势。
大众、福特等外资品牌汽车前端模块塑料化成功应用多年。近年来，自主品牌车企逐步开始进行自主化设计与新材料应用研究。比如，上汽主导的FCV- 863项目，对前端模块实施塑料化，减重达3.03kg。长安汽车，在2011年车展并展示了款配有全塑料前端模块的CX30紧凑型轿车，将22个金属零 部件组成一个注塑成型部件，极大地简化了CX30车型的前端结构，使该部件减重高达40%，并且减轻了汽车总重量约4kg。长安逸动2015款塑料前端模 块原钢件10.13kg，塑料件6kg，预计减重4.13kg，减重率41%;并将推广应用到C201、C206、C2X等量产车型上。长城汽车2014 年6月量产的最新款汽车已采用塑料前端模块，重量减轻30%至4.7kg。江淮汽车目前也在量产车上推广塑料前端模块等产品。2011年，奇瑞汽车承担的 “纤维增强塑料前端模块开发及其在目标车型上集成应用”国家科技支撑计划项目，对塑料前端模块进行系统开发，并成功应用到量产车型(比如艾瑞泽7)上。
在卡车前端模块塑料化方面，SABIC与SCANIA合作成功开发了卡车前端框架，并形成模块化供货，将部件由5.15kg减重至3.29kg，减重效果达33%。
仪表板本体骨架：对于软质仪表板骨架材料，采用LGFPP比填充PP材料强度更高、弯曲模量更改，流动性更好些，在相同强度下，仪表板设计厚度可减薄从 而减重，一般减重效果约20%。同时，可将传统的多个部件仪表盘托架发展为单个模块。此外，仪表板前除霜风道本体、仪表板中间骨架选材，一般与仪表板本体 骨架采用同一种材料，可进一步提升减重效果。
2011，福特翼虎及福特Kuga仪表板(采用Trexel MuCell微孔泡沫注塑成型技术和SABIC的PP-LGF20制造)，和普通注塑制造的填充聚丙烯仪表板相比，此应用产品将每辆车减轻了 0.45kg，生产时间缩短15%，成本降低3美元。目前，宝马、奥迪等中高端软质仪表板骨架，大多采用长玻纤塑料制造作为仪表板骨架材料。比 如，2010年BMW公司7系轿车仪表板骨架通过采用长玻纤塑料，仪表板成品能够比传统材料重量降低20%。同时，长玻纤聚丙烯材料可与BMW公司自动化 整体发泡注塑技术相兼容;采用较少的原材料就能实现更高的强度和刚度，并且能够使仪表板具有更优良的性能。目前，宝马3/5/7系、奔驰E等高端汽车仪表 板骨架皆采用LGFPP材料。
合资品牌车企中，一汽大众、上海大众、长安福特等多款量产车的仪表板骨架均已采用LGFPP。在自 主品牌中，长城高端SUV仪表板骨架PP- LGF20代替改性PP由3mm减为2.2mm，并成功批量化生产。比亚迪腾势、上汽荣威550等中级以上乘用车的仪表板骨架也逐步采用LGFPP材料。
车门模块（车门中间板骨架）
曾经采用SABIC STAMAX长玻纤聚丙烯的现代索纳塔塑料车门模块，获得了在美国塑料工程师协会(SPE)创新大奖。新福特Fiesta车型前门模块集成了多种功能元 件，诸如门锁、车门玻璃升降器、扬声器、防盗装置等。马自达6车门内板，一汽奔腾B70等皆采用LGFPP制造。
换挡机构：换挡 机构主要采用金属材料和短纤维尼龙材料，目前，国外少数车型换挡机构骨架已尝试采用长玻纤增强聚丙烯材料替代短玻纤尼龙材料。尼龙材料容易吸水，成品件吸 水率一般在0.7%以上。在高温高湿环境下，存在发生失效的风险;若改为不易吸水的长玻纤聚丙烯材料，则可避免此类问题的发生。同时，采用长玻纤增强PP 材料，可起到减重降本的作用。
电子油门踏板：电子油门踏板臂需要承受较大的力，因此，其选用材料需要有极好的力学性能，较好的韧 性，在高低温下材料性能不能有大的变化。目前电子油门踏板臂以玻纤增强PA材料为主。泰科纳材料商曾成功用长玻纤塑料(牌号Celstran PP-LGF40/50)用于电子油门踏板上，如图9所示，具有低气味性且高强度的良好性能，比增强PA材料的成本低。
长玻纤塑料可用在座椅靠背，替代传统钢材骨架可实现减重20%、且优异的设计自由度和机械性能、扩大的乘坐空间等特点。
另外，长玻纤塑料可以制成电池托盘、天窗框架、备胎仓及备胎仓盖。福特KUGA(2010)采用PP-LGF40制成的后背门内板。
材料开发的难度和重点
减重降本一直是整车比较关注的话题，相比外资车企将PP-LGF作为轻量化新材料的成功应用，自主品牌在实施过程中还有许多困难需要克服。比如：
(1)树立理EVI(Early Vendor Involvement的缩写)概念：即材料供应商系统零件供应商，在概念开发阶段介入新车型项目，充分了解主机厂用户对材料的需求，从而提高更改性能的 产品和服务;如果仅以标杆车企用材作为选材依据，则在车型上市与标杆车已有约5年的选材差距。
(2)成本分析：若单纯从原材料成本考虑，每公斤塑料价格高于金属材料;但前期模具费用投入较少，塑料件注塑模具仅同部件钢质模具的50%，模压模具仅为同部件钢质模具30~40%;集成周边部件，模块化供货，可进一步节省主机厂装配等费用、减少装配工具、节约场地。
(3)其他方面：部件用材料种类的改变，材料收缩率变化需要开发新模具;同时针对长玻纤特殊材料，需要采用不同于常规注塑机等加工设备。虽然，作为外购件大部分技术攻关由一级供应商来承担进行，但在主机厂需要做好长玻纤材料产业化过程中的各种技术问题的应对措施。
在长玻纤增强塑料的应用开发方面，外资车企在应用开发方面更为深入和超前，国内自主品牌则更多地借鉴吸收应用外资车企的成熟应用案例和先进技术。
自主品牌中，长城汽车和上汽乘用车走在最前面，吉利、奇瑞、长安乘用车亦进行了大量的应用开发工作。长城汽车全面开展了塑料零部件产品的研究工作，部分 已量产应用;在国家项目的支持下，上汽在纯电动车E50等车型上研究使用许多LGFPP零部件。在行业内，以汽车轻量化联盟为依托，进行轻量化技术(含轻 量化材料技术)的交流与沟通;在公司内，搭建整车轻量化技术应用平台，及时将新材料新技术新工艺引入到整车开发中。
在材料替代方面，长玻纤塑料类制品可同时起到减重、降本的作用。之前是短玻纤尼龙材料代替金属材料，近几年随着轻量化材料应用开发，长玻纤增强聚丙烯材料在越来越多的汽车部件上逐步代替了短玻纤尼龙塑料，这样进一步推广了LGFPP材料在汽车上的研究与应用。
材料特点
微观结构决定宏观性能，因此10~25mm长玻纤增强塑料(简写LGFPP)相比普通4~7mm短玻纤增强塑料(简写GFPP)具有更高的强度、刚度、 韧性，以及尺寸稳定性、翘曲度低等优势。此外，长玻纤增强聚丙烯材料即使经受100℃的高温也不会产生明显的蠕变，且比短玻纤增强聚丙烯有着更好的抗蠕变 性能。
在注塑成品上，长玻纤交错成立体网络结构，即使聚丙烯基材灼烧后，长玻纤网络仍形成一定强度的玻纤骨架，而短玻纤灼烧后一 般则成无强度的纤维骨架。造成这种情况，主要因为增强纤维的长径比值决定增强效果，临界长径=L/D，临界长径比小于100的填料和短玻璃纤维没有增强作 用，而临界长径比小于100 的长玻璃纤维则起到增强作用。
与金属材料和热固性复合材料相比，长玻纤塑料密度低，相同部件重量可 减轻20~50%;长玻纤塑料能为设计人员提供更大的设计灵活性，比如可成型形状复杂的部件，集成零部件使用数量，节约模具成本(一般长玻纤塑料注塑模具 的成本约为金属冲压模具成本的20%)，减少能耗(长玻纤塑料的生产能耗仅为钢制品的60~80%、铝制品的35~50%)，简化装配工序。
汽车典型应用部件有哪些
基于长玻纤材料的应用优势，其在汽车应用已越来越广泛，在主流车型新车型上，我们已越来越多看到以下部件采用长玻纤增强聚丙烯材料，长纤维增强聚丙烯被 用于轿车的仪表板本体骨架、电池托架、前端模块、控电盒、座椅支撑架、备胎盘、挡泥板、底盘盖板、噪音隔板、后车门框架等。
下面，就几个长玻纤塑料典型应用部件介绍。
前端模块：对于汽车前端模块，采用PP-LGF30材料，可将散热器、喇叭、冷凝器、托架等超过10个传统金属件集成于一个整体;相比金属件更耐腐蚀，密度小、重量减轻约30%，具有更高的设计自由度，可直接回收无需分类处理;降低了制造成本，有明显的降本优势。
大众、福特等外资品牌汽车前端模块塑料化成功应用多年。近年来，自主品牌车企逐步开始进行自主化设计与新材料应用研究。比如，上汽主导的FCV- 863项目，对前端模块实施塑料化，减重达3.03kg。长安汽车，在2011年车展并展示了款配有全塑料前端模块的CX30紧凑型轿车，将22个金属零 部件组成一个注塑成型部件，极大地简化了CX30车型的前端结构，使该部件减重高达40%，并且减轻了汽车总重量约4kg。长安逸动2015款塑料前端模 块原钢件10.13kg，塑料件6kg，预计减重4.13kg，减重率41%;并将推广应用到C201、C206、C2X等量产车型上。长城汽车2014 年6月量产的最新款汽车已采用塑料前端模块，重量减轻30%至4.7kg。江淮汽车目前也在量产车上推广塑料前端模块等产品。2011年，奇瑞汽车承担的 “纤维增强塑料前端模块开发及其在目标车型上集成应用”国家科技支撑计划项目，对塑料前端模块进行系统开发，并成功应用到量产车型(比如艾瑞泽7)上。
在卡车前端模块塑料化方面，SABIC与SCANIA合作成功开发了卡车前端框架，并形成模块化供货，将部件由5.15kg减重至3.29kg，减重效果达33%。
仪表板本体骨架：对于软质仪表板骨架材料，采用LGFPP比填充PP材料强度更高、弯曲模量更改，流动性更好些，在相同强度下，仪表板设计厚度可减薄从 而减重，一般减重效果约20%。同时，可将传统的多个部件仪表盘托架发展为单个模块。此外，仪表板前除霜风道本体、仪表板中间骨架选材，一般与仪表板本体 骨架采用同一种材料，可进一步提升减重效果。
2011，福特翼虎及福特Kuga仪表板(采用Trexel MuCell微孔泡沫注塑成型技术和SABIC的PP-LGF20制造)，和普通注塑制造的填充聚丙烯仪表板相比，此应用产品将每辆车减轻了 0.45kg，生产时间缩短15%，成本降低3美元。目前，宝马、奥迪等中高端软质仪表板骨架，大多采用长玻纤塑料制造作为仪表板骨架材料。比 如，2010年BMW公司7系轿车仪表板骨架通过采用长玻纤塑料，仪表板成品能够比传统材料重量降低20%。同时，长玻纤聚丙烯材料可与BMW公司自动化 整体发泡注塑技术相兼容;采用较少的原材料就能实现更高的强度和刚度，并且能够使仪表板具有更优良的性能。目前，宝马3/5/7系、奔驰E等高端汽车仪表 板骨架皆采用LGFPP材料。
合资品牌车企中，一汽大众、上海大众、长安福特等多款量产车的仪表板骨架均已采用LGFPP。在自 主品牌中，长城高端SUV仪表板骨架PP- LGF20代替改性PP由3mm减为2.2mm，并成功批量化生产。比亚迪腾势、上汽荣威550等中级以上乘用车的仪表板骨架也逐步采用LGFPP材料。
车门模块（车门中间板骨架）
曾经采用SABIC STAMAX长玻纤聚丙烯的现代索纳塔塑料车门模块，获得了在美国塑料工程师协会(SPE)创新大奖。新福特Fiesta车型前门模块集成了多种功能元 件，诸如门锁、车门玻璃升降器、扬声器、防盗装置等。马自达6车门内板，一汽奔腾B70等皆采用LGFPP制造。
换挡机构：换挡 机构主要采用金属材料和短纤维尼龙材料，目前，国外少数车型换挡机构骨架已尝试采用长玻纤增强聚丙烯材料替代短玻纤尼龙材料。尼龙材料容易吸水，成品件吸 水率一般在0.7%以上。在高温高湿环境下，存在发生失效的风险;若改为不易吸水的长玻纤聚丙烯材料，则可避免此类问题的发生。同时，采用长玻纤增强PP 材料，可起到减重降本的作用。
电子油门踏板：电子油门踏板臂需要承受较大的力，因此，其选用材料需要有极好的力学性能，较好的韧 性，在高低温下材料性能不能有大的变化。目前电子油门踏板臂以玻纤增强PA材料为主。泰科纳材料商曾成功用长玻纤塑料(牌号Celstran PP-LGF40/50)用于电子油门踏板上，如图9所示，具有低气味性且高强度的良好性能，比增强PA材料的成本低。
长玻纤塑料可用在座椅靠背，替代传统钢材骨架可实现减重20%、且优异的设计自由度和机械性能、扩大的乘坐空间等特点。
另外，长玻纤塑料可以制成电池托盘、天窗框架、备胎仓及备胎仓盖。福特KUGA(2010)采用PP-LGF40制成的后背门内板。
材料开发的难度和重点
减重降本一直是整车比较关注的话题，相比外资车企将PP-LGF作为轻量化新材料的成功应用，自主品牌在实施过程中还有许多困难需要克服。比如：
(1)树立理EVI(Early Vendor Involvement的缩写)概念：即材料供应商系统零件供应商，在概念开发阶段介入新车型项目，充分了解主机厂用户对材料的需求，从而提高更改性能的 产品和服务;如果仅以标杆车企用材作为选材依据，则在车型上市与标杆车已有约5年的选材差距。
(2)成本分析：若单纯从原材料成本考虑，每公斤塑料价格高于金属材料;但前期模具费用投入较少，塑料件注塑模具仅同部件钢质模具的50%，模压模具仅为同部件钢质模具30~40%;集成周边部件，模块化供货，可进一步节省主机厂装配等费用、减少装配工具、节约场地。
(3)其他方面：部件用材料种类的改变，材料收缩率变化需要开发新模具;同时针对长玻纤特殊材料，需要采用不同于常规注塑机等加工设备。虽然，作为外购件大部分技术攻关由一级供应商来承担进行，但在主机厂需要做好长玻纤材料产业化过程中的各种技术问题的应对措施。
在长玻纤增强塑料的应用开发方面，外资车企在应用开发方面更为深入和超前，国内自主品牌则更多地借鉴吸收应用外资车企的成熟应用案例和先进技术。
自主品牌中，长城汽车和上汽乘用车走在最前面，吉利、奇瑞、长安乘用车亦进行了大量的应用开发工作。长城汽车全面开展了塑料零部件产品的研究工作，部分 已量产应用;在国家项目的支持下，上汽在纯电动车E50等车型上研究使用许多LGFPP零部件。在行业内，以汽车轻量化联盟为依托，进行轻量化技术(含轻 量化材料技术)的交流与沟通;在公司内，搭建整车轻量化技术应用平台，及时将新材料新技术新工艺引入到整车开发中。
在材料替代方面，长玻纤塑料类制品可同时起到减重、降本的作用。之前是短玻纤尼龙材料代替金属材料，近几年随着轻量化材料应用开发，长玻纤增强聚丙烯材料在越来越多的汽车部件上逐步代替了短玻纤尼龙塑料，这样进一步推广了LGFPP材料在汽车上的研究与应用。
(来自:雅式橡塑)
