汽车内外饰轻量化工艺探讨

汽车内外饰轻量化工艺探讨

苏铭杰

广州启上设计有限公司

摘要：汽车内外饰轻量化是汽车整车轻量化的重要组成部分，其为降低汽车的整车质量，从而提高汽车的动力性能，减少燃料的消耗起重要的作用。汽车内外饰的轻量化设计趋势是汽车工业发展的必然要求。文章就对汽车内外饰轻量化的设计和相关工艺进行分析研究，总结目前汽车轻量化设计中应用的主要材料以及微发泡注塑、薄壁化注塑等的轻量化工艺，为汽车内外饰轻量化的设计提供一定的参考。

关键词：LFT-PP；碳纤维；薄壁化；微发泡；轻量化

引言：汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一,对汽车工业的可持续发展具有重要意义。据美国能源部DOE研究表明，一辆轿车的自重每减少10%，燃油消耗量就降低6％~8%，C02排放降低5%~6%。目前汽车轻量化材料在车身上得到了广泛的应用，实现汽车轻量化的途径主要通过采用轻量化材料及应用先进的工艺技术，加上优化的设计方案，而优化的设计方案必须在设计阶段通过有限元分析得出物理性能对比数据，以符合设计验证（DV）指标的要求。汽车轻量化材料随着生产工艺的改进优化和生产成本的降低，应用新材料新工艺取代钢材逐渐变得可能且成为汽车内外饰轻量化发展的趋势。

1、汽车内外饰轻量化发展现状

1.1铝合金替代钢材

1.1.1铝合金的特点

铝合金的主要特点包括：密度小（只有钢的1/3）、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。

1.1.2铝合金的分类

铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金按主要加入的元素可分为：铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系。变形铝合金按性能和用途不同，可分为：工业纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝、和特殊铝。

1.1.3铝合金的应用

铝合金作为轻质金属，是汽车轻量化的理想替代材料。铝合金在汽车领域的用量在逐步增加，且种类越来越多样化，汽车车身使用铝合金作为主要材料的趋势正在形成。

1.1.4应用于汽车上的铝合金部件

奥迪在A8车型上使用了全铝合金车身，其刚度提高60%，焊点减少40%，重量更轻。无论是灵活性、安全性，或平稳性均表现出色。而在内外饰上有众多的零部件实现铝合金替代钢，如仪表台横梁，由于强刚度指标要求，长期以来横梁都是采取钢材支架焊接的方式。而目前宝马，奥迪等车型已经在使用铝合金设计的横梁，其比钢横梁要减重40%。

其他众多的零部件应用如座椅支架、发动机周边部件等

1.2热塑性塑料的应用

热塑性轻量化塑料LFT-PP，以金发的材料为例，其增强玻璃纤维长度达6-25mm（SFT-PP是0.2-0.6mm），由于出色的力学性能（图1）、机械性能（图2）和热老化性能（图3）成为比较理想的轻量化产品的原材料。LFT-PP材料目前应用范围是“以塑代钢”，如前端模块，后尾门。目前汽车市场上，众多的品牌如日产、雷诺、标致等相继研发出LFT-PP的塑料后尾门，相比钢制后尾门，减重达30%，其作为注塑工艺应用在后背门上是前瞻性的轻量化工艺；注塑后尾门有轻量化、模块化、产品精度高等特点。

1.3复合材料的应用

复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料组成，其综合性能优于原组成材料，并满足不同的要求。其中，碳纤维复合材料（CFRP）因其质量轻、高强度（钢的5倍）、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点，是众多轻量化材料中性能最好，减重最明显的复合材料。碳纤维制作的车身和金属车身相比能减重30-50%。由于碳纤维复合材料制造成本高昂，且生产工艺复杂耗时，在汽车中还未能大量推广，仅在稀有的非量产车型和特别版车型上使用，如F1赛车、超级跑车等。但随着碳纤维制造工艺的突破，制造成本的下降，各大汽车品牌商纷纷加入碳纤维零部件的开发，相信在不久的将来这种具有优异性能的复合材料将成为内外饰轻量化的重要一员。。

2、内外饰轻量化的设计原则

2.1人机交互原则

所谓人机交互就是驾驶者或乘客在使用汽车时与车辆系统的“对话”，这种对话必须合理、简单、易用，因而设计过程必须充分考虑这三个基本人机交互原则。汽车轻量化设计绝不能违背这些原则或者说牺牲人机交互的某些原则，可以说轻量化设计难度要比一般意义的设计要大得多，轻量化设计就是在满足原有指标基础上增加指标条件，而这些条件都是充分必要条件。

2.2节能环保原则

随着社会经济发展，可持续发展成为我国工业发展的基本策略，而节能环保则是可持续发展的重要一环。轻量化设计过程必须考虑运用此材料和工艺的各个环节是否可以保证节能环保，任何一个环节如果对环境造成不良影响将导致设计推行艰难，最终有可能导致设计永远停留在设计阶段，不能导入生产的轻量化设计没有任何意义。所以轻量化设计过程对国家环保政策的充分了解非常必要，对工艺实现过程是否满足国家环保政策也显得关键。目前汽车工业对产品装车过程VOC(挥发性有机化合物)排放是否达标有明确的指标要求。

2.3安全法规原则

汽车内外饰轻量化必须在满足国家安全法规的前提下，减重才有意义。安全性保障是汽车内饰轻量化设计的一个基本的原则。这一原则不仅要求内饰的材料本身的强度要符合要求，而且要求产品本身设计可以作为其他产品的载体，可以满足一定的负荷要求。除了承载的载荷之外，对于内外饰设计的安装（固定）强度也有着一定的要求，最基本的就是要能承受车辆高速运行过程中产生的主动和被动冲击载荷，强度和稳定性都能符合设计验证（DV）要求。要求设计的过程使用有限元分析对产品符合设计验证指标有极其重要的意义。

3、内外饰轻量化注塑的相关工艺

3.1微发泡（MuCell）注塑工艺

3.1.1微发泡注塑工艺的优点

微发泡注塑成型工艺总结起来有三大优点：一是大幅改善产品尺寸精度，二是大幅降低锁模成本，三是大幅缩短成型时间。

3.1.2原理

微发泡注塑成型是通过泡孔扩张来代替注塑机保压,不需要多余的充填压力,并且可使压力分布均匀通过中间层的泡孔结构降低产品的材料密度,实现可控制的发泡率来减轻产品重量，模穴压力降低30%-80%,内应力大幅降低。微发泡注塑成型工艺的流程较为简单，首先就是需要将超临界的流体融到塑料主体材料的溶胶中，然后再通过高压喷射装置将混合好的溶胶材料喷入模具中，形成微发泡。而后，随着模具中的压力和温度趋于稳定，模具中的微泡处在一个相对稳定的状态下，至此，注塑工艺基本完成。

3.1.3应用

微发泡工艺一般应用在内外饰的非外观结构件上，如仪表板骨架，保险杠支架，门护板支架等。

3.2薄壁注塑工艺

3.2.1优点

薄壁注塑工艺是汽车内外饰轻量化设计的一项重要的塑料成型工艺，其一般的设计原则是减少产品主体壁厚的三分之一，通常能减重10%-15%。薄壁注塑成型工艺的最主要优点就是实现了塑料的“薄”，在满足了使用性能的基础上使用的塑料原料较少，由于减轻了重量也就降低了成本，满足汽车内外饰轻量化设计的基本要求以及环保性的要求，而且工艺与普通注塑工艺一脉相承，可实现大批量的生产。

3.2.2原理

薄壁化注塑工艺的主要难点在模具设计与制造上，模腔的材料一定要选择具有良好机械性能的，例如2738，否则难以承受注塑时较大的压力；因为薄壁材料的壁厚较小，所以对模具的制造精度有较高的要求，通常要求壁厚在±0.1mm以内。在实际的注塑时，因为壁厚较薄，要选择流动性好的注塑原材料，对注塑工艺也有比较高的要求，比普通注塑产品的制造难度要稍大。

3.2.3应用

薄壁化工艺一般应用在汽车保险杠本体上，应用薄壁化工艺，保险杠能减重10%。

4、结论

汽车内外饰轻量化是汽车整车轻量化不可或缺的重要组成部分，虽然内外饰的减重比例对比车身而言相对有限，但不能忽视内外饰的减重贡献。随着内外饰材料的更新换代，设计工艺的创新优化，有限元分析的广泛应用，汽车内外饰在轻量化道路上必将持续创新，汽车内外饰轻量化研发必然大放异彩。

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