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如今,汽車行業對減重的追求正在推動鋼、鋁和碳復合材料等行業的不斷創新。

 


金屬成型和材料科學領域的創新帶來了強度更高的鋼材,但在制造過程中必須采用加壓淬火等更為復雜、更高成本的工藝。

“今天,我們已進入一個汽車可以真正開始實現減重的時代,”密歇根大學材料科學與工程教授Alan Taub 博士表示,“現在幾乎所有新車發布時都會提到實現了5-10%的減重,因為很顯然,如今車輛的整備質量已經和燃油經濟性直接掛鉤了。這也的確是事實,盡管如今車輛的燃油經濟性提升仍主要來自對車輛動力系統的改進及對全電動/半電動系統的應用,但仍有 15% 的燃油經濟性提升與車輛減重直接相關。”

Taub 博士的經驗之談:車輛每減重 10%,燃油經濟性可提高 6%。

在 2019 年塑料工程師學會(Society of Plastics Engineers’)舉辦的 ANTEC 大會上,曾在通用汽車公司擔任研發主管的 Taub 博士對鋼、鋁和復合物等三大主流汽車材料進行了全面評估。他預計,未來,這些材料在汽車車身結構中的比重將越來越高。

“無論任何新車研發項目的總工程師,你的工作就是盡可能以最低的成本,取得最高的燃油經濟性。”Taub 指出,“接著,你得拿出‘平均每加侖英里數可節省的成本’數據。不同廠商的情況略有不同,但普遍減重一磅的經濟效益為 2 到 2.5 美元。很顯然,哪家供應商能幫助汽車廠商實現減重,哪家供應商就能拿到供應合同。”

STEEL 鋼:
如今,汽車車身材料規劃方面的最大變化是用一系列不斷進化的高強度鋼種替代之前的低碳鋼材料。Taub表示,鋼材料將繼續扮演汽車架構中的“主力軍”,而且如今鋼材料的硬度越來越高(因此防撞效果更好)、重量更輕且成本低至每磅 0.5 美元,“具有很高的成本效益”。

不久之前,在車身工程師的概念里,沖壓鋼的拉伸強度極限還是 300 MPa。但如今,拉伸強度在800 MPa 的鋼材比比皆是,甚至還可以達到更高。這些先進高強鋼(AHSS)和超高強鋼(UHSS)的剛度更高且重量更輕。不難理解,材料越堅固,在相同應用場景下需要使用的材料用量則越少,因此這些鋼材在減重方面的效果不言而喻。不過,拉伸強度在1000 MPa 以上的新型鋼材料下無法在室溫下壓印,必須采用熱成型技術。熱成型技術也稱壓力淬火,是一種復雜的工藝,需要在模具中完成加熱、成型和淬火等過程。

高強度鋼材所需的壓力淬火工藝會增加成本,但仍不超過“減重所能帶來的經濟效益,也就是每減重1 磅可節省 2 到 3 美元。”Taub 解釋說,目前鋼材行業正在推出拉伸強度在 1200 到 1400 MPa 的超高延展性產品,可以在室溫下完成沖壓成型,而且未來還會推出拉伸強度更高的材料。

Taub 博士向在場塑料工程師介紹到,“我們剛剛討論的高強度鋼材頂多可以幫車輛實現 10% 到 15% 的減重,未來的新材料則可以進一步將該比例提升為 25%。”


材料專家 Alan Taub 博士曾就職于通用電氣、福特汽車和通用汽車等多家世界 500 強企業,自 2012 年起開始在密歇根大學投身教學工作。
 
ALUMINUM 鋁:Taub 博士指出,鋁材料并不具有鋼材的延展性,因此制造商現在還無法向壓制鋼材一樣將鋁板壓制成一些更為復雜、更加極端的形狀。然而,汽車行業“在制造鋁成型零件方面已經取得了很大的進展,而且已經通過采用機械緊固件,甚至是通過新工藝將鋁材料點焊到鋼材上的方法,解決了部件之間連接緊固的問題,這也是目前鋁材相較于鋼材的主要劣勢之一。

Taub 博士表示,由于密度比同類鋼材低 2.5 倍,“鋁材已經迅速成為閉合件的首選材料,每減重 1 磅可節省不到2.00 美元。”

然而,由于鋁土礦精煉本身就屬于能源密集型產業,因此鋁材制造的成本本來就比較高,因此最終價格也相對較高。此外,鋁材行業已經接近現有軋機產能的極限,這可能會限制這種材料未來的供應保證。根據Taub 博士的說法,“在開展新車項目時,如果需要使用額外的鋁材料,則車廠必須直接與鋁業公司合作以提高產能,確保鋁材料的供應。”

Taub 博士介紹說,先把這些挑戰放在一邊,福特汽車的鋁質皮卡F-150 已經創造了不俗的銷售神話,“越來越多的車廠都在討論擴大鋁材料在車身中的應用。”
 
COMPOSITES 復合材料:Taub 博士表示,“目前市面上最輕的一批車型都采用了碳纖維復合材料。” Taub 博士本人也同時是美國輕質材料制造創新研究所(American Lightweight Materials Manufacturing Innovation Institute)的首席技術官。

目前,碳纖維材料在車身結構中的大規模應用還面臨諸多挑戰。很多車廠和一級供應商均在探索碳復合材料的小批量應用,但也有廠商選擇與流行趨勢“背道而馳”。比如 BMW 已經從價值數百萬美元的SGL Carbon 合作中抽身,而后者在 BMW 的創新 i3 和 i8 車型的生產中扮演了重要角色。BMW i3 和 i8 車型的零部件采用源自全球,供應商從德國老家一直延伸至美國華盛頓州。

Taub 表示,“汽車車身和底盤結構的選材最終還是會趨向碳纖維復合材料,這是我們的減重的法寶。”

那么,如何才能走到這一步呢?

首先,碳纖維材料必須可以滿足所有的沖擊標準。對比來說,金屬材料在極端沖擊條件下會變形,而碳纖維這樣的超硬材料在同等條件下更傾向于碎裂。Taub 博士指出,“但好消息是我們已經學會了如何通過建模來優化設計,碳纖維材料吸收能量的能力也因此有了顯著提升。”

不過,碳纖維零部件的成型時間較長,這仍然是個麻煩的問題。根據 Taub 博士的說法,復合材料研究人員正在努力將碳纖維底板(這種材料在汽車車身中的最大規模應用)的制作時間降低至1 分鐘。“我們已將這一過程從七年前的 8 分鐘縮短到今天的大約 4 分鐘,未來還有可能繼續將其縮短至 1 分鐘,”Taub 博士向 SPE 觀眾介紹說,“我們仍在尋找瞬時固化工藝。”
 
下一個最值得關注的技術拐點可能是熱塑性樹脂碳纖維復合材料。這種材料與碳纖維材料的結構特性相同,但成型時間卻大大縮短。

目前,材料的前體成本以及將其轉化為高強度碳纖維所需的工藝也是材料科學家和工藝工程師關注的焦點。Taub博士介紹說,“為了從各個方面降低成本,我們還有很多工作要做。如今,我們已經將成本從每磅 20 美元降低至每磅 10 美元,未來還將繼續為降低至 7 美元的目標而努力。”他補充說,我們還必須建立材料的閉環回收流程:“復合材料將成為最終勝利者,這種材料將逐步在各個方面占據優勢,包括成本和回收時間。”

事實上,交通運輸行業已經在相當短的時間內完成了從“單一材料密集使用(比如 F-150 皮卡)”到形成全新材料觀的轉變,即“將合適的材料,用合適的方法,應用至合適的位置”。“現在,設計工程師可以使用 ANSYS 等各種各樣的工具,并選擇各種各樣的材料;組件工程師可以將這個部件制作成最復雜的形狀,而制造工程師則會處理這些材料豐富、形狀復雜的零部件,”Taub 博士指出,“那么我們不需要連接工程師了嗎?恰恰相反,他們可是所有公司都夢寐以求的人。”

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