CFRP新量产技术、CF/GF强化树脂、热流道系统等

2014年国际塑料展览会的采访报告

2014/11/18

概 要

  2014年10月28日到11月1日,为期5天的2014年第8届国际塑料展览会在幕张展览馆举办,展出塑料成型机、模具设计制造、发泡塑料、橡胶材料等各类相关产品及技术。本报告将对与车辆生产相关的零部件及技术展出进行介绍。

  主要内容有:热硬化CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)及热可塑CFRP的最新制造技术、CF(碳素纤维)/GF(玻璃纤维)强化树脂、热流道系统、塑料熔接技术、使用电动铸造模具的真空成型、新开发的MPM工艺等。


相关报告:第4届汽车轻量化技术展报告(2)(2014年2月登载)



热硬化CFRP的新制造方法

  帝人集团旗下的东邦特耐克丝开发出可提高RTM(Resin Transfer Molding)效率的生产方法“预成型自动制造工艺(Part via Preform)”,并在此次展会中展出试制品。此外,还于展会结束后的11月4日宣布,已开发出通过快速硬化,将预浸工艺(碳素纤维板中浸入树脂)效率提高数十倍的生产方法。预浸工艺与RTM均为热硬化CFRP代表性工艺。

  上述新开发都是通过提高制造速度,以满足量产需求。

 

Lexus LFAの部品 Lexus LFAのステアリングホイール
左右两边的大型部件和方向盘均为Lexus LFA的产品。中央下部为预成型自动制造工艺 (PvP)的试制品 (东邦特耐克丝展出) Lexus LFA的方向盘。利用预浸 (传统方法)和内压成型工艺制造 (东邦特耐克丝展出)

 

东邦特耐克丝:开发出全新热硬化CFRP工艺

预成型 自动制造工艺 (PvP: Part via Preform)   此前热硬化CFRP仅限用于高级车中的顶级车型。东邦特耐克丝看到今后可用于高产量车型中的潜在需求,开发可提高生产效率的技术。
  热硬化CFRP制造的代表性工艺RTM事先进行与模具一致的碳素纤维板成型(称为预成型),后加入树脂使之硬化。复杂形状的预成型需要大量手工作业,边角材料的损失也较多。
  新的制造工艺无需使用碳素纤维板等中间材料,可直接利用纤维进行吻合零部件形状的预成型,此外还可通过自动化削减作业量和成本。还可与目前开发中的“高循环RTM工艺”等快速成型技术组合使用。
开发出快速硬化 预浸工艺   东邦特耐克丝于2014年11月开发出可应对CFRP量产(年产5万个)的新预浸工艺。该工艺通过快速硬化 (150℃×3分钟硬化),可将生产效率比原预浸工艺提高数十倍。还开发出可用于生产内压成型中空品以及具有耐燃性产品的工艺,今后有望广泛用于汽车领域。

 

 



热可塑CFRP的新制造技术和CF/GF强化树脂

  5家整车厂以名古屋大学为基地,联合对热可塑CFRTP (Carbon fiber reinforced thermal plastic)制造技术的自动化和高速化开展研究。

  通过CF或GF (Glass fiber)强化的热可塑性树脂已广泛用于汽车领域,此次展会中DAICEL POLYMER、BOND Laminates日本代理店-Sunwa Trading、共和工业展出相关产品。

 

日産GT-Rのラジエターコアサポート GM Opel Astraシートの基底部
DAICEL POLYMER展出的日产GT-R的散热器核心骨架 采用连续纤维热可塑材料Tepex的欧洲GM Opel Astra座椅的基底部 (Sunwa Trading的展出)
日産Rogueのバックドア
采用共和工业模具技术的日产Rogue的尾门

 

热可塑性CFRP制造技术的研究・开发项目

  日本在碳素纤维供应方面占据全球市场约7成的份额,但在相关成型、加工技术及加工装置开发方面落后于欧洲。因此汽车领域热可塑CFRP制造技术的研发项目是作为NEDO(新能源产业技术综合开发机构)项目推进的。
  以名古屋大学National Composite Center为基地,利用该中心3500t输出的大型高速液压冲压机。以车辆量产为目标,努力实现制造过程中的自动化,提高生产速度。
 整车厂中的丰田、本田、铃木、富士重工、三菱汽车、以及非整车厂的爱信精机、TORAY、三菱丽阳、KYOWA、MEIKI、JAXA等共计约20家公司或团体参与该项目。

 

碳素纤维/玻璃纤维强化热可塑性树脂

DAICEL POLYMER 长纤维强化 热可塑性树脂 Plastron   DAICEL POLYMER的Plastron在原料中使强化纤维 (玻璃纤维和碳素纤维)以相同的长度及方向复合,由此生产的树脂成型品可实现传统强化纤维树脂达不到的硬度及抗冲击强度。可注塑成型,量产性高,还可替代金属使用。
  纤维可组配玻璃纤维、碳素纤维、芳纶纤维等,树脂可组配PP、PA (尼龙)、ABS等,可形成不同等级的庞大产品阵容。注塑成型仅需30秒~1分,量产性高。
  作为产品,展出日产GT-R的散热器核心骨架。原材料等级为PP-CF20 (CF (碳素纤维)占20%)。据悉,日产还将在FUGA的前端模块及ECU外壳中使用Plastron。
BOND LAMINATES (Sunwa Trading) 连续纤维 热可塑材料   Sunwa Trading介绍了德国BOND LAMINATES的连续纤维热可塑材料 (CFRTP/GFRTP)。该材料使玻璃、碳、芳纶的连续纤维 (纤维呈现针织物状的纤维片)浸入PP、PA、PPS等热可塑树脂,4~6张重叠使用。
  此外,还可进行混合成型,在加工本体 (弯曲纤维片等)的同时注塑成型附属零部件,加在本体上。
  作为汽车领域的应用,展出欧洲GM Opel Astra的座椅基底部。使用GF强化PP。此外,BOND还为Airbus客机的内饰品提供利用碳素纤维强化的PPS制零部件。
共和工业 日产Rogue的尾门   共和工业为树脂模具的大型制造商,在美国、墨西哥、中国、泰国 (合资)设有工厂。从事从注塑成型的综合技术开发到新产品开发支持等广泛业务。
  展出利用公司模具制造的日产Rogue的尾门。外侧使用PP、内侧使用利用玻璃纤维强化的PP。

 

 



热流道系统

  熔融树脂流入模具的通道叫做流道。将固化的树脂成型品从模具中取出时,由于流道内的树脂也固化,因此需要进行粉碎、再利用等作业。通过开发出可加热流道,使树脂保持熔融状态的热流道系统,可仅取出成型品,从而避免树脂的浪费,还可直接进入生产的下一工序。该系统被认为是塑料注塑成型的核心技术之一。

  热流道系统由热流道系统制造商向模具厂家供应。模具一旦变更,热流道系统热喷嘴的配置也必须变更。

  YUDO等数家公司展出热流道系统。

 

世紀 (株)の出展 世紀 (株)の出展
世纪展出重型商用车的前面板及采用的热流道系统的热喷嘴 前大灯系统及爱信东北产的车门附属零部件 (世纪展出)
世紀 (株)の出展 HOTSYSが出展
玻璃纤维强化PA6树脂制进气歧管(世纪展出) HOTSYS展出的"VIVA-ANGLE Valve Nozzle" (2个热喷嘴非平行,可根据产品形状调整角度)

 

热流道系统

YUDO   YUDO为韩国热流道系统制造商,汽车领域具全球份额之首。为超过一半的全球汽车相关公司 (整车厂、模具制造商等)供应产品。在日本的市场份额也为首位(含韩国及中国包括模具在内的进口量)。
  产品包括塑料注塑成型的核心技术-热流道系统、温度控制器、可调整模具温度的加热&制冷系统、将成型品从成型机内取出的机器人等整套设备。
Mold Masters   Mold Masters全球总部位于加拿大,为全球规模的热流道系统制造商。目前最大的市场在中国。40年前进入日本。
  展区内展出保险杠 (用于日产Juke)、及一次成型该保险杠的大型 (长度不足2m、宽70~80cm)热流道系统。此外还展出车灯镜、V6发动机用进气歧管。
HOTSYS   HOTSYS为韩国热流道系统制造商。展出公司的自主产品"VIVA-ANGLE VALVE NOZZLE"。在加工具有角度的弯曲产品时,热喷嘴可像汽车大灯镜一样,调整角度,使热喷嘴调节至与产品面垂直的角度。(请参看照片)。
  日本总代理店JMS ENGINEERRING展出。
世纪   世纪是总部位于山形县米泽市的热流道系统制造商。已进入中国、东南亚、欧美、澳大利亚等市场。
  展区内展出商用车前面板局部及成型采用的热流道系统、灯镜 (透明的部分须确保光线均匀通过,成型较难)、车门零部件 (爱信东北产)、进气歧管。
INglass Correns   Correns展出意大利模具及热流道系统制造商INglass的“注塑成型模具用热流道”。作为应用案例,还展出小糸制作所产的搭载于VW Tiguan的大灯镜及组合尾灯 (搭载车型不明)。
Maenner   Maenner为德国热流道系统制造商。成立约50年、进入日本市场约25年。公司产品主要用于食品器皿、医疗器械等领域,汽车相关产品不多。

 

 



塑料熔接技术

  Emerson Industrial Automation为美国的熔接机制造商,在日本设有厚木工厂。此次展出Branson品牌的4种熔接机。此外还展出DUKANE的振动熔接机。

 

Bransonの出展 Bransonの出展
利用振动熔接的丰田 Lexus NX200T的涡轮管 (前左)、日产聆风的中控台 (右后) (Branson展出) 利用激光熔接的丰田Lexus IS的照明设备、利用超声波熔接的丰田Noah的车顶百叶窗 (Branson展出)

 

塑料熔接机

Branson & Emerson 振动熔接机   振动熔接技术 (Vibration Technology)可以最大240Hz (1秒240次)的频率振动,通过摩擦使塑料融化后连接。既无需螺丝也无需粘结剂,生产周期短,利于硬度及尺寸要求。最适用于汽车零部件及家电产品等较大件塑料产品的熔接。
  此次展出利用该工艺熔接的丰田Lexus NX200T的涡轮管、日产Leaf的中控箱。
激光熔接机   该技术的英文名为Contoured Laser Technology。与原来逐条照射熔接线的传统工艺不同,新技术同时照射全部熔接线。还可用于熔接3维零部件和大型零部件。熔接周期较短 (3-10秒/周期)。
  作为应用案例,展出Lexus IS的组合尾灯局部。
红外线熔接机   英文名为Contoured Infrared Welder。利用非接触型红外线放射器的热量使连接表面活性化,通过挤压进行连接。不会产生粉尘及刺脚,可大幅提改善完成品的外观。
超声波熔接机   英文名为Ultrasonic Welder。可产生20kHz (1秒2万次)~40KHz的超声波,使两边的树脂融化后连接。
  展出丰田MPV Noah的车顶百叶窗。用于熔接叶片部分和与之连接的叶片固定部位。
DUKANE Correns 振动熔接机   Correns展出美国DUKANE产的振动熔接机 (Vibration welder)。在美国,与Branson分割市场 (进入日本仅5~6年,份额还不高)。作为应用案例,展出进气歧管、扰流板。

 

 



成型机的展出

  本次展会有多家成型机制造商参展。

  沙迪克展出采用V-LINE的用于高附加值产品的注塑成型机GL系列。普拉克和日本制钢所分别展出利用吹塑机制造的树脂燃料箱。

 

ソディックのV-LINEシステム
沙迪克的V-LINE系列、上部的气缸用于熔融树脂,由下部的气缸注入模具。

 

树脂注塑成型机

沙迪克 V-LINE系列   沙迪克的成型机将用于树脂融化及可塑化 (柔化)的气缸和用于注入的气缸分离,分别提高精度 (一般情况下是1个气缸兼具这2项功能)。
适用于长纤维材料成型的成型机GL60   利用炭素及玻璃长纤维强化的树脂进行成型时,有可能折断纤维,失去强化效果。V-LINE本身已具有防止折断的效果,该成型机可进一步通过螺旋形状的采用(具体内容未公布),在成型时确保强化纤维效果不变。
抑制气体产生的 成型机GL100   由于PPS (聚苯硫醚)中含有弹性体成分,因此易在成型中产生气体。该气体会造成成型品变脏、模具阻塞等问题。
  沙迪克的V-LINE系统已具有抑制气体发生的效果,该成型机进一步加入气泵,可将中间抽成真空。

树脂吹塑成型机及树脂燃料箱

普拉克 小型树脂燃料 罐成型机   普拉克开发出用于制造小型 (40L左右)树脂燃料箱的多层吹塑成型机 (6SOB-1型)。普拉克利用宣传板及影像对成型机进行介绍,并展出该成型机制造的小型树脂燃料箱。
  普拉克主要生产吹塑成型机及薄膜成型机,在薄膜成型机方面,拥有生产用于树脂燃料箱的6层树脂的经验。此次开发中应用了这项经验。
日本制钢所 (JSW) 八千代工业产 树脂燃料罐   日本制钢所 (JSW)展出八千代工业使用公司成型机制造的“内置燃料箱系统”。该系统在吹塑成型燃料罐本体的同时,将气门、摇动音抑制阻板、燃油管内置化。此外将阻板透过量控制为零,使燃料罐整体的HC透过量较公司传统产品减少12%。

 

 



积水化成品工业的发泡树脂

 

ピオセランを使用した製品 ピオセランを使用したバンパー芯材
积水化成品工业展出的使用PIOCELAN的产品。照片右边为后排座椅隔挡扶手、中间2件为体积膨胀材料、左边为下肢冲击吸收材料 使用PIOCELAN的保险杆内芯材料。具有吸收对行人的碰撞能量,降低伤害的效果。
エンジンカバー
积水化成品展出的使用CFRP复合发泡成形体的发动机罩 (试制品)

 

积水化成品业的发泡树脂

PIOCELAN   积水化成品工业开发的PIOCELAN为聚苯乙烯聚烯烃的复合树脂发泡体,具有杰出的抗冲击性、耐腐蚀性、耐磨损性。作为保险杠内芯材料、下肢部冲击吸收材料、体积膨胀材料、轮轴垫片等用途,被日本所有的乘用车厂家采用。此外还作为大型家电产品的缓冲包装材料使用。
  与传统的发泡聚丙烯 (EPP)相比,耐冲击性为后者的1.2倍,可进一步实现轻量化并降低成本。具有杰出的行人保护 (作为保险杠内芯材料使用时)、乘员保护性能。
CFRP复合发泡成型品 (开发中)   积水化成品工业正在开发在CFRP单层间加入夹心材料的发泡树脂。由此,可在确保高强度、冲击吸收性的同时实现轻量化及低成本化。
  根据使用用途,正在开发丙烯酸树脂系树脂发泡体、耐热PS (聚苯乙烯)、特殊聚酯纤维系耐热树脂等发泡体。照片中的发动机罩 (试制品)使用特殊的聚酯纤维系树脂,耐热性高达约180℃。

 

 



使用电铸模具的真空成型、塑料的电镀

  KTX展出使用多孔电铸模具进行真空成型的本田Vezel的中控台及Chevrolet Traverse的仪表板。KTX还开发出MPM电铸模具,可通过进一步的温度管理,进行难流动性材料的薄壁注塑成型。

  冢田理研工业为以塑料表层电镀为特色的表面处理加工公司。在汽车领域为丰田、日产、本田、富士重工、铃木等加工零部件 (有的通过商社)。1963年在日本首次实现塑料表层的电镀工业化。

  目前,欧洲高级车采用的亚光色调 (降低光泽,类似暗铂金色的镀层)在日本车中也广泛使用。

 

Vezelのセンターコンソール Traverseのインストルメントパネル
KTX展出的本田Vezel的中控台 (白框中的部分利用KTX的“多孔电铸模具进行真空成型”、橙色箭头为真皮产品) 利用“多孔电铸模具进行真空成型”的雪佛兰 Traverse的仪表板 (除照片中的黑色部分)
Lexus IS-Fのパドルシフト マスキングめっきと2色成型品
由冢田理研工业进行表面镀层处理的Lexus IS-F的换挡拨片 冢田理研工业的隔阻镀层及双色成型品、绿色部分为隔阻液涂抹部。

 

使用多孔电铸模具的真空成型及新开发的MPM工艺

KTX 真空成型 (多孔电铸模具)   KTX展出利用“多孔电铸模具进行真空成型”的本田Vezel的中控台及雪佛兰Traverse的仪表板。该工艺广泛用于汽车领域的仪表板及内饰品。
  真空成型在模具上放置经加热柔化的树脂板,将模具与树脂板之间瞬间抽成真空,进行成型。多孔电铸模具为电铸模具 (前参照下面内容)的一种,有无数的小通气孔,可进行真空成型。
MPM工艺 Metaled Piping Mold   KTX还开发出MPM电铸模具 (Metaled Piping Mold)。在模具外面设置蒸汽及冷却水管道 (共通的管道可交替通过蒸汽及冷却水),可快速加热或冷却模具。
  由此可进行难流动性材料的薄壁注塑成型,进一步实现轻量和高强度化。提高了电铸模具的可转换性。今后利用MPM制造的产品将登陆市场。
电铸   KTX自20世纪80年代开始开发电铸 (Electroforming)技术。电铸利用电解作用将离子在原型表面形成厚度为3~5mm的镀层,可忠实再现原型的形状及表面的凹凸感。KTX在日本、美国、德国已获得专利。
  由于电铸产品为从原型上剥离下来的电镀层,因此形状与原型正好相反。该产品还可作为原型使用,获得与最初原型形状完全相同的产品。

树脂零部件的电镀

田理研工业 尼伦树脂的表面镀层   展出由田理研工业进行镀层处理的用于Lexus IS-F的尼龙树脂制换挡拨片。公司开发出困难度较高的工程塑料的镀层方法。
镀层阻隔   进行局部镀层加工时一般采用在非镀层部分涂抹阻隔液的方式。照片中绿色的部位为涂抹了阻隔液的部位。
  阻隔液涂抹在树脂上后很难去除,因此通常在阻隔液上涂上颜色,进行隐藏。田理研工业开发出“TP阻隔”,可针对尺寸精度要求较高的产品,在工序内除去阻隔液。
双色成型品的表面镀层   可用于由不易镀层的材料 (PC等)和易于镀层的材料ABS组合而成的零部件的镀层处理。此时即使不进行阻隔处理,也可以实现仅ABS部分镀层,而不易镀层的材料不镀层的局部镀层。还可用于特性设计及异常音 (通过镀层,在接触其他金属时发出异常音)对策。 (有时会有零部件的开发・生产厂家就开发阶段的选材进行咨询。)

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