汽車輕量化的目標(biāo)是要在不影響強(qiáng)度的情況下減輕部件重量，甚至可以在增加組件強(qiáng)度的同時減輕重量。為滿足這一目標(biāo)，在使用新材料的同時，先進(jìn)制造工藝的使用也密切相關(guān)。新工藝可以有效縮短生產(chǎn)周期，降低成本，有助于新材料的快速應(yīng)用。 

 

　　E-LFT混合材料成型技術(shù)是專為汽車輕量化提供的解決方案，其成功將長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料和金屬基材的成型合并為一個步驟，并采用粘合劑實(shí)現(xiàn)塑料與金屬板的連接。據(jù)悉，該技術(shù)由德國Siegen大學(xué)、贏創(chuàng)（Evonik）、Weber Fibertech公司聯(lián)合的MultiForm項(xiàng)目組開發(fā)，大眾汽車，奧鋼聯(lián)汽車零部件，Simpatec和Sprick Technologies等提供了技術(shù)支持。

 

　　E-LFT一次性擠壓復(fù)合工藝 
 

　　首先是熱塑性聚丙烯或聚酰胺材料的模壓成型：先熔化塑料顆粒，然后在擠出機(jī)中加入玻璃纖維，最后擠出的熔體受到垂直方向的壓力產(chǎn)生流動。該工藝可實(shí)現(xiàn)10-15mm長度的纖維增強(qiáng)，與注塑成型件相比，可顯著提升部件強(qiáng)度。同時，對于相同強(qiáng)度的部件，可獲得更輕的質(zhì)量。

 

 

　　為提升復(fù)合材料強(qiáng)度，復(fù)合材料主要采用長玻纖或碳纖增強(qiáng)。同時為了控制成本，纖維增強(qiáng)部分僅設(shè)置在高載荷部位。據(jù)悉，Weber Fibertech公司擁有E-LFT工藝的專利權(quán)。該工藝可用來制作座椅結(jié)構(gòu)件，如坐盆、靠背，可經(jīng)受安全帶系扣處的較大的載荷，具體如下圖1。
 

 

 

　　但是，在一些高負(fù)載的情況下，金屬材料還是具有優(yōu)勢，塑料/金屬混合部件兼顧了輕量化和強(qiáng)度，將更為合適。該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用激光處理金屬表面，然后在一次性擠壓工序中實(shí)現(xiàn)塑料和金屬的復(fù)合。激光表面處理讓熱塑性熔體與金屬表面結(jié)合性更好，其拉伸強(qiáng)度約為12MPa，剪切強(qiáng)度可達(dá)48MPa。據(jù)悉，Weber Fibertech公司正采用該工藝開發(fā)高負(fù)載能力的座椅元件，預(yù)計三年內(nèi)可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

 

 

 

　　混合材料控制臂的設(shè)計開發(fā) 

 

　　為進(jìn)一步驗(yàn)證E-LFT工藝的適用性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了混合材料控制臂的開發(fā)與驗(yàn)證。采用高強(qiáng)度鋼板（DP800）與聚己內(nèi)酰胺（PA6），由Weber Fibertech全自動E-LFT生產(chǎn)線，采用25毫米玻纖增強(qiáng)。

 

 

　　該生產(chǎn)系統(tǒng)在一個循環(huán)周期內(nèi)直接配制60%塑料和40%玻纖的混合物。這意味著不是采用PA GF40棒狀顆粒原料，而是由聚酰胺、添加劑（添加顏色的色母粒、增加流動性的添加劑等）、玻璃纖維直接混配擠出，周期僅為60秒。生產(chǎn)系統(tǒng)如圖2。

 

 

　　據(jù)相關(guān)人員稱，新控制臂成功減重20%，如下圖3。此外，對于其他負(fù)載較低的部件（如尾門、車頂部件、門元件等），預(yù)計減重可達(dá)50%。

 

 

　　新工藝結(jié)合了金屬板材的深拉伸和長纖維增強(qiáng)材料的壓縮成型兩步工序，在混合材料部件的制造方面具有時間和成本優(yōu)勢。塑化狀態(tài)下的高粘度熱塑性塑料在流體力學(xué)成型過程中起到活性介質(zhì)的作用，有助于金屬板的形成。該團(tuán)隊(duì)還分析了溫度和摩擦對鋼和鋁成型性能的過程相關(guān)影響。通過有限元方法（FEM模擬）的模擬實(shí)現(xiàn)可靠的部件設(shè)計。研究團(tuán)隊(duì)對混合壓制過程中鋼、鋁材料的成形曲線進(jìn)行研究，并建立FEM模型。研究顯示，長纖維復(fù)合材料塑化所需的高溫環(huán)境對鋁合金的成形性將產(chǎn)生積極影響。

 

 

 

　　與注射成型相比，模壓工藝最長可實(shí)現(xiàn)25毫米的長纖維增強(qiáng)。纖維長度的增加對復(fù)合材料力學(xué)性能的提升有較好的效果，具體見圖4。同時，模壓工藝還具有成型時間短的特點(diǎn)。E-LFT一次成型工藝可在金屬板材表面預(yù)涂粘合劑，在混合壓制過程中實(shí)現(xiàn)金屬板與復(fù)合材料的直接粘合，省去后續(xù)的復(fù)合工序。具體工藝過程如圖5所示。LFT在循環(huán)系統(tǒng)中完成配料→金屬板預(yù)涂粘合劑，并預(yù)熱→將金屬板與LFT材料置于同一個模具中一次模壓成型。成型部件如圖6。

 

 

 

　　輕質(zhì)材料的應(yīng)用在減重和降低能耗方面具有較好的效果，在混合材料應(yīng)用的大趨勢下，金屬/塑料混合部件可綜合金屬材料的力學(xué)性能和塑料材料的輕質(zhì)效果。E-LFT一次成型工藝可實(shí)現(xiàn)金屬/塑料的復(fù)雜形狀部件成型，特別適用于車身、底盤等碰撞相關(guān)的部件。

 

 

　　新工藝為熱塑性塑料在汽車制造中的規(guī)模化應(yīng)用鋪平了道路，盡管熱固性材料的強(qiáng)度更好，但其受到材料回收的限制，應(yīng)用成本較高。與金屬板材的復(fù)合可較好的克服熱塑性塑料的低強(qiáng)度。目前，該團(tuán)隊(duì)正嘗試采用新工藝開發(fā)電動汽車的車身部件。