热塑复材制造汽车外部车身面板

 RLE International 开发了一种创新的低成本/低

压压缩成型变体和热塑性夹芯板技术， 自 2019

年以来一直在商用车的内隔板（上图）上生产。

该技术目前正在研究生产外部屋面板和发动机罩。

        至少五十年来，全球汽车复合材料供应链的重要 工作一直集中在努力使热塑性复合材料成为 a 级饰面  水平车身面板的可行选择，包括发动机罩、车顶和行 李箱盖。（下面，侧栏 A 提供了复合材料车身板的简短历史，  侧栏 B 讨论了为什么需要这样做。）   热固性  复合材料从 20 世纪 50 年代开始在半结构/垂直和全结 构/水平车身板中取代了汽车外部的金属。自 20 世纪  80 年代以来，热塑性复合材料一直间歇性地用于垂直  车身面板， 如保险杠蒙皮和挡泥板，自  20 世纪 90 年   代以来，  门板和其他装饰件，自 21 世纪初以来，举升 门。然而， 事实证明， 使用这类材料很难满足汽车行业对水平面板的性能、成本和美观要求。

由苏珊·克劳斯绘制。

        由于英国推出的压缩成型和热塑性夹层板技术的    低压变体， 这种情况可能正在改变。 4 年来，  该技术一 直在大型隔板上生产， 用于承载 2 吨货物的轻型商用车。本文讨论的最新工作表明，   该技术可以提供设计

灵活性、机械性能、经济快速的加工和表面美学的正确组合，  最终在水平外部面板上可行。

SIDEBAR A： 汽车复合材料车身板的简史

汽车公司生产的八代复合材料雪佛兰克  尔维特跑

车突出了用于车身面板的复合材料的有趣进展。

        热固性复合材料在乘用车上用于半结构   垂直和全结构水平外部车身板以及底盘/单   体车身元件的历史悠久。玻璃纤维增强塑料 （GFRP）于 1953 年首次出现在当时的通用 汽车公司（现为美国密歇根州底特律市通用 汽车公司） 的雪佛兰克尔维特跑车的所有外 部面板上。 20 世纪 60 年代，克尔维特上的  手动叠层玻璃钢被更快的循环和更一致的压模片状模塑化合物（SMC-sheet molding compound）所取代。从那时起，  SMC 的用途已经扩展到车身面板之外，包括结构皮卡盒、底盘部件，最近还包括电动汽车电池组的大型保护 外壳。此外，碳纤维/热固性基体复合材料   在 20 世纪 90 年代从一级方程式和二级方程 式赛车的重要组成部分过渡到车身面板，后 来从 21 世纪初开始，   过渡到街头合法汽车（包括克尔维特）的整个单体车身。

        20 世纪 80 年代初，  注塑成型的短玻璃纤 维增强热塑性塑料首次出现在非结构保险杠   面板上，  到 80 年代中期，它开始过渡到挡泥 板等其他垂直面板上。 1990 年，当通用汽车   的土星汽车首次亮相时，所有的垂直车身面板都是注塑成型的热塑性复合材料。然而，发动机罩、行李厢盖和车顶仍采用冲压钢，最终整个外部车身在 2010 年生产结束前过渡为钢。

        在那十年里，通用汽车的其他几个铭牌   都采用了热塑性垂直面板，宝马公司（德国    慕尼黑）  的限 量版（1989-1991） Z1 跑车以及  后来戴姆勒公司（现德国斯图加特梅赛德斯-  奔驰公司） 的梅赛德斯- 奔驰部门于 1997 年推出的小型智能福特两微型车也是如此。 Smart是第一款采用全热塑性车身面板的汽车，尽管发动机罩和车顶面板确实很小。 2007 年，smart 成为第一款从玻璃纤维增强聚碳酸酯/聚 对苯二甲酸丁二醇酯（GR/PC-PBT）转向滑石填充热塑性聚烯烃（TPO）的乘用车。

        在过去的 15 年里，滑石填充 TPO 在垂直车身面板上慢慢取代了工程热塑性塑料，如 GR/PC-PBT 和 GR/改性聚苯醚聚酰胺（GR/MPPE-PA）。另一个历时 10 年的重要 里程碑发生在 2014 年， 全热塑性举升门（滑 石/TPO 外板与长纤维热塑性聚丙烯（LFT-    PP）内板粘合）首次出现在日产 Rogue 跨界  多用途车（CUV）上。从那时起， 其他 SUV和 CUV 也纷纷效仿。

      质量减少方法

        故事始于 2015 年左右，   当时一家汽车制造商的工 程团队向 RLE International （德国科隆）的英国办事处 寻求帮助， 以降低商用车的成本和质量。  RLE 以其汽  车设计和工程工作而闻名于世，   尤其是在主要车身结

构和内饰方面。因此， 该公司提供全面的 CAE，工程，造型可行性和推出支持。 RLE 的团队提出了几种金属到复合材料的转换方案，以降低成本和质量，包括全结构/水平外部屋面板和客舱和货舱之间的半结构/垂直内部舱壁。

        联合小组首先解决了技术上更容易的舱壁问题。在接下来的几年里，   舱壁的设计不断发展，   使得该技   术最终通过了所有 OEM 性能要求。为了满足 OEM 的 最大 12 千牛顿冲击要求，最终舱壁采用单层轻质增强 热塑性塑料（LWRT-lightweight reinforced thermoplastic ） 蒙皮，包括聚丙烯（PP）浸渍的可折叠短玻璃，  克/平方米（GSM-grams/square-meter）形式的玻璃垫热塑性（GMT-glass mat thermoplastic ）复合材料—— 夹着 0°/90°单向（UD）玻璃纤维带的芯（尽管也可以使用织物编织）。选择单层轻质增强热塑性塑料（LWRT-lightweight   reinforced thermoplastic ） 蒙皮材料以提供良好的未涂漆表面 光洁度。

        设计成果

• w 与钢和 SMC 相比，结构面板的质量减  少≥50%， 半结构/美观面板的质量降   低≥60%， 同 时与外部面板上的碳纤维增强塑料（CFRP）质量相匹配。

• w 单件成本降低了约 10%，但与金属相 比，零件数量减少了， 耐用性更高， 工具成本更低， 噪音/振动/粗糙度（NVH-noise/vibration/harshness）显著提高。

• w 循环时间短（90-120 秒），具有出色的 低温冲击力，可选择模内着色，   可选择 100%的报废可回收性。

        隔板通过低成本/低压（3.4-4.5 巴） 的“ 热压/固    结 ” 变体在室温下在匹配的金属模具中压缩成型，在   <90 秒内成型。该工具既不加热也不冷却，  但夹层结    构中使用的材料在成型前进行预热。由于该工具没有   剪切边缘， 因此脱模后需要进行喷水修整，   以清理零   件边缘并切割任何所需的孔。  一体式面板取代了多件   式钢/聚氨酯泡沫衬里组件，质量减少了 5.2 公斤，降   低了部件成本，工具投资减少了 80%。此外，   全玻璃   纤维/烯烃夹层结构在零件寿命结束时可完全回收。自 2019 年商业化以来，   这款屡获殊荣的隔板的产量为 6-7 万件/年，尽管据报道， 该工艺可以用一个工具每年生产多达 90000 个零件。

      独自一人

        RLE 的团队在内部/外部开发负责人 Mark Grix 的   领导下，  相信同样的技术也适用于外部屋面板，因此    选择自行开发 a 级水平屋面板。自 20 世纪 90 年代在通 用电气塑料公司任职以来， Grix 一直在开发热塑性车

身外板。

        由于该团队的预算不多，因此需要采取巧妙的方法。

其中一种方法是获得三块免费的外部钢制车顶板，用   于在装有隔板的同一辆商用车上用作焊接车顶板的外   层/蒙皮。这些嵌板起到了双重作用。其中一个被扫描 并用于创建模板，以快速设计面板的外部蒙皮，从而   显著减少 CAE 时间。由于屋面板的内部（B 面）不是 概念验证的一部分，  团队只关注外部（A 面） 的几何

形状和表面光洁度。

        另外两块钢板被用来制造一种低成本的成型工具，其中一块蒙皮用作核心，另一块蒙皮作为空腔， 用于成型相对平坦的复合材料屋面板的 a 和 B 表面。 该屋顶工具随后在开发计划中被用于形成复合材料面

板， Grix 表示，它从一开始就生产出了出色的零件。

        从类似于商用舱壁的夹层结构开始，铺设、成型   和评估了许多不同的表皮和芯体组合（总厚度从 3 毫   米到 5 毫米不等），以开发屋面板概念。 一旦各种材料 被预热（不同的层可以被加热不同的时间长度），它们 就被手动地放置在装有上述工具的压缩压机中（保持   在室温下）， 并通过热压形成。研究人员再次将有效循环时间定为 90 秒。

                      RLE 在没有 OEM 规格的情况下开发屋面板，将其工作重点放在外部蒙皮上， 目的是保持屋 顶箍/弓

                      形物就位，并将复合材料解决方案结合 到当前金属屋顶所用的现有焊接凸缘上。这是 可能的， 因为

                     复合材料结构被配制成具有低的 线性热膨胀系数（CLTE）。随后的测试表明，目标热塑性面板具有接

                     近铝的 CLTE。

        在 Airborne  （荷兰海牙）拥有的英国工厂对屋面    板进行了模制，以进一步发展概念并实现夹层面板结   构的表皮和芯材的正确组合。 Airborne 的设施非常理    想，因为它配备了一个非常大的烤箱，能够加热整个   1.75×2.0 米的屋面板， 并可以将材料加热到 240°C。具有讽刺意味的是，事实证明，烤箱对面板来说太大了，我们已经完成了将烤箱的一部分切除的工作，这 样材料就不会有太长的停留时间， 并允许材料从侧面沿着烤箱的长度而不是从末端进料。

        随后对面板材料的各种组合进行了小规模的实验室测试。最终，最有希望的候选者通过 Sika AG

（Baar， Switzerland）的 1K 结构氨基甲酸酯粘合剂粘 合到测试车辆的车顶箍/弓上，并进行额外的车辆级测

试。

      Deli  特制产品

        由于最终复合材料是在固结和成型之前在压机中组装的，  这取决于应用所需的性能和表面光洁度，RLE 的技术在可组合形成最终面板的表皮、核心和外表面光洁度的材料类型方面提供了很大的多功能性。可以使用几乎任何类型的片状热塑性复合材料（例如，胶带、 GMT、有机片材、  LWRT）。唯一的要求是聚合物基质具有化学相容性（以实现良好的材料流动，确保成分均匀），并具有相似的玻璃化转变温度（Tg），以允许在同一烘箱中加热，而不必担心高温材料会在固结/成型完成前融化低温材料。

         Grix 解释道：“ 每个应用程序的要求都会有所不同，因此我们可以灵活地使用纤维体积分数（FVFs-    fiber volume fractions ）从 20%到 50%不等的材料，   尽管我们通常喜欢在 30-40%左右。  ” 。“ 测试表明，使用更高的FVF 没有任何好处。事实上，如果我们的玻璃纤维（与树脂） 过多，那么层之间的冲击强度和附着力就 会受到影响。要获得良好的表面， 拥有足够的树脂是绝对必要的。 ”

        对于控制表面光洁度的最具美感的层，候选层包 括哑光或光泽热塑性薄膜、纺织品、粗布/织物组合，

甚至防刮/防紫外线硬涂层或软触热塑性聚氨酯（TPU）涂层。同样， 这项技术的美妙之处在于，它 可以很容易地进行动态修改，以满足许多行业的应用需求。

               迄今为止，RLE 已使用预着色薄膜和低成本铝 工具，在<2 分钟的循环时间内，  直接从模具中 生产出耐用、

               抗紫外线光泽或哑光表面的 A 级 汽车面板。与钢板相比，  复合材料为结构板提供了 50%的潜在质量节省，

              为外部/半结构板提供 60%的潜在质量节约。即使在低温下，  它们也能提供出色的冲击强度和完全的报废可

              回收性。这种热塑性夹芯板技术不仅受到汽车行业参与者的兴趣，  也受到其他地面运输领域参与者的兴趣。

        该团队研究了热塑性树脂系统（主要是烯烃和聚   酰胺家族） 和增强材料（包括短切、 UD 和编织织物） 的不同组合，用于屋顶夹芯板的表皮和核心。由于其   较高的位置，开发的屋面板不需要 a 级饰面。最初，    使用了预着色的黑色材料，也尝试了哑光白色面板。    最近，  Grix 和他的团队通过在工具上涂一层薄膜以及   尝试硬涂层，提高了紫外线稳定性和耐刮性。面板可   以使用对比色，也可以与身体的其他部分相匹配。无   论是开发型屋面板还是商用舱壁， 都不需要金属加强   件。 Grix 估计，如果将整个钢制屋顶—— 而不仅仅是一块面板—— 转换为热塑性三明治技术，可以节省24.5 公斤的质量。

       黄金时段准备好了吗？

         汽车制造商喜欢问的一个大问题是， 一个概念目  前的技术准备水平（TRL-technology readiness level）是多少，Grix 的答案是，车顶板概念还相当成熟。

        他解释道：“你仍然需要做一些特定于 OEM 的测试，比如环境稳定性、 NVH（噪音/振动/粗糙度）等，但出于所有意图和目的，屋面板使用了与隔板相 同的材料系列和不同的处理方法， 隔板在过去四年中 一直在进行相当大的商业生产。   ” 。“ 这项技术的灵 活性意味着，如果你需要提高紫外线性能或耐刮性， 甚至使面板更厚、更薄或更坚硬， 那么我们可以做到 这一点。我们花了很多时间真正了解这项技术，以及用工具制作好面板所需的条件。  ”

                                      RLE 研究的另一个开发项目是使用热压/夹芯板技  术生产发动机罩。在这种情况

                                      下，外面板使用了更高温度的聚邻苯二甲酰胺（PPA）基质。同样， 该团队发现，

                                      与钢相比，质量节省了 50%以上，PedPro 在可回收面板中表现出色。

        据报道，  RLE 正在与汽车一级供应商和其他地面 运输领域的原始设备制造商进行讨论，如农场设备和

高尔夫球车，以将内部和外部应用商业化。

         这项技术的下一步是什么？ Grix 说： “ 没有理由 （在正确的配方下）   这项技术不能用于 PedPro  （行人 保护）兼容的引擎盖。 ” 。“ 我们已经生产了一种正 在开发的发动机罩，   小规模测试表明，我们比热固性 材料或钢具有更好的能量吸收和耗散能力。此外，我 们还探索了将这项技术不仅用于相对简单的面板，还

用于几何复杂度明显更高的汽车内饰的高拉伸面板，与钢材相比，可节省 50-60%的质量，并在使用寿命结 束时提供完全可回收的零件，我们认为这是在多个行  业寻找轻质面板技术的原始设备制造商的一个成功组  合。我们很乐意与任何有兴趣进一步探索这一领域的人合作。”

         SIDEBAR B:热塑性复合材料车身面板：优点和挑战与热固性复合材料或金属相比，   出于许 多原因，  热塑性复合材料是车身外板所需要的。首先， 它们往往更轻（比重更低）， 具有更好的损伤容限（冲击强度）  —— 这是满  足 PedPro 要求的一个额外好处—— 而且它们 提供了更好的工具表面，减少了模具后的精

加工。

         与热固性塑料不同，   热塑性复合材料是 可回收的（可熔化再加工）， 使其更容易重   复使用废料和从报废零件中回收可用材料— — 这是向欧盟销售车辆的人的一个重要特征 —— 而且它们也是全聚合的，这意味着成型 周期往往更短，并提供更好的重复性和再现 性（R&R）， 这使它们更适合于更大批量的   项目，并有助于抵消它们通常更高的原材料 和工具成本。它们还提供了更大的设计自由 度和充足的机会，用于零件集成（减少零件 数量）、插入硬件（便于连接）和简化模具后组装（与金属相比）。

         尽管热塑性复合材料有很多优点， 但和 所有材料一样，它们也面临着必须克服的挑 战。例如， 由于比钢或铝更高的 CLTE，具有不连续纤维增强的早期单片热塑性复合材料车身面板要求在复合材料面板和金属面板 之间留下大于所需的间隙，以适应温度循环 期间的尺寸变化。如果没有这种美学权衡，像门这样的可移动面板有时无法打开或关闭。这在很大程度上已经通过从单片面板转 换为成对的粘合内/外面板（有芯或无芯）， 以及通过使用较长的短切/不连续纤维增强   件以及 GMT/有机片材和热塑性胶带等片状 复合材料中的连续纤维无纺、单向和编织增

强件来克服。

         另一个问题是，汽车行业青睐的热塑性  塑料等级—— 主要是 PP 、PA 6 或 6/6，以及 PA 或热塑性聚酯与 PC 或 MPPE 的混合物— —在对车身进行白色电泳涂层（e-coat）和喷 漆后，缺乏承受烘烤炉温度的热稳定性。这  增加了组装的复杂性和成本，因为面板必须离线喷漆， 并在车辆组装过程的后期添加。尽管热塑性塑料板的涂装仍然是离线完成的，但已经做了很多工作来提高彩色模压（MIC）板的紫外线稳定性、颜色深度和金属特殊效果，而这些面板只需要一层透明涂层即可完成。此外，   薄膜技术也取得了长足 的进步，  它提供了比油漆更耐用的表面，并 与汽车制造商降低油漆成本和环境负担的努力相一致。

        还有一个公式化的问题是在刚度和冲击   力之间取得正确的平衡，以避免需要将垂直   面板悬挂在车辆上的大型金属支架。 一个相   关的问题是，由于刚度和强度通常低于金属   的值，因此通常需要几何形状（如肋条）来   实现面板的可比机械性能。然而， 这往往会   导致标称壁厚变厚，   从而导致包装问题。面   对不得不重新设计现有车辆的车身结构以适   应更厚的复合材料面板的前景，   大多数原始   设备制造商都会通过。对于 TPO 材料，结合 了不连续纤维增强和矿物填料的精心配方工   作，导致这些材料在外部垂直面板上占据主   导地位。此外，通过从单片面板设计转换为   粘合内/外面板，不满足 a 级要求的结构内面板由不满足机械要求的 a 级外壳补充。

        几十年来， 使热塑性水平面板无法使用的最大挑战可能是在高温下下垂和长期蠕 变的问题。这有几个原因。首先， 热塑性塑 料在接近其 Tg 的温度范围内软化， 这会导  致机械性能的逐渐丧失，包括承载负载和自 我支撑的能力。使它们更容易回收的特性也 会影响它们在高温下的长期机械完整性。在 某种程度上，这得益于从短/不连续纤维增   强转向连续纤维增强， 以及从单片面板转向有芯或无芯的粘结面板。

         一个相关的问题是如何实现足够高的 FVF 或 FWF  以在升高的温度期间改善机   械性能。热塑性聚合物是预聚的（在成型前  具有很长的分子链），这意味着即使在熔融    温度下，  与许多液体热固性系统相比，它们  也相当粘稠。这使得很难实现高水平的纤维  润湿和浸渍。因此，   即使在今天， FWF 超过 40%的注塑等级也有限，而许多热固性技术   允许实现高达 70%的 FVF。在某种程度上，  这已经通过仔细的树脂选择（例如，使用具有较低粘度的支链形式与线型形式的 PP）、对热塑性胶带和 GMT/有机片材生产的层压工艺的修改，以及最近用低粘度己内酰胺单体浸渍来解决，该单体随后反应聚合成PA6。折衷是较长的循环时间（更像热固性塑料）和专用设备。然而，随着时间的推移，将更多的纤维，   特别是更长和连续的纤维，转化为热塑性复合材料的能力不断增

强，这使其能够在越来越多的结构应用中使 用。这里的一个折衷是，对于外观美观的表 面，更高的 FVF/FWF 可以导致纤维穿透。  这可以部分通过使用薄膜、通过对面板进行 涂漆或纹理处理或通过在夹层面板组合物的最外层美学层中使用较低的纤维增强来解决。

        最后但并非最不重要的是，直接和间接   成本始终是高容量/低利润汽车行业的一个敏 感点。当复合材料行业致力于材料和工艺进   步，以应对一个又一个车身面板挑战时，铝   和钢铁行业的同行也在改进材料和工艺。即   使在今天， 除非转向复合材料可以从车辆上去除大量物质，提供重要的制造效益，或者能够增加新的安全性或功能性水平，否则大 多数汽车制造商都会拒绝使用复合材料，除 非这样做的成本至少是中性的或低于传统材料。

------  完  ------

                                                                        注：   原文见， 《 Thermoplastic composites: Cracking the

horizontal body panel nut  》2023 ．10 ．23

杨超凡    2023.12.18