在汽車講求輕量化的時(shí)候,塑料在這領(lǐng)域找到它的用武之地。無(wú)論是車身、內(nèi)飾件以及外飾件等地方,都可以找到不同種類的塑料應(yīng)用。作為全球最大的汽車制造商之一,寶馬(BMW)也因應(yīng)潮流所趨,使用了大量的塑料。
寶馬汽車在德國(guó)慕尼黑設(shè)有2家工廠,分別位于Landshut及Dingolfing,兩廠共有員工超過(guò)26,000名,負(fù)責(zé)零部件制作、車款開發(fā)及組裝工序,用于各款寶馬汽車、摩托車以至一級(jí)方程式賽車。Landshut工廠生產(chǎn)合金、塑料外飾件及內(nèi)飾件,以及汽車傳動(dòng)軸和備用發(fā)動(dòng)機(jī);Dingolfing則以組裝為主,特色之處是其組裝線靈活性高,一條組裝線可裝配4款不同型號(hào)的寶馬汽車。
公司運(yùn)作性能及材料開發(fā)總監(jiān)Rudolf Stauber博士指出,現(xiàn)時(shí)轎車對(duì)減重的要求越來(lái)越高,所以有必要多采用塑料或輕金屬來(lái)取替以往的鐵制部件。以寶馬7系為例,其總重量為1935千克,塑料部份占了14.5%。雖然這個(gè)數(shù)字可能還不太高,但Stauber博士預(yù)測(cè),2005年聚合物及彈性體在汽車的使用將超過(guò)20%。
除了減輕汽車的重量外,Stauber博士還指出了幾項(xiàng)未來(lái)汽車的發(fā)展重點(diǎn):改善材料與環(huán)境的兼容性、提高司機(jī)及乘客的安全、提升實(shí)用價(jià)值,以及使用更多納米技術(shù)。
寶馬汽車現(xiàn)有使用的塑料大致包括熱塑性塑料、熱固性塑料、彈性體及熱塑性彈性體等。如,與厚鋼板制成的同類部件相比,革新性熱塑性塑料車身側(cè)板重量更輕,兩塊前側(cè)板可降低每車重量大約4公斤。這一設(shè)計(jì)理念可進(jìn)一步增強(qiáng)寶馬6系車型的行駛動(dòng)力性能。另一重要的優(yōu)點(diǎn)是,采用塑料部件,寶馬設(shè)計(jì)師可繼續(xù)確保寶馬6系Coupe和敞篷車型側(cè)板從頭至尾的優(yōu)美線條。如果采用傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu),不可能以同樣方式將側(cè)面裝飾件整合于側(cè)板內(nèi)。而且,熱塑性塑料作為一種可逆向成型的材料,與鋼質(zhì)材料相比,在一些碰撞中如停車時(shí)可能造成的輕微碰撞不會(huì)造成嚴(yán)重影響。
碳纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用
寶馬塑料應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目是重量輕的復(fù)合材料―碳纖維增強(qiáng)塑料(CFP)。寶馬BMW FW25單殼式一級(jí)方程式賽車就是利用這種超強(qiáng)的輕質(zhì)材料制成。該材料的特點(diǎn)是:
1. CFP可大幅度減輕汽車重量,特別適合制作車體部件。現(xiàn)代汽車中,車體占整車重量的15~20%,采用CFP塑料制成車體部件,其重量比鋁材和鋼材分別輕30%和50%以上。即,這一先進(jìn)材料可減輕整車重量達(dá)10%。
2. 除了大幅度減輕整車重量之外,CFP塑料車體部件的最大優(yōu)勢(shì)在于其在碰撞時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度。碳纖維厚度大約為0.007毫米,受力主要集中在纖維本身的定向流方向。因此,可選擇合理的排列,將纖維彼此層疊構(gòu)建,從而優(yōu)化CFP塑料的特色功能和特性,將其調(diào)整到預(yù)期的強(qiáng)度和負(fù)載條件。
3. CFP塑料的另一優(yōu)勢(shì)是可制成高度整合的超大型車體部件,這些部件如果用鋁材或鋼板制成,制作過(guò)程十分復(fù)雜。這樣,為車體設(shè)計(jì)和建造等方面提供了巨大優(yōu)勢(shì),固定和支承等功能可直接整合于部件本體之中。即使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件或整車模塊,均可用同一模具一體化制作,從而減少車體所需部件的數(shù)量。通過(guò)Landshut廠CFP塑料專家、寶馬研究革新中心專家和寶馬公司汽車工程師的密切合作而開發(fā)和設(shè)計(jì),寶馬BMW M3 CSL型汽車的車頂充分體現(xiàn)了采用輕質(zhì)CFP增強(qiáng)車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。為了保證部件所需的穩(wěn)定性之外,考慮材料的光潔度和外觀,還采用了最佳的生產(chǎn)流程,以利用透明層漆面展現(xiàn)CFP材料的組織結(jié)構(gòu)。BMW M3 CSL型汽車車頂在Landshut廠分三個(gè)生產(chǎn)階段制成。第一階段中,將5層專用碳纖維層疊放置進(jìn)行預(yù)成型。這一階段的重要要求,同時(shí)也是這一過(guò)程的一項(xiàng)重大革新,是確保碳纖維妥善排列,準(zhǔn)確到位,具備合理的結(jié)構(gòu),提供車頂所需的穩(wěn)定性和外觀。第二階段是樹脂壓鑄(RTM)注射工藝,將已預(yù)成型的多層碳纖維墊放入1,800噸壓機(jī),將透明型環(huán)氧樹脂注射到材料之中。然后,車頂在高溫模具中硬化,最后,由機(jī)械手從模具中拆除,漆上透明漆。
這一新的生產(chǎn)流程在全球?qū)偈状蜗盗谢瘧?yīng)用,它體現(xiàn)了兩個(gè)特點(diǎn):首先,由于生產(chǎn)流程高度自動(dòng)化,車頂制造所需的時(shí)間至少縮短了1/5。其次,與鋼質(zhì)車頂相比,寶馬M3 CSL型汽車的車頂重量減輕了50%或6公斤。
仿真軟件的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)技術(shù),通過(guò)三維(3D)演示,使計(jì)算結(jié)果“有形化”,從而使整個(gè)開發(fā)隊(duì)伍得到工作和結(jié)果的確實(shí)概念。在研制車身蒙皮革新部件的過(guò)程中,寶馬采用了最先進(jìn)的仿真法。如,在將塑料灌注于注射成型的車身側(cè)板模具時(shí),充分考慮了各種高溫和機(jī)械因素,始終采用計(jì)算機(jī)輔助仿真程序。由此,寶馬公司塑料技術(shù)專家優(yōu)化了各部件的功能特色和品質(zhì)。
側(cè)板注射成型模具
左右側(cè)板采用熱塑性材料通過(guò)注射成型工藝制成。這一工藝中所用的注射成型模具,充分考慮了各個(gè)搭接點(diǎn)和工段,當(dāng)然,也考慮了部件的復(fù)雜設(shè)計(jì)。因此,這是當(dāng)今汽車制造業(yè)中最復(fù)雜的模具。側(cè)板的特定外形和設(shè)計(jì),要求采用至少9塊滑動(dòng)件,以形成水管、保險(xiǎn)杠連接件、車門彎曲部分和輪罩法蘭。當(dāng)中的挑戰(zhàn)是,熱塑性塑料要求嚴(yán)格控制模具內(nèi)溫度,連同滑動(dòng)件一起,必須能在120℃高溫下順利移動(dòng)。另一要求是,必須確保寶馬汽車保持高標(biāo)準(zhǔn)表面質(zhì)量,不得留下模具或滑動(dòng)件壓印。
為了達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn),寶馬公司塑料技術(shù)專家自行開發(fā)了這一模具及其配套理念。結(jié)果,開發(fā)出了一套三壓板式模具,其中,第三壓板作為專用刮板機(jī)架。這一模具用于注射成型機(jī)上,能產(chǎn)生3200噸的閉模壓力。材料的總體收縮率為1.7%,模具內(nèi)收縮率大約為1%。清楚顯示了極高的穩(wěn)定力。
為防止滑動(dòng)件在注射過(guò)程中移動(dòng),異型滑塊必須精確設(shè)置和調(diào)整,公差在0.02~0.03毫米范圍內(nèi)。注射成型之后,5軸式機(jī)械手將部件拆除,模具及圍繞工件整個(gè)周邊的搭接件不會(huì)對(duì)部件造成任何損傷。然后,將注塑件從其它鏈段中切下,放置于冷卻計(jì)上。
在下一工序中,一套全自動(dòng)機(jī)械手將增強(qiáng)件由里向外粘貼在側(cè)板內(nèi)。粘貼之前進(jìn)行等離子加工過(guò)程是預(yù)處理階段中十分重要的工序,其目的是保證粘膠得到最佳粘接。最后,考慮到熱塑性塑料部件的膨脹性,必須精密設(shè)置生產(chǎn)用模具和模頭,精度達(dá)到數(shù)十分之一毫米。
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