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塑料与汽车创新技术

塑料与汽车创新技术 2011年12月04日 来源： 汽车制造者总是希望能够精密组装汽车各部件，减化加工和组装的工序，以及控制汽车的重量。这些愿望在进入第32届美国塑料工程师协会汽车设计创新大赛决赛的各项新技术上，得到了体现和满足。20项进入决赛的技术中，五项极具创新性的技术成果获得了最后大奖的殊荣。大赛的十六位评委由塑料、汽车、设计等各杂志的编辑，顾问，大学教授，和一位汽车公司退休经理组成。在今年的五项获奖技术中，有两项是关于免涂装技术用于汽车车身面板。另有两个奖项授予碳纤维在汽车底盘结构中的应用，此项具有突破性的技术，为业内人士期盼已久。这四项获奖技术说明长纤维增强热塑性塑料在汽车内部和外部部件制备中的作用日益突出。另有两项值得一提的参赛技术成果是关于吹塑法在汽车内部零件的制造方面的应用，以及首例直接采用电泳涂漆的全热塑性塑料前端支撑部件。告别旧涂料目前，汽车和其他的产品制造者日益关注可成型的“干漆膜”，而避免采用繁琐且成本高的喷漆工艺。这种干漆膜是一种塑料薄膜，膜上伸展的涂层在进行热加工时，还可保持其完整性。通常是将这类已成型的漆膜用作汽车零件的外层衬垫，再用注塑法将用熔化的树脂注入漆膜下层作为支撑。某些情况下，漆膜可直接热熔后注入汽车部件。干漆膜正逐渐应用在越来越大的部件上。2003年通用汽车推出的雪佛来“开拓者”North Face版，也许是目前漆膜应用面积最大的，长达6.5英尺，据报道，干漆膜用于汽车车体装饰以来，这是首次获得如此高光洁度的车体色彩。此项技术获得外部部件类的创新奖。这种漆膜由Soliant LLC公司生产，这家公司8月被Ernic Green实业公司兼并。这种四层含氟膜由可热成型遮蔽膜（成型后剥落）、聚四氟乙烯透明涂层、彩饰涂层和增粘涂层/底涂层组成。底涂层是一层150密耳的TPO薄膜，采用Spartech 公司的热塑料，经挤出，碾压成漆膜。所有部件由密歇根Stac Pac有限公司进行热成型处理和电脑数控修剪。以前由于TPO材料的熔体强度低，所以难以成型，但是现在很大的热成型部件正变得越来越普遍，这要归功于经过改进的原材料和生产工艺。Equistar化学公司对TPO反应器Flexathene PD 951进行了专门的升级，以适合这种应用。此次量身定做保证了这种膜在成型过程中可拉伸300％。TPO同样必须具备较好的熔体强度（由高分子量的聚丙稀母体决定），低线性热胀系数，加上适当的硬度，低温影响（这种挤压级别使膜在零下20到30℃仍保持韧性，而射出成型的TPO最低在零下5℃）。在汽车制造领域，采用热成型处理要比注塑法更为适合，这是因为汽车生产产量相对较低，而且初级零件产品生产周期短，可在三四周内生产完成，以后精加工只需8个星期。涂漆成本降低后可降低总成本的7％－10％， 这些数据是由俄亥俄的Carlisle机械制造公司的技术总监Edward Crowe提供的，这家公司提供工程支持和流程管理服务。Edward Crowe也认为干漆膜与涂料相比，有更优良的耐候性，耐化学性，及抗削切的性能。由于薄片废料可以经重新研磨加入TPO底涂层中，可以循环利用。同时，Mayco塑料有限公司开发了一种全新的非涂料技术，据报道，其使用成本比干漆膜更低，因而此项技术更适合于复杂的拉伸部件，例如缓冲器仪表盘。这种膜是由Mayco和DaimlerChrysler公司，及两家原材料供应商共同开发的，DaimlerChrysler公司享有专利权。Mayco公司挤压出有光泽的彩饰膜，经热处理成型后，置于注塑机中而将熔融的原料注射在膜的背面。Mayco公司凭借他们的彩塑膜的实际应用获得SPE奖。DaimlerChrysler公司2002年推出的Dodge Neon车型，其前部仪表盘采用Mayco公司的MIC薄膜，以PP塑料注射成型作为薄膜的衬底，因而获得加工技术进步奖。Mayco公司称，这种漆膜有个很突出的优点，即能与车身的金属色相协调。在挤压冲模制备漆膜时，一些特殊因素使此种薄膜产生出金属光泽。MIC膜具有A级的表面光洁度，与车身涂料的颜色，鲜映性，光泽度相协调，而且抗刮擦、抗碰撞性能优于涂料。相比涂料来说，每个汽车仪表盘节省成本5到15美元。Mayco和DaimlerChrysler公司认为此项技术在内外部器件的制造上都有着广阔的前景，2003年的Neon车将继续在前、后部仪表板上采用MIC膜。随着进一步开发，MIC膜也可用在所有汽车部件的装饰上，包括SMC、RIM、SRIM等复合材料的部件。某些薄膜也可经挤压后直接热成型制成光洁的部件。Mayco公司计划将这种薄膜引入其他压膜机、热成型机、预切割薄板、预制外壳等设备中。四层MIC膜以一种新型的抗紫外的离子交联聚合物FI－311301U－01为基底，此聚合物由A.Schulman开发，具有良好的透明度，着色力，承受力。MIC膜的顶层就是这种物质形成的膜，约有5－6密耳，其下是30密耳彩饰离子层，可拉伸限度300％。接下来是粘带涂层，由Schulman和ExxonMobil Chemical公司合作研制，底层是共聚物膜采用ExxonMobil Chemical公司出品的PP7032E2制成。喷射成型时所用的底涂层是ExxonMobil Chemical公司PP8074共聚物。划时代的新材料--碳纤维几十年前即有预言，碳纤维复合材料将取代金属，用于制造汽车底盘，这一预言正逐步实现，目前应用于某些跑车底盘的制造。本届SPE大赛底盘/硬件/组装类获奖技术就是2003年DaimlerChrysler公司推出的Dosge Viper型跑车所采用的碳纤维挡板支架系统，这项技术是碳纤维在大型底盘和车身外部部件上的首次应用。以往只有赛车或其他特殊车型会在大型车身结构上采用碳纤维。这里所指的大型结构是左右挡板支架，从挡风玻璃一直延伸到车头灯。Dosge Viper型跑车所采用的碳纤维挡板支架每个重4.25磅，乙烯酯SMC中参杂了55％碳纤维碎屑，由于没有夹杂玻璃和其他填充物，新材料比重较小，只有1.4，而标准SMC比重为1.9。同样的材料也可用在两个较小的支架和两个车头灯支架上，这样就组成了完整的挡板支架系统。这四个复合部件共重13.5磅，由于少用了15到20个金属零件，重量减轻了40磅。SMC薄壁虽只有2mm，却能支撑着整个车身前端，而且有34个零件在这里联结，刚性提高了22％。原材料是由Quantum Composite公司的QMC8590经Meridian Automotive 系统压缩成型。碳纤维复合材料在汽车中的应用同时赢得材料类的创新奖。另有重约2磅的CF－SMC材料用于一体的A支柱和挡风玻璃周边，获奖的创新点是在SMC车门内部薄板。此薄板的主要部分是低密度的玻璃纤维SMC，为了增强门轴末端的硬度在CF－SMC中还添加了1磅Quantum的QMC－8590，这样总共加起来每辆车用17.5磅的CF－SMC。极具创新性的是，DaimlerChrysler公司开发了交联复合法来混和碳纤维和玻璃纤维。经过对CF－SMC和GF－SMC材料的复合顺序进行测试之后，公司设计了一种合理的结构，将CF－SMC的两端与两个GF－SMC相连，组装成一种榫槽接合的结构，长度为4英寸。这项技术可以减少钢制铰链加固器件的大小，减轻重量，还增强了硬度。DaimlerChrysler公司发起人说：“接下来要进行的革新将用CF材料制造出A级的车身表面。”吹塑成型技术革新一种新型吹塑成型应用技术获得了车身内部创新奖。Kautex Textron公司制造出首例吹塑扬声器组件，应用在DaimlerChrysler公司2003年新型吉普“牧马人”上。扬声器和悬空的顶蓬灯采用整体式壳体，两个铆钉镶在横摇稳定杆上。其制做材料是由Sparten Polycom公司提供的黑色抗紫外含20％玻璃纤维的PP聚丙烯。这种材料的光泽度很低，约2.3甚至更低，这在以前被认为是很难达到的。这种材料在低温下仍有很好的韧性，而且抗正面撞击的性能远远超过标准要求。遵循这项新技术也可以制造其他新型吹塑汽车器件。Kautex Textron公司的流程总监说：“现在我们已经达到内部纹理和正面冲撞指标要求，可以生产A型、B型和C型立柱。长纤维材料的迅猛发展进入本届大赛决赛的技术中大多数聚焦在长纤维增强热塑性塑料领域，反应了他们对长纤维胶粒的注塑或模压成型，以及在线复合成型过程中的注塑或模压工艺的兴趣日益高涨。以后者为例，2003年Ford公司推出的F2550/340轻型货车、“探索者”和“登山者”SUVs，其踏板均采用这项技术，并获得车身外部类奖项。Decoma－Mytox公司以填充了40％的长玻璃纤维的PP聚丙烯为材料，利用吹塑成型法制造这些踏板。这些踏板约10英寸宽，1100－2200mm长，每只约重13－17磅，约为同类钢制产品重量的一半。这种一体化复合板代替了43个零件的组合件，可使每辆汽车节约成本10美元。另一项决赛入围技术是以在线双螺杆复合压膜法制备的长玻璃纤维/PP聚丙烯，应用在2002年DaimlerChrysler公司的Mercedes E-Class的仪表板支架上。此部件要求的玻璃纤维长度超过0.75英寸。这就好像是很多层状钢板嵌入到表盘中，当汽车的保护气囊迅速膨胀冲击表盘时起到很好的支撑作用。2002年欧洲Ford公司的Fiesta首次将注塑长纤维胶粒材料应用在塑料密封门的模块中。此次车身内部器件类的获奖技术就是用填充了30％长玻璃纤维的PP制作塑料密封门模块。它比传统的钢制模块轻2－3磅，每辆汽车可节省5美元。这些模块由法国Faurecia公司铸成，StaMax LLC公司提供原料。StaMax LLC公司另有一项参赛技术是世界首例无金属支撑的全塑料一体型前端模块，由英国Faurecia公司为BMW迷你Cooper生产。在线喷涂被称为首例“可电泳喷涂”的网格增强热塑性塑料(GOR)是底盘/硬件/组装类的另一参赛技术。它在2003年Ford公司的Lincoln“探索者”和“攀登者”SUVs中都有应用。Ventrue公司的40％玻璃/矿物填料注塑加强PET在线电泳喷涂时可承受410华氏度的高温。DuPont公司Rynite940原料在66psi压强下HDT为466F，264psi时为412F。Ventrue公司安装了两台4000吨规格的GOR模具，每个模具均可从14个入口填料。成型后，热零件置于水浴中，通过风扇冷却可以将原来的冷却时间由8分钟降为3分钟。“所有车身工程师都以为GOR热塑性塑料不能进行电泳涂漆，但这项技术却是个例外，它真的让我们大开眼界，知道了热塑性塑料的神奇。”Ford公司车身工程总监Lee Tsai说。PET材料制成的GOR件使每个零件至少减轻10％的重量和15％的成本，这使Ford公司放弃了SMC材料的备用流程。

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