技術乾貨｜從原料到工藝，詳析這款汽車用混合部件的經濟生產方案

受限於製造成本，汽車在大規模生產時仍主要使用全金屬部件而非高性能塑料/金屬混合部件。另一方面，特別針對國內外大力扶持的新能源汽車——電動汽車，車輛因為電池重量的增加而變得更重。那麼，是否有產品更輕便、生產更經濟的解決方案呢？答案就在這裡：本文重點介紹了一種針對汽車底盤部件的減重技術——金屬板成型和壓縮成型生產工藝，實現混合部件更快速和更經濟地生產。

傳統的減輕重量並增強部件功能的方法之一是：使用長玻璃纖維增強熱塑性塑料（LFT）。但到目前為止，尚無100% LFT的部件被用於汽車安全結構（例如：懸架臂），因為它們具有低延展性和猝裂風險。折中的方法是，將LFT與鋼一起製成混合部件，從而結合LFT的低密度和高比強度以及鋼部件良好的故障保護性能。但是，塑料/金屬混合結構部件通常在兩個以上的模具中生產。金屬板在一個模具中成型並按需塗上粘合促進劑，然後在第二個模具中用塑料包覆成型（模內裝配）。或者，塑料和金屬部件在兩個單獨的模具中生產，然後粘合在一起形成混合部件（脫模後裝配）。無論哪種方式，與全鋼部件相比，多道工序、較長週期和高工藝成本都阻礙了混合部件的經濟生產。

混合部件的高效生產工藝流程

為了優化傳統解決方案的不足，德國錫根大學汽車輕量化設計研究所（FLB）開發了一種新的金屬板成型和塑料成型組合工藝（混合成型），該工藝是德國聯邦教育與研究部（BMBF）MultiForm研究項目的一部分。此工藝的目標是經濟地製造負載導向的混合部件，使得混合部件重量較輕，但功能性不輸傳統金屬部件。更薄的金屬板的使用還有助於減輕部件的總重量，因此而降低的剛度和強度可通過更輕的負載導向的塑料肋板來補償。

該工藝過程是：首先，生成LFT擠出物並以熔融狀態放置在熱模中（步驟1）。然後，將塗有粘合促進劑的金屬板料放置在支撐架中（步驟2）。接著，閉合支撐架形成密封邊緣（步驟3）。緊接著，閉合模具，使金屬板通過沖壓模具和聚合物熔體的壓力成型。粘合促進劑的使用則有助於在塑料和金屬之間形成持續的材料連接（步驟4）。混合部件在模具溫度冷卻之後脫模（步驟5）。

工藝難點之——密封模具解決方案

混合部件通過混合成型進行一步式生產，面臨的主要挑戰在於如何在整個壓縮成型操作期間密封模具。為了解決這一問題，FLB與項目合作伙伴合作開發了多個適用於開放型材（圖2a和b）和周向封閉型材（圖2c）的模具密封概念，並在演示部件上實施應用。

通過為支撐架提供剛性的周邊密封邊緣，堅固的磨損優化模具密封得以實現，因而能夠防止聚合物熔體在封閉型材（圖2c）的情況下洩漏。金屬板所受到的密封壓力通過液壓拉伸墊控制，這是金屬板料深拉伸過程中調節金屬流動的標準方法之一。

在具有開口端的部件（例如：車身側圍和橫向構件）的混合成型過程中，模具密封更加複雜。FLB為此開發並測試了兩種不同的概念：

在密封概念（a）中，三件式衝頭正面安裝在推進的氣壓彈簧上，從而在開放型材上形成無聚合物的密封邊緣。這裡的金屬板壓邊力也通過氣壓彈簧調節。

在密封概念（b）中，剛性單件式衝頭的端部設有臺階，並且頭部的拉伸間隙經過調節後可精確地對應待成型的金屬板的厚度。通過這一方式，型材的端部形成了凸邊，有助於防止聚合物熔體漏出（圖2）。

由德國馬克多夫的Weber Fibertech GmbH公司內部開發的一種化合物被用作金屬板成型和負載導向的金屬型材局部加固的活性介質。該化合物基於德國科隆朗盛集團（Lanxess AG）生產的聚酰胺6（PA6），並且玻璃纖維粗紗以短切玻璃纖維的形式添加到聚合物熔體中。混配在D-LFT機器中進行，並可用於長纖維增強熱塑性塑料的直接加工。

利用圖2a和2b所示的針對具有開口端的型材的密封概念，厚度位於0.8mm和1.2mm之間的板材可以通過聚合物熔體的壓力完全成型。在試驗過程中，首先針對外殼應用使用了易於成型的低強度深拉鋼DX54和DC04進行成型，然後針對車身結構使用了中等強度的冷軋微合金鋼HC220Y和HC340。

利用圖2c所示的針對周向封閉型材的密封概念，厚度2mm以內的鋼板可通過極具技術挑戰性的最大45mm的拉伸深度完全成型。

混合部件設計三部曲

該項目使用的鋼/塑混合結構的設計方法分為三個階段：

第一階段是基於純材料狗骨樣條（即啞鈴型拉伸樣條）樣品和混合試樣（頭部和拉伸剪切試樣）的材料選擇。用於底盤的混合結構的技術評估標準主要是高強度、高耐熱性和陰極浸塗適用性。此次所選LFT化合物是含40%長玻璃纖維增強物的PA6。LFT化合物PA6-LGF40具有良好的製造特性，並且因為經過長纖維增強，即使在高溫條件下也具有高比強度。考慮到PA6用於底盤時會吸收水分，德國埃森贏創工業集團（Evonik AG）生產的PA610和PA12等高性能聚合物成功經過了測試並可能被用作LFT基質。為了確保鋼和PA6之間具有足夠的粘合強度，他們選用了贏創的共聚酰胺粘合促進劑Vestamelt Hylink。該粘合促進劑的適用性在不同的循環氣候試驗中在-10°C至+65°C的應用範圍內這些具有熱挑戰性的條件下得到了證明。

第二個階段是通過混合成型生產了基於橫向構件形狀的鋼/LFT結構。該部件的機械性能通過三點彎曲以及靜態和動態扭轉試驗確定。在三點彎曲試驗中，重量比傳統的鋼衝擊板結構輕10%的混合鋼/LFT部件承受住了其兩倍的負載（圖3）。此外，混合鋼/LFT結構表現出了良好的故障保護性能，因為它在負載達到最大值時並未出現脆性斷裂。但是，由於鋼的延展性問題，它在試驗結束之前一直保持著較高的強度。

第三個階段則在上述測試的良好結果的基礎上研究了通過混合成型生產多連桿後軸縱向控制臂和前軸橫向控制臂的可能性並評估了輕量化設計的潛力。兩個懸架臂（圖4）的設計基於拓撲優化，它考慮了各種與設計相關的靜負載情況。在對優化結果進行分析之後，他們專門針對塑料設計了LFT增強物並藉助在測試中校準和驗證的材料模型進行了計算。儘管金屬板厚度減少，但憑藉負載導向的加強筋，混合部件鋼板上的應力比100%高強度鋼參考部件上的應力更低。與此同時，其總體重量也減輕了20%。通過這一方式，縱向控制臂上的鋼板厚度從3.5mm降到了2.0mm，橫向控制臂上的鋼板厚度從3.8mm降到了2.4 mm（圖5）。

縱向和橫向控制臂的生產

在位於德國施瓦本格明德的voestalpine Automotive Components Schwäbisch Gmünd GmbH & Co. KG公司對金屬板成型進行了模擬之後，對用於混合成型的兩個控制臂部件的拉伸裝置也進行了設計。兩個部件被設計成周向封閉的型材，該型材還成功應用在德國錫根大學汽車輕量化設計研究所（FLB）生產的示範性結構上（圖2）。縱向控制臂的模具由位於德國帕德生的Sprick Technologies GmbH & Co.KG製造。

通過混合成型對鋼/LFT縱向控制臂進行一步式生產由Weber Fibertech用附加的D-LFT機器（圖5左）在液壓機（製造商：Dieffenbacher GmbH（中文名：迪芬巴赫），德國埃平根）進行。壓機速度、壓機壓力、溫度控制、拉伸緩衝力控制以及這些因素之間的相互作用是確保良好的模具密封和裂縫以及板材無裂紋不起皺成型的關鍵。低強度（DC04）鋼種和高強度（DP800）鋼種均可順利成型（圖5右）。

混合橫向控制臂的生產由voestalpine Automotive Components公司在其位於德國施瓦本格明德的工廠用具有拉伸緩衝功能的標準金屬壓機進行。該模具由voestalpine Automotive Components公司製造。如示範性結構（圖2）的生產一樣，它們也使用了基於半成品的製造工藝，其中Weber Fibertech生產的LFT化合物通過紅外輻射加熱。2.4mm厚的低強度（DC04）和高強度（22MnB5，冷成型）鋼板實現了無裂紋成型。圖6所示為修邊操作之前（橫向控制臂）和之後（縱向控制臂）的混合控制臂部件，它們也可以作為使用標準衝孔模的批量生產流程的一部分來執行。

前景展望

通過鋼和LFT的混合成型，底盤結構部件的重量可減輕約20%。混合控制臂部件性能的評估是錫根大學汽車輕量化設計研究所（FLB）正在研究的主題。除此之外，該工藝目前已延伸到5000和6000系列鋁合金的半溫成型，其目的是顯著減輕車身部件的重量。

-來源：本文編譯自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL雜誌