2017年日本汽车工程学会:树脂成型加工技术的展示

借助独特的材料和加工技术提出轻量化、改善成型效率的方案

2017/07/03

概要

素材メーカーのブースにコンセプトカーが置かれている

大赛璐-赢创的车载树脂产品介绍
提出将实现航空器片材轻量化的PEEK材料应用至汽车领域的方案

 2017年5月举行的“2017年日本汽车工程学会 横滨” (公益社团法人 汽车技术会主办) 上,各材料供应商的展区热闹非凡,根据轻量化、耐热性、降低噪音和环境负担等不同功能,通俗易懂地介绍了各自的车载树脂产品和技术。

 随着汽车的电动化、低燃耗化发展,轻量化需求越来越高,尤其是车身重量对续航里程产生较大影响的纯电动车 (EV)、插电式混合动力车 (PHV),出现积极应用复合材料和树脂件的趋势。在结构件采用复合材料、以及燃油配管零部件的树脂化方面,欧洲整车厂走在前端,日系整车厂也开始追随这一趋势。

 在这种背景下,本届展会上,多家海外材料供应商向日系整车厂和零部件供应商展示其产品。材料供应商们还提出改善效率、削减成本的方案,通过采用可一体成型的碳纤维复合材料、以及替代螺栓和螺母等金属紧固件的粘合剂,推进车身进一步轻量化,同时,还能削减零部件个数、缩短成型工序等。

 继上篇报告介绍了主要树脂材料供应商的技术展示之后,本报告也将在安田聚合物调查研究所安田武夫所长的协助下介绍独特的树脂相关材料及采用独有成型加工技术的产品。



相关报告
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麦格纳:碳纤维复合材料

 麦格纳(Magna)在人流众多的展区前放置了采用碳纤维复合材料的发动机罩和前副车架,吸引了众多目光。近年来,其展区一直展出众多电动化零部件,本届展会也展示了其车身轻量化的技术。



轻量化复合材料

 为凯迪拉克V系列配套采用轻量化复合材料 (A级面板) 的发动机罩。采用全球首次应用于量产车的压缩成型技术的碳纤维复合材料,为缩短生产周期作出贡献。

 特征:①轻量化:20~30%;②提升外观品质 (坑洼);③满足保护行人的条件;④防腐蚀材料

Cadillac Vシリーズのフード Ford向けフロントサブフレーム
凯迪拉克V系列的发动机罩 供应福特的前副车架


丰田纺织:高耐碰撞塑料

 丰田纺织展出基于新型PP的高耐碰撞塑料成型的车门面板。该技术与丰田中研共同开发完成。

 丰田纺织不是材料供应商,所以计划充分利用了三井化学的制造技术和销售渠道,将高耐碰撞塑料作为三井化学的改性剂之一,应用至汽车领域及其他各个领域。

高耐碰撞塑料panel

    优势:
  1. 具有世界最强耐碰撞性的塑料,其“Salami结构”在纳米级别控制PA11与PP的分布。
  2. 向PP添加高耐碰撞塑料可采取干混合的工艺。
  3. 通过向PP添加耐碰撞塑料,能在保持刚性不变的情况下提高抗碰撞强度。
  • PP: Polypropylene 聚丙烯
  • PA: Polyamide 聚酰胺

ドアパネル成形品

车门面板成型件



 丰田纺织除了座椅、车门面板等产品以外,还展出应用了来自植物纤维洋麻强化PP的材料。

表皮一体発泡工法によるシート ケナフ強化PP
采用表皮一体化发泡工艺的座椅panel 洋麻强化PPpanel


爱尔铃克铃尔:金属与树脂的复合零部件

 爱尔铃克铃尔(ElringKlinger)展出多件金属与树脂的复合零部件。作为替代铁或铝焊接件以及铝或镁压铸件的产品,正在开发铝管或铁管与热塑性树脂的复合产品。采用的树脂是 (GF强化) PP。

  • GF: Glass fiber 玻璃纤维
  • PP: Polypropylene 聚丙烯

液压混合成型 (HFH) 轻量化零部件

 HFH零部件将金属管嵌入模具,对热塑性树脂进行注塑成型而成。金属与热塑性树脂的接合技术是该成型工艺中最重要的关键点,但具体情况未作说明。

HFH部品:クロスカービーム、フロントエンドキャリア、フロントエンドアダプターなど

汽车横梁、前端支承架、前端连接器等



大协西川:CNF强化聚酰胺

 大协西川展出的样品采用了近来受到关注的环保材料CNF (纤维素纳米纤维)。

CNF强化PA

 采用以京都大学的矢野研究室为中心实施的NEDO项目 (京都项目) 的CNF强化PA。

  • CNF: Cellulose nanofiber 纤维素纳米纤维
  • PA: Polyamide 聚酰胺

CNF強化PAの成形品

CNF强化PA的成型件panel



 此外,还展出仪表板、尾门模块、树脂材料发动机零部件等多样化产品。

インパネ ダイハツTHORのバックドアモジュール
仪表板 大发THOR的尾门模块
樹脂製エンジン部品 スバルImprezaのカーボンルーフ
树脂材料发动机零部件 斯巴鲁Impreza的碳纤维车顶


大赛璐-赢创:不同材料的粘合剂、CFRP的拉压工艺 (PulPress)

共聚酰胺 “Vestamelt Hylink”

 共聚酰胺热熔胶用于粘合金属与树脂、金属与金属等不同材料,是用于静电粉末涂装的聚酰胺粉末。利用该产品进行静电涂装和嵌入成型,能提高树脂与金属等的粘合度。

 该产品曾供应给梅赛德斯奔驰的横梁,其轻量化、简化工序、通过“面”的粘合产生的吸音效果等都获得好评。

共重合ナイロンとアルミニウムの複合部品
共聚酰胺与铝的复合零部件

PMI硬质泡沫塑料 “Rohacell”

 PMI (聚甲基丙烯酰亚胺) 硬质泡沫塑料“Rohacell”是一种具有较强耐热性、耐压缩蠕变性和机械强度的复合材料核心材料。应用于汽车、航空器、工业资材、体育运动和医疗器械等领域。

PMI硬質発泡体「Rohacell」

拉压工艺(PulPress)

 Rohacell如右图所示,采取拉压工艺 (PulPress) 制造
 拉压工艺能一次进行复杂形状和螺纹孔等的成型,在CFRP的成型方面,相比需要人力参与的RTM工艺,成本能控制在一半以下。
 RTM工艺在成型前,需要人工将碳纤维片材排列在模具内,很难缩短生产周期。而拉压工艺实现自动化,不仅能降低CFRP零部件的成本,还有望扩大CFRP在车载零部件领域的应用范围。

  • CFRP: Carbon fiber reinforced plastics 碳纤维强化树脂
  • RTM: Resin transfer molding 树脂传递成型
プルプレス(PulPress)工法



 此外,大协西川还展示了PA12燃油管的相关用途等、PEEK的各类汽车零部件以及耐热亚克力树脂等产品。

  • PA: Polyamide 聚酰胺
  • PEEK: Polyetheretherketone 聚醚醚酮



燃油管接头 PEEK树脂“BESTAKEEP”


塞拉尼斯:长纤维强化PP、柔软性PPS

 塞拉尼斯 (Celanese) 是日本工程塑料首屈一指的供应商Polyplasitcs的母公司 (出资45%)。主要从事POM、PBT、LCP、PPS、PCT、UHMWPE、LFT等工程塑料相关材料的业务。由于管辖范围的关系,原先主要在欧美开展业务,但从几年前开始,也在中国、日本等亚太地区开始开展业务。

  • POM: Polyoxymethylene 聚甲醛 (polyacetal)
  • PBT: Polybutylene terephthalate 聚对苯二甲酸丁二酯
  • LCP: Liquid crystal polymer/ Liquid crystal plastic 液晶聚合物
  • PPS: Poly phenylene sulfide 聚苯硫醚
  • PCT: Polycyclohexylenedimethylene terephthalate 聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲醇酯
  • UHMWPE: Ultra high molecular weight polyethylene 超高分子量聚乙烯
  • LFT: Long fiber reinforced thermoplastics 长纤维强化树脂



长纤维强化PP (PP-LFT)

 利用长纤维强化PP的高强度、高刚性、轻量化等特性的用途。

柔软性PPS

 应该是在硬质的PPS中添加了弹性体成分。通过对具有较强耐热性和机械特性的PPS进行改性,实现在以下领域的应用。

長繊維強化PPのシートパン
长纤维强化PP的座椅底座
CoolPoly
(台上左) 柔软性PPS的电缆绑带
(台下) CoolPoly产品

CoolPoly

 作为塞拉尼斯独有的产品,展出超高热传导率的“CoolPoly”。该聚合物浸在冰水中,具有冰冷的触感。



 本届展会上的多数材料供应商并未按照以往根据树脂种类来展示产品,而是根据轻量化等不同功能来进行简单易懂的产品展示。塞拉尼斯的展区也分为电动化、低燃耗等不同主题,展出多款为量产车型配套的树脂产品。

セラニーズ セラニーズ





杜邦:降噪、不同材料粘合技术、生物质纤维

Silent Zytel (GF强化PA66)

 汽缸盖罩盖从金属改为树脂材料的优势包括降噪等。Silent Zytel材料则能够进一步降低噪音。

 通过添加吸音的第三种成分,实现进一步的降噪。添加剂应该是采用了类似橡胶的物质,但如果单纯添加橡胶,有可能会损害产品的高刚性等特性,设计材料时还要优化物理性质的平衡,难度可想而知。

  • GF: Glass fiber 玻璃纤维
  • PA66: Polyamide 66 聚酰胺66
サイレントザイテル製のシリンダーヘッドカバー
Silent Zytel材料的汽缸盖罩盖

不同材料粘合技术 panel

 铝与聚酰胺的粘合技术样品。不同材料的粘合包括塑料与塑料、塑料与金属等。近来,不同材料的粘合成为金属与塑料复合产品的关键技术而受到关注,为汽车的轻量化作出贡献。

 作为不同材料粘合的案例,列举了多层挤出成型、分散乳液涂布、薄膜层压等工艺,还通过展板介绍了杜邦拥有的粘合剂产品、粘合机理等。

異種材接着技術

生物质纤维“Sorona”

 以100%来自植物的1,3PDO为原料的PTT“Sorona”。适用于地板垫、座垫材料等。

 特征:①兼具柔软触感和耐久性的新型纤维材料。②为降低环境负担作贡献的生物质材料。

  • PDO: Propanediol 丙二醇
  • PTT: Poly (trimethylene terephthalate) 聚对苯二甲酸丙二醇酯
バイオマス繊維「ソロナ」の内装部品
生物质纤维“Sorona”的内饰件



 此外,杜邦的展示中受到瞩目的材料还有热传导性 (PI) 聚酰亚胺薄膜、3D中空吹塑成型的冷却液导管 (PA) 等。

  • PI: Polyimide 聚酰亚胺
  • PA: Polyamide 聚酰胺
ポリイミドフィルム ポリイミドフィルムの装着例
聚酰亚胺薄膜 聚酰亚胺薄膜的应用案例
クーラントパイプ オイルパンの樹脂化
冷却液导管 油底壳的树脂化panel



树脂油底壳

 图中的树脂油底壳应用于雷克萨斯LC配套的新型10速AT。为爱信AW制造的10速AT配套滤机的树脂油底壳。这是日本变速器供应商首次采用树脂油底壳。滤机与杜邦合作,解决了耐热性、耐碰撞性等油底壳采用树脂材料后产生的问题。采用耐热性较高的聚酰胺树脂“Zytel”。还在油底壳的表面增加大量细密的加强筋,(油底壳的背面图片),减少因为碰撞造成的破损,防止机油泄漏。



展出的独特树脂产品和加工技术等

三和贸易

 三和贸易的展区展出了采用连续纤维热塑性材料“Tepex”的汽车量产零部件。Tepex是在CF或GF中完全浸渍热塑性树脂的轻量化高强度片材。属于德国Bond Laminates公司的产品,由三和贸易销售。在欧美,还应用于汽车的结构件、航空器、体育用品等量产产品。

  • PP: Polypropylene 聚丙烯
  • CF: Carbon fiber 碳纤维
  • GF: Glass fiber 玻璃纤维

连续纤维强化热塑性片材“Tepex”

 PP的连续纤维强化热塑性片材“Tepex”嵌入模具,通过长纤维强化PP混合成型的产品。其特征包括高强度、高刚性、轻量化,考虑作为替代汽车结构件的金属加以应用。

VW Teramountのフロントエンド

大众途昂Teramont的前端



Victrex

 全球最大的PEEK材料供应商,展出利用耐热性、机械特性、耐磨性等特性的多个零部件。

  • PEEK: Polyether ether ketone 聚醚醚酮
  • ABS树脂: 丙烯腈 (Acrylonitrile)、丁二烯 (Butadiene)、苯乙烯 (Styrene) 共聚树脂
ブレーキブースターのスライドバルブ

ABSロッドシール

制动助力器的滑阀
利用PEEK优异的耐磨性和较强的耐久性等特性。

ABS活塞杆密封件
利用阻尼特性,降低高频噪音。还能削减30%的成本。



藤仓橡胶工业

 藤仓橡胶展出CFRP扭矩传递轴、LED硅胶镜头等独特的产品。还展出高减衰防振轴 (CFRP-橡胶复合技术)、热膨胀隔热橡胶等产品。

  • CFRP: Carbon fiber reinforced plastics 碳纤维强化树脂

CFRP扭矩传递轴

 兼用高强度CFRP管、以及CFRP与金属的高强度接合技术的CFRP扭矩传递轴。

    高强度CFRP管的特征:
  1. 利用独有的层压技术,相比原有产品可传递高扭矩。
  2. 可进行无空隙成型。
  3. 可用于100℃及以上环境。
  4. 耐疲劳性优。
CFRP製トルク伝達軸

LED用硅胶镜头

    特征:
  1. 可制作具有较高透明性和透光性的镜头。
  2. 实现UV稳定性:可制作黄变较少的镜头。
  3. 实现大型镜头:可制作变形较少的镜头。
  4. 可制作经过微细加工的镜头。
  5. 可制作反射率较高的反射板。
  6. 实现凹割加工:可制作考虑到设计性的镜头。
  7. 可制作耐热性较强的镜头。
LED用シリコンゴムレンズ



大丰集团

 大丰集团展出利用纸浆模塑工艺制作的CFRP发动机支承架。此外,还展出了高强度、耐摩聚芳基酰胺纤维强化苯酚树脂齿轮。

  • CFRP: Carbon fiber reinforced plastics 碳纤维强化树脂

纸浆模塑工艺制作的CFRP零部件

 纸浆模塑工艺是大丰集团独有的成型工艺,利用造纸的技术在树脂中添加纤维进行强化。

生产工艺流程:panel
  1. 在树脂和纤维中加入摩擦调节剂,在水中对其进行搅拌混合。
  2. 利用造纸技术进行固形 (纸浆模塑)。
  3. 脱水、干燥后,进行加热和加压成型,进行精加工。
    成型件的特征:
  1. 高强度:纤维的结合实现无以伦比的强度
  2. 高耐热:超过通用工程塑料的高耐热性
  3. 强隔热:采用热传导率较低的树脂制作的隔热材料 (铁的1/400)
  4. 轻量化:比重仅铝的一半,却实现铝的同等强度
  5. 低噪音:齿轮采用树脂材料后,大幅减少了齿轮碰撞声的产生
  6. 摩擦、滑动以及绝缘、导电:材料选择的自由度高。

抄造法で製作したCFRP製エンジンマウントブラケット

利用纸浆模塑工艺制作的CFRP发动机支承架



不二电子工业

 不二电子工业利用其成型技术,展出实现高质量、低成本等优势的各类车载零部件。

传感器壳体

 采用耐热性树脂 (应该是PPS) 的车载传感器壳体,适用于气压、燃料压力、机油传感器。

  • PPS: Polyphenylene sulfide 聚苯硫醚

在嵌入端口焊接电子件

 通过将集成电路、电容器等电子件焊接至嵌入端口 (可能使用PBT) 进行固定,实现电子件的小型化。

  • PBT: Polybutylene terephthalate 聚对苯二甲酸丁二酯
センサーハウジング インサート端子への電子部品溶接



东丽研究中心

 东丽研究中心介绍了复合材料纤维/树脂界面的评估方法。据悉,通过对纤维/树脂间的紧密强度进行评估和分析,有助于改良复合材料的强度。

複合材の繊維/樹脂界面評価法 GF/樹脂界面の密着強度評価
复合材料的纤维/树脂界面评估方法 GF/树脂界面的紧密强度评估

 东丽利用优异的分析和解析技术,对汽车树脂材料进行分析和强度解析等,支援材料设计和材料开发。还能排查各种材料引起的问题,为解决问题作出极大贡献。

 除了东丽以外,三井化学分析中心、住化分析中心、MC安全气囊等材料供应商的相关公司也介绍了同样优异的分析技术,展示了对汽车技术发展所作的贡献。

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关键词

树脂、塑料、CFRP、碳纤维、替代金属、高刚性、成型、轻量化、电动化、材料、复合材料、粘合剂、生物质、麦格纳、Magna、丰田纺织、爱尔铃克铃尔、ElringKlinger、大协西川、大赛璐-赢创、Evonik、塞拉尼斯、Celanese、杜邦、DuPont

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