汽车复合材料的主要加工工艺和技术
作者：蒋鼎丰 文章起源：意大利朗基尔股份有限公司上海代表处 点击数：571 更新时光：2008-9-11 作为一种可设计的材料，汽车复合材料的制作工艺技术多达几十种，并且不断有新的创新技术被开发出来。本文重要先容了6种常用的汽车复合材料制造工艺，它们各具特点，企业在选择断定采取何种工艺方式时，可依据企业的基础情形以及汽车主机厂对零部件的具体技术要求进行综合斟酌。
世界上第一辆全复合材料车身的汽车出生55年以来，随着汽车产业的快速发展以及民众环保意识和节能意识的不断增强，尤其是在世界能源危机和石油涨价而使得汽车工业向轻量化方向发展的大背景下，作为汽车轻量化主流轻质材料之一的汽车复合材料的材料性能和加工工艺技术也因此而得到了快速发展。现在，无论是欧、美、日等汽车工业发达国度，还是中国、巴西和印度等汽车工业快速发展中国度，都已在汽车制造中大批采用汽车复合材料，涉及的车辆有商用车、乘用车、工程车、农用车、活动车以及休闲车、军用车和摩托车等几乎所有的车种，主要应用范畴也从外履件发展到汽车的各个部分，可以说从车头到车尾，从外饰件到内饰件，从A 级表面的车身面板到结构件、半构造件，从车门、车窗到车盖、车顶，从皮卡车厢、车身底护板到动员机气门盖、油底壳，从座椅骨架、底盘到储气罐、传动轴和板弹簧等，到处都有汽车复合材料的应用。那么，这些形状各异、技术性能各不雷同，甚至规格和产量范围都相差甚远的汽车复合材料零部件是如何生产出来的呢？其主要生产工艺有哪些？与惯例金属汽车零部件生产相比又有什么优毛病？……我们知道，汽车复合材料是一种可设计的材料，能够便利地实现整体综合优化设计。其中汽车复合材料制造工艺的可设计性带给了汽车复合材料制造行业无限的想像力和创新机遇。目前，我们己知的汽车复合材料制造工艺技术就多达几十种，并且还处于不断的创新发展之中。由于篇幅有限，本文就汽车复合材料主要且常用的6种加工工艺和技术做一初步先容。
手糊成型工艺和技巧
简略地说，手糊成型工艺(Hand Lay-up Molding)是手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上，然后用压辊滚压压实脱泡，最后在常温下固化成型为汽车复合材料制品，如图1所示。尽管在现代汽车复合材料成型新工艺不断出现的情况下，手糊成型工艺显得比拟原始，但是，该工艺却具有其奇特的不可替换性，仍然为世界各国汽车复合材料行业特别是中国汽车复合材料行业所广泛采用。
图1 手糊成型工艺示意图
图2所示为手糊成型工艺流程。从该工艺流程可以看出，手糊成型工艺具有以下优点：不需要复杂的装备和模具，投资低；生产技术轻易控制，且产品不受尺寸形状的限制，适合小批量和大型制件的生产；可与其他材料如金属、木材及塑料泡沫等同时复合制成一体。这些优点使得手糊成型工艺至今仍然作为汽车复合材料的一种主要成型工艺而被用于小批量地加工各种汽车复合材料制品，如客车和重型卡车的前/后围面板、高顶、导流罩、引擎罩盖、保险杠、挡泥板以及休闲车、农用车的车身等。此外该工艺还被用于新车开发，如制造概念车和新车样件试制。
图2 手糊成型工艺流程
手糊成型工艺的缺陷是生产效率低，生产周期长，工作环境差，因此对于大批量车型的产品不太适合。此外，由于这种工艺与操作职员的技巧程度和制造环境条件有很大的关系，受此影响，在我国，由手糊成型工艺生产的汽车零部件的质量往往不够稳定，从而影响了汽车复合材料的名誉。
须要阐明的是，手糊成型工艺并不是劣质汽车复合材料零部件的代名词。只要严厉依照手糊成型工艺的流程和工艺规范, 汽车，正确控制手糊工艺的技术要领，同样能够制造出一流程度的汽车复合材料制品。实际上，国外很多昂贵和精巧的高级跑车以及在展会上熠熠生辉的很多概念车均出自于手糊成型工艺之手。图3所示的Chevrolet Corvette跑车，其车身即为用手糊成型工艺生产出来的。
图3 用手糊成型工艺生产的跑车车身
喷射成型工艺和技术
图4所示为喷射成型工艺(Spray Up Molding)示意图。该工艺是将混有引发剂和增进剂的两种聚酯分辨从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤无捻粗纱由喷枪中心喷出，使其与树脂在空间均匀混杂后沉积到模具上。当沉积到必定厚度时，用压辊滚压使纤维浸透树脂，消除气泡，在经常温固化后成型为汽车复合材料制品。喷射成型工艺是在手糊成型工艺的基本上发展起来的。由于该工艺是借助于机械的手工操作工艺，因此也被称为" 半机械手糊成型工艺" 。图5所示为该工艺的工艺流程。
图4 喷射成型工艺示意图
图5 喷射成型工艺流程
与手糊成型工艺相比，喷射成型工艺的效率进步了2～4倍甚至更高。其长处是：由于应用无捻粗纱取代了手糊工艺的玻璃纤维织物，因而材料成本更低；成型进程中无接缝，这使得制品的整体性和层间剪切强度更好；可自由调节产品的壁厚、纤维与树脂的比例以及纤维的长度，因而满足了汽车零部件的不同机械强度要求。由于喷射成型工艺具有效力高、本钱低及产品尺寸外形不受限制的优点，因此该工艺在国外汽车复合材料行业中，有逐步代替传统的手糊成型工艺的趋势，例如，客车和重型卡车的很多前/后围面板、侧面护板、高顶及导流罩等都已由喷射成型工艺制造。
喷射成型工艺的毛病是：产品的均匀度在很大水平上取决于操作职员的操作熟练水平；由于喷射成型的树脂含量高且增强玻纤短，因而制品强度较低；阴模成型比阳模成型难度大，小型制品比大型制品生产难度大；生产现场工作环境恶劣，环境污染水平一般均大于其他的工艺办法；初期投资比手糊成型工艺大。尽管如此，近年来，喷射成型工艺的缺陷正在得到极大的改良。在国外，已采用机械手编程来替换人工喷射，从而大大进步了产品德量的稳固性，原材料的损耗也被显明下降。同时，通过对生产现场采用全封闭的治理办法以及进行空气排放处置，使得环境污染问题得到显著改良。图6所示为采用喷射成型工艺生产的KENWORTH 重卡高顶。
图6 采用喷射成型工艺生产的重卡高顶
缠绕成型工艺和技术
缠绕成型工艺(Filament Winding)是在把持纤维张力和预定线型的条件下，将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）依照一定的规律持续地缠绕到相应于制品内腔尺寸的芯模或内衬上，然后在室温或加热条件下使之固化、脱模，获得必定外形的汽车复合材料制品，如图7所示。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状况不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。其中，湿法缠绕的应用最为广泛。湿法缠绕工艺顾名思义是将连续玻璃纤维粗纱或玻璃布带浸渍树脂胶后，直接缠绕到芯模或内衬上而成型并经固化的成型办法。而干法缠绕一般仅用于高性能、高精度的尖端技术范畴中。
图7 纤维缠绕成型工艺示意图
纤维缠绕成型工艺的优点是：能够按产品的受力状态设计缠绕规律，以充足施展纤维的强度；比强度高。一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40%～60%；可靠性高。纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件断定后，缠出来的产品德量稳固、准确；生产效率高。采用机械化或主动化生产，只需少数操作工人，缠绕速度快（240m/min）；本钱低。在同一产品上，可公道配选若干种材料（包含树脂、纤维和内衬），使其再复合以到达最佳的技术经济后果。现在用纤维缠绕成型工艺生产的CNG/LPG高压气瓶、传动轴和板状弹簧等已普遍应用于大客车、轿车和卡车上。纤维缠绕成型工艺的缺陷是：缠绕成型适应性小，不能缠任意结构情势的制品，特别是具有凹形表面的制品。这是由于缠绕时，纤维不能紧贴在芯模表面，而是处于架空状况；缠绕成型需要有缠绕机、芯模、固化加热炉、脱模机及熟练的技术工人，不仅投资大，而且技术要求高，因此只有大量量生产时才干获得较大的经济技术效益。图8所示为采用纤维缠绕成型工艺生产的CNG 乘用车用高压气瓶。
图8 采用纤维缠绕成型工艺生产的CNG 车用气瓶
树脂传递模塑成型工艺和技术
树脂传递模塑成型工艺(Resin Transfer Moulding)简称RTM 。该技术始于1950年代，是从湿法展层手糊成型工艺和注塑成型工艺中衍生出来的一种新的闭模成型工艺。该工艺一般是在模具的型腔中预先放置玻璃纤维增强材料（包括螺栓、螺帽或聚氨酯泡沫塑料等嵌件），闭模锁紧后，将配好的树脂胶液在一定的温度和压力下，从设置于恰当地位的注入孔处注进模腔，浸透玻纤增强材料，然后一起固化，最后启模、脱模，得到两面光滑的汽车复合材料制品。图9所示为RTM 工艺示意图。
图9 树脂传递模塑成型工艺示意图
图10所示为RTM 的工艺流程。由于是一种闭模成型工艺，因此RTM 的长处是：无需胶衣涂层即可使构件获得双面光滑的表面；在成型过程中散发的挥发性物资很少，有利于工人的健康和环境维护；模具制造与材料选择的灵活性强，不须要宏大、庞杂的成型装备就可以制造出复杂的、有极好制品表面的大型构件；依据设计需求，增强材料可以按任意方向展放或局部增强，因而轻易实现按制品受力状态展放增强材料的目标。成型效力高、投资少以及易实现主动化生产的特色，使RTM 工艺日益为汽车复合材料行业所器重，并逐步成为代替手糊成型、喷射成型的主导成型工艺之一。
图10 RTM工艺流程
目前，RTM 工艺在汽车制作业中的利用已非常普遍，如乘用车的车顶、后厢盖、侧门框和备胎仓，以及卡车的整体驾驶室、挡泥板和储物箱门等都有用RTM 工艺生产的。图11所示是用RTM 工艺生产的ASTON MARTIN 跑车的车身侧围板。
图11 用RTM 工艺生产的车身侧围板
当然，RTM 工艺也存在一些不足，如：双面模具的加工用度较高；预成型坯加工生产设备的投资大；对原材料(树脂和玻纤材料) 和模具质量的要求高，以及对模具中的设置与工艺要求严厉等。目前，对RTM 成型工艺的研讨和推广不断取得新的进展，主要研讨方向集中在：微机把持注射机组、增强材料预成型技术、低成本模具、快速树脂固化系统及工艺稳定性和适应性等方面，出现出了一系列改进的RTM 成型工艺，如 Lite-RTM 、VARTM 、VIP 和TERTM 等。
模压成型工艺和技术
模压成型工艺(Compression Molding)是复合材料生产中最古老而又富有无穷活气的一种成型方式。它是将必定量的预混料或预浸料参加金属对模内，经加热、加压固化而成型的一种办法，如图12所示。模压料的品种有很多，可以是预浸物料、预混物料，也可以是坯料。当前常用的模压料品种有：热固性复合材料，包括SMC 、BMC 和TMC 等；热塑性复合材料，包含GMT 、D-LFT 和G-LFT 等。
图12 模压成型工艺示意图
在提到模压成型工艺技术时，我们特殊要提到汽车复合材料产业普遍运用的热固性复合材料SMC 和热塑性复合材料GMT 模压成型工艺。
SMC(Sheet Moulding Compounds)又名片状模塑料，是一种带流动性能的预浸材料，其物理形态是一种相似" 橡皮" 的夹芯材料，" 芯材" 由经树脂糊充足浸渍的短切玻璃纤维(或毡) 组成，高低两面为聚乙烯薄膜所笼罩，以防止空气，灰尘、水汽及杂质等对材料的污染以及聚酯树脂交联剂苯乙烯的挥发丧失。树脂糊里含有聚酯树脂、引发剂、化学增稠剂、低压缩率添加剂、填料、脱模剂和颜料等组分。SMC 主要采取金属对模的模压成型工艺，其压抑工艺进程相对照较简略，重要包含片状模塑料的制备和成模两部分。由于SMC 的组成比拟庞杂，每种组分的种类、质量、性能及其配比等对SMC 的生产工艺、成型工艺及终极制品的性能、价钱等都有很大的影响，因此，对组分、用量和配比等进行公道的选择，对于制作精良的汽车SMC
零部件具有十分主要的意义。图13所示为SMC 模压成型工艺流程。
图13 SMC模压成型工艺流程
GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)又名玻纤毡增强热塑性塑料片材，是一种用玻璃纤维针刺毡或原丝毡加强的热塑性塑料半成品片材。GMT 片材的成型通常有两种：一是持续玻璃纤维毡或针刺毡与热塑性塑料层合而成，另一种则是随机散布的中长纤维与粉末热塑性树脂制成的片材。前者合适于冲压模压成型，其制品的外形一般比拟简略。后者的流动性较好，合适于流动模压成型，适于成型形状较为复杂的汽车零部件。与金属材料相比，GMT 的密度约为钢材的1/6～1/7，具有耐腐化以及隔热、隔音和尽缘性好的长处，可一次加工成型庞杂的制品；与SMC 片状模塑料相比，GMT 具有极长的贮存期，制品的成型周期是SMC 的1/3～1/4，并且冲击韧性好，可回收应用。基于以上特色，GMT 在汽车产业中的运用范畴不断扩展，利用量不断增添，正越来越多地取代金属和热固性复合资料。
与SMC 类似，GMT 也是采用金属对模的模压成型工艺，所不同的是SMC 的固化成型是化学反映，而GMT 的冷却成型是物理变更，成型所要求的工艺参数和对压机、模具的技术要求是不雷同的。GMT 成型工艺的特点是：片材必需先预热(加热至220～230℃) ，成型压力高(10～25Mpa) ，成型温度低(35～50℃) ，成型周期短(30～60s) 。GMT 模压成型工艺流程如图14所示。
图14 GMT模压成型工艺流程
总之，模压成型工艺的主要优点是：生产效率高，便于实现专业化和主动化大量量生产；产品尺寸精度高，反复性好；表面光洁，无需二次润饰；能一次成型结构复杂的制品；由于可批量生产，因此价钱相对低廉。这些优点使得模压成型工艺特殊合适汽车工业要求批量大、精度高及互换性好的生产特点，是目前汽车复合材料工业中最为广泛采用的成型工艺，尤其是乘用车上的复合材料零部件80%均由模压成型工艺制成，如引擎盖、车门、后厢盖、后举门、车顶、前端框架、仪表台骨架、车门中间承载板、座椅骨架和底部护板等。
模压成型工艺的不足之处在于模具制造复杂，投资较大，加上受压机限制，使其更适合于生产中、大量量的汽车复合材料制品（热固性汽车复合材料制品在100000件/年以内，热塑性汽车复合材料制品在1000000件/年以内）。随着金属加工技术、压机制造程度及合成树脂工艺性能的精益求精和进步，压机吨位和台面尺寸不断增大，模压料的成型温度和压力也相对下降，使得模压成型制品的尺寸逐步向大型化发展，目前已能生产的大型汽车部件如模压重卡高顶、MPV 车顶、皮卡车厢、重卡驾驶室侧围板等。图15所示即为模压成型工艺生产的2001福特Explorer Sport Trac SMC皮卡车厢。
图15 SMC模压成型工艺生产的皮卡车厢
LFT-D 成型工艺技术
LFT-D 成型工艺(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct)是继GMT 和LFT-G 之后又一种新的长纤维加强热塑性复合材料工艺技术，是长纤维增强热塑性复合材料在线直接生产制品的一种工艺技术，它差别于GMT 和LFT-G 的要害因素是半成品步骤被省往了，而在材料的选择上更加机动，是近年来在汽车复合材料行业中最受关注和市场成长最快的一种崭新的成型工艺技术。在LFT-D 技术中，不仅纤维的含量和纤维的长度可以直接调节到终极部件的请求，其基体聚合物也可以直接调节到终极部件的要求。通过应用不同的添加剂可以转变和影响制品的机械和特别利用特征，如热稳固性、着色性、紫外稳定性和纤维与基体的粘结特征等，这也意味着每一种特别运用都可以通过LFT-D 获得其奇特的材料配方。
LFT-D 的典范工艺流程是，将聚合物基体颗粒(主要是PP) 和添加剂输送到重力混合计量单元中，根据部件的机械性能要求进行材料的混配。经混配好的原料再被送入双螺杆挤出机中进行塑化，熔融的混杂物通过一个薄膜模头形成相似瀑布的聚合物薄膜，该聚合物薄膜直接被送入到双螺杆混炼挤塑机的启齿处。此时，玻璃纤维粗纱通过特别设计的粗纱架，在经过预热、疏散等程序后被引进到聚合物薄膜的顶端与薄膜会合一同进入到双螺杆挤塑机中，由螺杆切割粗纱，并把它们柔和地混杂到预熔的聚合物当中，然后直接送入
压抑模具中成型或者推压进注射模具成型，如图16所示。
图16 LFT-D成型工艺示意图
LFT-D 成型工艺的优点重要有两个：一是本钱低。由于是直接一步法生产，因此由LFT-D 生产的大型构造部件比两步法生产的GMT 或LFT-G 压制部件的成本低20%～50%；二是制品的综合性能优良。LFT-D 压抑成型制品的抗冲击性能比GMT 稍低一些，但由于比LFT-G 成型后的纤维长很多，因此其抗冲击性能显明比LFT-G 高得多。另外，大批的研讨表明，LFT-D 注塑的生产效率比采用尺度LFT-G 粒料的生产效力高，由于LFT-D 低的塑化要求改良了纤维被剪断的可能性。对于成型周期超过1min 的部件，用LFT-D 注塑装备在30s 内就能完成。LFT-D 成型工艺的毛病主要是制品厂须要加大对LFT-D 成型工艺以及材料、配方等的研究投进。图17所示为采用 LFT-D 生产的2003 民众 Golf V前端框架。
图17 用LFT-D 成型工艺生产的前端框架
停止语
从上述汽车复合资料成型工艺技巧的初步先容中，我们可以懂得到每一种工艺技巧均有其自身的特色。汽车复合资料企业在选择断定采取何种工艺技术方式时，需依据企业的基础情形以及汽车主机厂对零部件的具体技术请求，如产品的批量及其质量请求，以及企业的技术基本和生产资金情形等因素进行综合斟酌。在此，特殊提请注意的是：
汽车复合材料的成型工艺技术并不仅是以上介绍的6种，而是有几十种之多。不仅如此，汽车复合材料制造工艺的可设计性特点意味着今后还将有更多的创新成型工艺不断出现；
汽车复合材料的成型工艺技术从开放式走向闭模式是一个发展趋势。相比之下，闭模式工艺更环保、更节俭且质量更好；
热固性汽车复合材料和热塑性汽车复合材料各有特点和用处。需要强调的是，热固性汽车复合材料成型工艺技术并不会在竞争中消散，而是会与热塑性汽车复合材料一道，取长补短，共同发展；
以LFT-D 为代表的持续长纤维加强热塑性汽车复合材料成型工艺技术将会得到强劲的发展，尤其在乘用车轻量化进程中替换金属构造件、半结构件中将施展主要的作用。