2019年东京车展:NCV (纳米纤维素汽车) 项目

发布采用CNF(纤维素纳米纤维)材料的概念车

2019/11/20

概要

  NCV (Nano Cellulose Vehicle)项目是日本环境省发起的项目,于2016年10月26日启动,目标是利用下一代新材料—纤维素纳米纤维(CNF: Cellulose Nanofiber),到2020年实现汽车轻量化10%左右。京都大学为代表单位,共计22所大学、研究机构和企业构成的联盟实现了一条完整的供应链。


  2019年东京车展上,作为该项目的综合成果展示,首发NCV概念车,在多个部位采用了CNF。本报告将介绍NCV概念车及配套零部件和材料的概况。

NCVコンセプトカーの展示 NCV搭載部品の展示
NCV概念车的展示 NCV配套零部件的展示

 

NCV项目的共同实施机构

  京都大学、京都市产业技术研究所、宇部兴产、昭和丸筒、昭和产品、名古屋工业大学、利昌工业、秋田县立大学、井上、京乐、大协西川、三和化工、麦克赛尔、爱信精机、电装、丰田纺织、丰田汽车东日本、金泽工业大学、Toyota Customizing & Development、东京大学、产业技术综合研究所、可持续经营推进机构

 



NCV概念车

  NCV概念车位于日本环境省展区的中央,旁边的展示角还展示了采用CNF的各类零部件和材料的说明板。此外,介绍NCV项目概况的说明板介绍了原料纤维素相关内容、CNF制造的流程、应用于汽车领域的概念车情况等,下方则标注了参与该项目的各所大学、企业和研究机构。

NCV試作車の展示 NCVプロジェクト説明パネル
NCV样车的展示
在CNF的原料—木材片上进行展示
NCV项目的说明板

 

NCV試作車の内装 NCVの搭載部品
NCV样车的内饰 NCV配套的主要零部件主要树脂与CNF的复合比例、
成型加工法、业务负责公司等。

(笔者拍摄,下同)

 

  下一章节将按不同部位简单介绍NCV概念车配套的主要零部件。

・车门饰件(丰田纺织)
・车顶面板(丰田汽车东日本)
・发动机罩(利昌工业)
・后扰流板(京乐)
・前底罩(京乐)
・行李厢托盘前盖罩(井上)
・轮毂片(京都大学)
・上边梁(昭和丸筒/昭和产品)
・地板部材(金泽工业大学)
・发动机罩(金泽工业大学)
・电池支架(丰田车体)
・仪表板、举升门(大协西川)
・空调机(电装)
・进气歧管(爱信精机)
・座椅垫(三和化工)
・镀层零部件(麦克赛尔)

 



NCV的配套零部件

车门饰件(丰田纺织)

ドアトリム
车门饰件

  采用聚丙烯(PP) CNF10%复合材料,注塑成型。

目标:
  ① 实现与现有车门饰件同等性能、生产效率和成本
  ② 轻量化率达到15%以上

需要注意问题:
  ① 碰撞时的破裂
  ② 提高耐冲击强度的对策

未来课题:
  ① 长期耐久性
  ② 需要确认注塑成型的连续生产性

 

车顶板(丰田汽车东日本)

ルーフパネル
车顶板
展板:车顶板

  丰田汽车东日本负责的部件,由王子控股公司提供合作。聚碳酸酯(PC)+CNF15%的复合材料,注塑压缩成型。

目标:
  ① 轻量化率:比无机玻璃轻量化50%,比树脂玻璃轻量化20%
  ② 生产效率和品质保持现有水平不变。

需要注意问题:
  ① 耐久品质
  ② 成本

未来课题:确保符合市场需求的品质,评估耐久性能及降低材料成本等。

 

发动机罩(利昌工业)

ボンネット
发动机罩

  利昌工业负责的部件,由名古屋工业大学、日本秋田县县立大学共同开发的100%CNF材料的蜂窝芯材。真空袋成型。

目标:
  ① 轻量化率(希望)提高50%及以上
  ② 刚度(希望) 提高至钢材的2倍
  ③ 还希望提高外观、隔热性和NVH等性能

需要注意问题:
  ① 品质下降造成轻量化效果的缩小
  ② 成型时间大幅缩短,涂装性、电磁波阻隔性、长期耐久性、耐水性、燃烧性等

未来课题:
  ① 所需质量的评估
  ② 计划大幅缩减成型时间
  ③ 隔热、NVH等性能的评估
  ④ 探索一体成型降低成本的可能性

 

后扰流板(京乐)

リアスポイラー
后扰流板

  PP+CNF 10%的复合材料,吹塑成型。中空轻量产品,通过添加CNF提高了刚度。

目标:
  ① 轻量化率达到10%及以上
  ② 生产效率、质量和成本与现有产品达到相同水平

需要注意问题:
  ① 成型时和零部件燃烧时的异味产生
  ② CNF的分布不均匀

未来课题:
  ① 所需质量的评估和轻量化效果的确认
  ② 吸音性质的研究
  ③ 需要注意问题(吸水性、燃烧性、异味、VOC等)的重要度确认
  ④ 成本估算等

 

前底罩(京乐)

フロントアンダーカバー
前底罩

  PP+CNF 10%的复合材料,吹塑成型。中空轻量产品,通过添加CNF提高了刚度。

目标:
  ① 轻量化率达到10%及以上
  ② 可用现有设备生产,品质和成本达到现有产品同等水平

需要注意问题:
  ① 成型时和零部件燃烧时的异味产生
  ② CNF材料的分布不均匀

未来课题:
  ① 所需质量的评估和轻量化效果的确认
  ② 吸音性质的研究
  ③ 需要注意问题(吸水性、燃烧性、异味、VOC等)的重要度确认
  ④ 成本估算等

 

行李厢托盘前盖罩(井上)

パケトレフロントカバー
行李厢托盘前盖罩

  PP+CNF 10%的复合材料。注塑+发泡成型。通过添加CNF提高了刚度。

目标:
  ① 轻量化率达到20%及以上
  ② 生产效率:保持现有水平不变
  ③ 品质:确保内饰件的耐冲击性
  ④ VOC(尤其是乙醛):标准范围内
  ⑤ 成本:CNF50w%母料价格550日元/kg及以下

需要注意问题:
  ① 需要采取VOC对策
  ② 采用高浓度母料使用时CNF的分散性

今后课题:在母料中尝试VOC对策,验证降低VOC的效果

 

轮毂轮辐(京都大学)

ホイールフィン
轮毂片

  京都大学负责的部件,与名古屋工业大学共同开发而成。聚酰胺6 (PA6)+CNF 10%的复合材料,通过3D打印机进行层积成型。不需要模具,因此还能进行注塑成型无法实现的复杂形状产品成型。

目标:
  ① 比注塑成型件轻量化10%及以上
  ② 不适用于追求生产效率的部件,但可以提高小型零部件的生产效率
  ③ 品质:与注塑成型件同等品质

需要注意问题:老化后尺寸会发生变化

今后课题:
  ① 通过改良树脂提高成型速度
  ② 研究CNF与生物类材料的应用
  ③ 通过控制颗粒材料的颗粒分布,提高表面平滑度

 

上边梁(昭和丸筒/昭和产品)

ルーフサイドレール
上边梁

  昭和丸筒/昭和产品负责的部件,由名古屋工业大学和日本秋田县县立大学共同开发。CNF片材和铝合金为芯和中空材料,采取扁线绕组成型。

目标:
  ① 轻量化率相对于钢材提高30%及以上
  ② 生产效率:达到CFRP件同等及以上水平
  ③ 品质:与现有钢材产品相同水平
  ④ 成本:CFRP件同等及以下

需要注意问题:
  ① 品质下降(吸水)时会轻量化效果或下降
  ② 确保生产效率(连续生产)
  ③ 弯曲变形等

今后课题:
  ① 轻量化效果的数据化
  ② 绕组时间、操作效率的研究 
  ③ 确认需要注意问题的重要度(耐水性等) 
  ④ 确认薄板铝合金的加工成本等

 

地板部件(金泽工业大学)

フロア部材
地板部件
展板:地板部件

  金泽工业大学负责的部件,与Toyota Customizing & Development共同开发。将CNF纸/环氧树脂进行VaRTM低压成型。目的是判断CNF大型轻量结构件的成型可能性。

目标:
  ① 轻量化率相当于钢材50%及以上 
  ② 生产效率:模具使用时间超过1小时。可进行大型部件的一体成型 
  ③ 品质:只考虑成型(考虑利用材料特性的材料构成) 
  ④ 成本:降至钢材同等及以下水平

需要注意问题:
  ① 基本部品特性未评估(刚度、侧面碰撞性能等)
  ② 大幅缩短成型时间
  ③ 考虑材料的特性进行评估

今后课题:
  ① 追求大型一体成型的进一步可能性
  ② 提高成型性
  ③ 轻量化以外的优势(隔热、NVH等)的详细评估
  ④ 确认需要注意问题(吸水、EMI、安全性等)的重要度
  ⑤ 防水涂装性能评估等

 

发动机罩(金泽工业大学)

エンジンフード
发动机罩

  金泽工业大学负责的部件,与Toyota Customizing & Development共同开发。将CNF纸/环氧树脂进行VaRTM低压成型。目的是判断CNF大型轻量结构件的成型可能性。

目标:
  ① 轻量化率达到50%及以上
  ② 生产效率:模具使用时间超过10分钟
  ③ 品质:可行驶水平
  ④ 成本:降至钢材同等及以下水平

需要注意问题:
  ① 可靠度的详细评估(行人保护、开闭耐久性等)
  ② 缩短成型时间,需要专用制造设备
  ③ 电磁波隔绝性
  ④ 可维修性等

今后课题:
  ① 把握进一步大型一体成型的可能性
  ② 提高成型性
  ③ 轻量化以外的优势(隔热、NVH等)的详细评估
  ④ 确认需要注意问题(吸水、EMI、安全性等)的重要度
  ⑤ 防水涂装性能评估等

 

电池支架(丰田车体)

バッテリーキャリア
电池支架

  丰田车体不是该项目的参与成员,但参与了其他的CNF相关项目,此次参考展出为NCV概念车配套的零部件。采用PP+CNF 15%的复合材料,相比金属件轻量化30%。

 

仪表板、举升门(大协西川)

  将PP/CNF、PA/CNF复合材料注塑和发泡成型,目的是探索内饰部件量产的可能性。

目标:
  ① 轻量化率(替换现有材料)达20%及以上、比钢材轻量化50%及以上
  ② 生产效率:与现有产品同等的加工性能
  ③ 品质:保证镜面平滑性,减少发泡特有的旋涡缺陷
  ④ 成本:与现有产品同等水平

需要注意问题:
  ① 物理性质(耐冲击性)下降时会造成轻量化效果的下降
  ② CNF的凝集造成平滑性下降

今后课题:
  ① 改善物理性质和功能性(提高CNF分散性,控制泡沫孔等)
  ② 评估规格是否符合(长期耐热性、耐湿性、阻燃性、VOC)
  ③ 改善泡沫外观
  ④ 材料成本

インストルメントパネル リフトゲート
仪表板 举升门

 

空调机外壳(电装)

エアコンケース
空调外壳

  将聚烯烃/CNF复合材料进行注塑发泡成型。计划实现大型复杂形状部件的轻量化。

目标:
  ① 轻量化率:在现有产品(PP/滑石粉材料)的基础上提高10wt%及以上
  ② 生产效率:与现有产品同等的生产周期
  ③ 品质:满足产品所需的机械物理性质(硬度),翘曲度降低至现有产品的一半及以下
  ④ 成本:成本在现有材料的基础上上浮不超过10%

需要注意问题:
  ① 进一步轻量化时兼顾机械物理性质
  ② 吸水及加水分解时对物理性质和尺寸稳定性的影响
  ③ 成型时的热应力造成的VOC
  ④ 高度发泡造成生产效率(生产周期等)的低下

 

进气歧管(爱信精机)

インテークマニホールド
进气歧管

  采用PA6+CNF15%的复合材料注塑成型的环保进气歧管。

目标:
  ① 轻量化率:在PA6-GF30基础上轻量化10%及以上(PA6-GF30与PA6-CNF15机械性质相同时)
  ② 生产效率:现有注塑成型材料同等水平
  ③ 品质:保证产品所需品质
  ④ 成本:到2030年实现与现有材料同等水平

需要注意问题:CNF的吸水和凝集。

今后课题:
  ① 考虑优化设计形状,确保尺寸稳定性,提供耐压性能
  ② 寻找CNF材料成型和熔接的最佳条件
  ③ 调查CNF成本

 

座椅垫(三和化工)

シートクッション
座椅垫
展板:座椅垫

  向聚乙烯(PE)中添加CNF,对高度发泡和高强度泡沫进行加热压缩成型(内部采用30倍发泡产品,用15倍发泡产品包裹成型)

目标:
  ① 轻量化率:10~15%
  ② 生产效率:与现有加热压缩成型工艺同等水平
  ③ 品质:保持现有水平
  ④ 成本:保持现有水平或上浮约5%

需要注意问题:CNF成本

今后课题:可作为概念车的隔热材料和吸音材料(降低风噪声)使用。

 

镀层零部件(麦克赛尔)

めっき部品
镀层零部件(车门把手等)
展板:镀层零部件(前格栅)

  综合采用CNF- PA6的镀层、发泡成型技术,计划量产轻量高刚度部件。

目标:
  ① 轻量化率:相对于现有ABS树脂镀层产品,轻量化20~30%(发泡成型件)
  ② 生产效率、品质、成本:现有产品同等水平

需要注意问题:镀层品质的稳定性、生产效率(注塑成型、镀层工序的优化)

今后课题:
  ① 必要品质评估
  ② 镀层基材表面品质的提升
  ③ 评估轻量化以外的优势
  ④ 生产效率
  ⑤ 成本估算

 



采用CNF的汽车轻量化

CNFによる軽量化開発
采用CNF的轻量化开发

  总结了采用CNF的轻量化开发的展板介绍了CNF的特点和物理性质。介绍了从原料到树脂颗粒的加工工序,还介绍了采用CNF时的效果及应用案例等。

  CNF是可在日本大量供应的重要环保资源。其应用开发刚起步,计划将CNF应用于汽车,实现轻量化的该项目极具挑战性。本届车展上展出搭载这么多CNF材料部件的概念车是非常有价值的,各个部件都极富参考价值。考虑到严格的物理性质要求和成本等问题,CNF要正式应用于汽车还为时尚早,但我们期待CNV车问世之日能尽快到来。


参考:日本环境省NCV项目 
http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/ncv/(日语)

 


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关键词
生产技术、车展、轻量化、树脂成型、塑料、纤维素纳米纤维、CNF、NCV、Nano Cellulose Vehicle

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