第3届汽车轻量化技术展报告(2)

通过碳纤维强化树脂及其他的树脂化实现轻量化

2013/02/18

概 要

 本报告《第3届汽车轻量化技术展报告(2)》将对2013年1月16~18日在东京国际展示场举行的“第3届汽车轻量化技术展”中展出的通过包括碳纤维强化树脂在内的树脂化实现轻量化的相关技术进行介绍。


相关报告:第3届汽车轻量化技术展报告(1):积层造型法和轻量金属(2013年2月登载)


※照片点击放大。



碳纤维强化树脂(CFRP)的利用

 东丽并列展出3款使用碳纤维强化树脂(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastic)的车身零部件,分别为雷克萨斯LFA的发动机罩、斯巴鲁翼豹WRX STI tS的车顶、梅赛德斯-奔驰SL 63的行李箱盖。另外,公司之前的产品均为使用热硬化性树脂的CFRP为主,此次特别介绍了更易成型、可适用于更广泛零部件的使用热可塑性树脂的TORAYCA Pellet。

 三菱化学控股集团展出EV概念车APTSIS。


東レが出展したCFRP製品
东丽展出的CFRP产品:丰田・雷克萨斯LFA的发动机罩(图片左)、斯巴鲁翼豹
WRX STI tS的炭素车顶(中央)、及梅赛德斯-奔驰SL的行李箱盖(右)


APTSIS
三菱化学控股集团展出的EV概念车"APTSIS"(底盘为CFRP制)


ヤマハYZF-R1のシートフレームブラケット
使用东丽TORAYCA Pellet(长纤维型)的雅马哈YZF-R1的座椅框架支撑


樹脂ギヤPPS-CFとPA66-CF
利用碳素纤维(短纤维型)进行强化的树脂齿轮PPS-CF和PA66-CF(东丽展出)

碳纤维强化树脂(CFRP)

使用热硬化性树脂的CFRP制车身、外板等
东丽 雷克萨斯LFA的
发动机罩
 丰田・雷克萨斯LFA的CFRP制发动机罩。丰田已于2012年12月完成500辆LFA的生产,但通过开发・生产LFA获得的技术,特别是生产CFRP零部件的专业技能将广泛继承于今后的雷克萨斯汽车中。
WRX STI tS的
炭素车顶
 展出富士重工于2010年12月限量生产・销售400辆的斯巴鲁翼豹“WRX STI tS”的炭素车顶。使用东丽和富士重工共同开发的碳素纤维复合材料,在实现汽车轻量化的同时,降低车辆重心,提高了操纵的稳定性。
Mercedes-Benz
SL的行李箱盖
 展出CFRP制梅赛德斯-奔驰SL 63(2012年发售)的行李箱盖。东丽2011年6月与戴姆勒共同创立生产、销售CFRP复合材料制汽车零部件的公司"Euro Advanced Carbon Fiber Composites"。
三菱化学
控股集团
EV
概念车
APTSIS
 APTSIS表示三菱化学控股集团的集团理念(Agility、Principle、Transparency、Sense of Survival、Internationalization、Safety, Security & Sustainability)。公司展出名为APTSIS的概念车。
 设想搭载CFRP制底盘、顶棚有机薄膜太阳电池(怠速停止时提供电量)、PC玻璃(代替玻璃)、低线膨胀树脂车身、车底罩、LED照明等各种三菱化学控股集团的先进技术。
适用于竞技摩托
小高精密 摩托车用
前轮轴
 碳纤维强化树脂厂家-小高精密展出KYB为本田的下坡赛专用山地车生产、供应的碳纤维强化树脂制前轮轴。
 另外,还展出昭和为本田的公路赛车供应的碳纤维强化树脂制前轮轴。为了控制成本,内侧面和部分外侧面使用了铝材料。
使用热可塑性树脂的TORAYCA Pellet
东丽
TORAYCA Pellet
摩托车用
座椅框架支撑
(长纤维型)
 介绍了碳素纤维热可塑性树脂“TORAYCA Pellet”。由于其轻量化效果及优良的电磁波屏蔽性,还有望用于电装零部件外壳。分长纤维型和短纤维型。
 长纤维型含有碳素纤维10~30%,具有高强度、高冲击、低翘曲等特性。展出使用了长纤维型的雅马哈摩托(YZF-R1、搭载998cc发动机的高级车)用座椅框架支撑。
树脂齿轮
(短纤维型)
 展出东丽碳素纤维强化热可塑性树脂中以短纤维型为原料的树脂齿轮。使用的树脂为PPS(聚苯硫醚)和PA(尼龙)66,强化碳素以矩阵状织入8~30%。树脂齿轮还具有不易使连接齿轮损伤的效果。

 

 



高性能树脂

 Victrex公司(总部在英国)展出车辆中广泛采用的高性能树脂。Igus公司(德国)和BNL(英国)介绍了树脂制轴承。


樹脂製スライドベアリング
树脂制滑动轴承(Igus展出

高性能树脂

Victrex 各种
高性能树脂
 Victrex为生产Victrex PEEK树脂等高性能树脂的专业厂家。在英国设有总部和工厂,在全球30多个国家开展业务。
 展出PHV用轴承保持器、制动零部件的ESC用导向环、ABS用活塞杆密封、ABS/ESC用环形密封、变速器用止推垫圈等。展出的产品中有7~8成通过碳素纤维强化,带有黑色。
涡轮增压机
的叶轮
 展出涡轮增压机的叶轮。较金属零部件相比,性能提高且形状自由度增加,大量生产还可节约成本。
 传统的金属制品,虽然材料费较低,但切削加工等后处理需要更多人工和成本,产生大量变动费。使用Victrex的树脂,尽管材料费较高,但完全不需要后处理,因此若为能够回收初期投资的大规模生产,反而会降低成本。
树脂制轴承
igus 树脂制
滑动轴承
 igus为德国的树脂轴承厂家。1983年起开始生产・销售树脂制轴承。在日本除枥木工厂外,还拥有其他几处仓库・装配基地。
 igus开发出由基础聚合物、填充材和固体润滑剂构成的高性能聚合物(重合体)“iglidur”,并生产、销售iglidur制的滑动(旋转)轴承。无需使用金属轴承所需的润滑剂,可通过低摩擦系数实现长期使用,且具有高热传导性,可快速散热。
 车用方面,被座椅、踏板、转向、节气门段、铰链系统、雨刮器等各种配件采用。
 2007年发售高性能聚合物“xirodur”制的滚珠轴承“xiros”。用于医疗・药品、纺织技术等领域,车用方面,由于耐久性等问题目前尚未使用。
BNL 树脂制
轴承
 英国的BNL为40多年的树脂轴承厂家。总部位于英国,在英国、美国及泰国(2008年开始生产)都设有工厂。树脂轴承具有重量轻、设计自由、旋转扭矩小、组装简单、价格便宜等优点。
 另外,由于树脂本身具有平滑、易于滑动的特性,因此无需像钢制轴承那样添加润滑油。但关于滚珠轴承的替代,由于研磨需要成本,且轻量化效果不明显等原因,目前还较少采用。
 车载用途方面,通用、福特、奥迪用于转向柱、行李架、警告事故的旋转灯等。目前全球有超过500万辆车搭载了树脂制轴承。

 

 



发泡树脂的利用、通过其他树脂化实现轻量化

 将使用的树脂材料、构造(发泡树脂、中空、与表皮一体成型、夹心、或复杂的形状等)、及其制造方法组合,用于各种产品・零部件中。制造的产品・零部件除实现轻量化外,还兼具高刚性、隔热性、高吸音性等特征。


ドアインナーパネル
基于发泡树脂制造的车门内饰板(日本国产RV车用、宇部兴产展出)


高充填サンドイッチ成形品
高填充夹层成型品(宇部兴产展出)


「ツインコーン」の断面形状
宇部日东化成提供的“双锥”截面形状(出自公司的商品目录)


発泡ブロー成形したエアコンダクト
发泡吹塑成型的空调输送管(KYORAKU展出)


ターボエンジンに対応するエアダクト
利用德国KAUTEX公司吸吹成型技术制造的可用于涡轮发动机的
空气输送管(适合制造如照片所示的复杂形状零部件的技术,ALTECH展出)


樹脂製燃料タンク
丰田AQUA搭载的树脂制燃料箱
(三菱化学控股集团展出、燃料箱由FTS制造)

发泡树脂的利用、通过其他树脂化实现轻量化

宇部兴产
集团
各种工程塑料  宇部兴产集团为车辆的各部位供应工程塑料产品。通过解说版介绍了聚酰胺6、66(UBE NYLON)、聚酰胺12(商标为UBESTA)、合成橡胶(商标为UBEPOL BR/VCR)及其他产品。
发泡树脂制门饰  宇部兴产作为射出成型机厂家,推荐了使用公司产成型机的轻量化技术。还有通过薄肉轻量法实现10%轻量化、通过模具扩张法实现40%轻量化及实现40%以上超轻量化的方法。
 展出基于利用模具扩张法(射出填充模具,当树脂压积累到一定量时,扩张模具使容积增大,使之发泡)发泡轻量化的树脂,较传统产品轻量化30%的门饰。
高填充
夹层
成型品
 使用表皮材料呈三明治状夹入回收材料的构造,可同时满足成本和外观的要求。展示品表皮材料使用PP,夹心材料使用模具扩张发泡的TPS(苯乙烯系热可塑性弹性体),兼具高外观及高性能(隔热、吸温、减震)。今后该领域的力度将加强
宇部日东化成 双锥
(4层中空蜂窝
构造板)
 双锥将2张圆锥台形状凸起按呈格子状分布的聚丙烯板作为中间体,并在各表面使面材融化附着,形成4层中空蜂窝结构(请参照图片)。厚度方向由于是左右对称的结构,因此很难发生卷翘,中空部连接,空气量很大,较“瓦楞塑料”具有更高的刚性。最适合用作汽车内饰材料。
 (注)瓦楞塑料以PP为原材料,拥有与瓦楞纸板极为相似的截面,缝隙像口琴的缝隙一样整齐排列。广泛用于搬家时的养护(室内及电梯壁的保护)等。
KYORAKU 发泡管  通过发泡吹塑成型技术,可确保空调输送管道的隔热性及轻量化。可结合客户需求设定发泡倍率及厚度。相同重量下发泡倍率越高(越厚)隔热性越高。
 丰田埃尔法的车顶管、大发MOVE/MIRAISU、本田的N-ONE等多款车型的仪表板内管正在量产中。
EA材
(Energy absorbing)
 展出使用通用PP材的吹塑成型品-保险杆减震器。吹塑成型品可由钢产品的1,250g减轻至600g。目前正在为铃木的Escudo、Kizashi、Jimny量产保险杆减震器。
FLP Lite  FLP(Fabric Laminated Plastic)为将表层的织物提前放入模具,在模具内同时进行整体成型和表层覆盖的工艺。KYORAKU推荐了FLP Lite和FLP Lite S。
 FLP Lite除表层一体成型外,还通过薄肉成型 + 夹心材料插入技术,实现了传统吹塑工艺达不到的轻量化和高刚性化。模具内将表层不织布、两面的型坯(融化的管状树脂材料)、及其中间的夹心材料成套一体成型。夹心材料可使用发泡材料、独自开发的夹心材料、加强材料等。
 正在为丰田新型RAV4的货架顶板(零部件由丰田纺织生产)、铃木旅行车R的滑动式行李板(铃木化成)量产。
FLP Lite S  通过表层一体成型及薄肉吹塑成型技术,实现可与瓦楞塑料工艺媲美的轻量化,并可达到传统瓦楞塑料工艺做不到的设计自由性。若制作货物地板盖,可完成KYORAKU的最轻量货物地板盖。预计2013年上市。
 关于FLP Lite S,除货物地板盖外,推荐用于车顶内装饰、座椅靠背板、尾门装饰、遮阳板等。
ALTECH 涡轮发动机用空气输送管  介绍了德国KAUTEX MACHINENBAU公司的3D吸吹成型技术。最适合用于拥有复杂立体结构的空调输送管,且较自然进气发动机温度更高的涡轮发动机的空气输送管产品的生产。
 该方法通过负压吸引(suction)密闭于模具中的型坯。当型坯达到模具型腔(指相对于中子的固定侧)的末端,关闭型腔两端,利用吹压从内测成型并冷却(不使用负压时,使用打开模具,利用机器人将型坯诱导至模具内等方法)。
STARLITE工业 车底罩  STARLITE工业介绍了使用合作公司-德国Roechling公司开发的Seeberlite的车底罩。Seeberlite在PP中混入约25~40%的GF(玻璃纤维),具有轻量、高强度、高吸音性能、隔热等效果。全面用于Volvo XC40。
 开发出可用于发动机及排气管下部等高温区域的车底全罩。本次展会中展出为梅赛德斯-奔驰AMG SL 63配套的轮胎罩。
三菱化学
控股集团
树脂
燃料箱
 展出丰田AQUA的树脂制燃料箱(燃料箱本身由FTS制造)。树脂制燃料箱较金属制燃料箱相比,具有轻量、耐久性、防生锈、形状自由度方面的优点。由三菱化学控股集团的日本聚乙烯公司展出。并通过解说板介绍了使用相同材料的普锐斯的燃料箱。
 6层构造,外层和内层的主材料为高密度聚乙烯(HDPE)。防止燃料气化・蒸发的屏蔽层中使用的索阿诺尔(Ethylene vinyl alcohol copolymer)具有HDPE 2000~3,000倍的高屏蔽性。索阿诺尔(三菱化学控股集团的日本合成化学工业展出)的开发使过去为金属制的燃料箱的树脂化成为可能。
行李箱  推荐由GMT、GMTex(Glass-Mat Reinforced Thermoplastics)(将热可塑性树脂通过连续玻璃纤维衬强化的复合材料)构成的行李箱。兼备电池盒。可实现约20%的轻量化,具有碰撞能量吸收性良好、耐腐蚀性、设计自由度高等优点。由Quadrant Plastic Composites Japan展出。

 

 



其他:生物质纤维的利用、具有温度调节功能的板材等


快適シートファブリックを使用したシート
东丽展出的使用了舒适座椅面料的座椅(冬暖夏凉)

其他、生物质燃料的使用等

东丽 内饰用
生物质纤维
 东丽开发出使用生物质纤维的内饰材料设计技术(聚合物改质技术、纺织设计技术),广泛供应给于2009年发售的丰田SAI的座椅、车顶、门饰等(零部件由丰田纺织制造)。
 具体来说,开发出聚乳酸纤维(PLA:Poly Lactic Acid、质地干,具有良好的显色性)、3GT纤维(聚对苯二甲酸丙二醇酯、触感较软)、生物PET纤维(聚对苯二甲酸乙二醇酯、拥有与来源于石油的PET同等的性质),并实用化,供应给丰田SAI的车顶头衬、后备箱门饰、遮阳板等产品。
碰撞吸收
蜂窝尼龙
 全球首度开发出受到激烈碰撞时,可像橡胶一样变形,吸收能量的树脂。并采用在2层表层中间夹入碰撞缓冲树脂的蜂窝构造,提高了碰撞吸收性。总能量吸收量较大,对碰撞物的损害较小。将开发用于各种外板、面板、碰撞安全零部件。
带温度调节功能
的舒适座椅面料
 座椅面料具有吸收水蒸汽,保持干燥的功能,可营造冬暖夏凉的车内环境,将少HV车及EV车中空调的使用量,提高燃效、增加续航里程。
 冬季,纤维上的吸湿聚合物可吸收空调暖风中含有的湿气,并将水蒸气的动能转化为热能,提高温度约2℃(冬・夏均以使用空调为前提,计算效果)。与东丽和优衣库共同开发的优衣库“热技术”原理共通。
 夏季,吸湿聚合物将从冷气中吸收的水分释放到车内空气中,并通过气化吸收车内热量,降低温度约2℃。
具有金属光泽
的无金属薄膜
PICASUS
 开发出不使用金属但可发出金属感,同时具有光透感的聚酯薄膜"PICASUS"。之前为了营造金属感,需在树脂成型体上镀层、涂装、金属镀膜。用于大发・Tanto Exe定制的顶置控制台和中控台(零部件由丰田纺织制造)。
 PICASUS的原理为通过将高折射率聚合物和低折射率聚合物重合,使可视光线领域干涉反射,不使用金属而实现金属光泽。另外由于具有光透性,可点亮内部光源,利用其色调照明。
Fluoro Coat 氟树脂
涂层
 Fluoro Coat为广泛用于平底锅的氟树脂涂层的专业厂家。氟树脂为由氟元素(F)和碳链组成的热可塑性聚合物,具有(1)难附着性、(2)耐热性、(3)光滑性、(4)耐腐蚀性、(5)斥水斥油性、(6)耐磨性、(7)电气特性等方面的优点。
 之前用于橡胶、树脂、钛材料、陶瓷等轻量材料的涂层。由于目前的适用范围增加至镁合金、CFRP复合材料、金属基复合材料(MMC:Metal Matrix Composites)等,因此被赋予新的价值,推动了轻量素材的利用。
 汽车用途方面,目前用于制动助力装置的密封零部件中。由于运行时会与其他零部件接触滑动,因此需要一定的光滑性。

 
资料:本次展会的展示品、解说版展示及分发的资料

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