汽車復合材料主要加工工藝和技術

世界上第一輛全復合材料車身的汽車誕生55年以來，隨著汽車工業的快速發展以及大眾環保意識和節能意識的不斷增強，尤其是在世界能源危機和石油漲價而使得汽車工業向輕量化方向發展的大背景下，作為汽車輕量化主流輕質材料之一的汽車復合材料的材料性能和加工工藝技術也因此而得到了快速發展。現在，無論是歐、美、日等汽車工業發達國家，還是中國、巴西和印度等汽車工業快速發展中國家，都已在汽車制造中大量采用汽車復合材料，涉及的車輛有商用車、乘用車、工程車、農用車、運動車以及休閑車、軍用車和摩托車等幾乎所有的車種，主要應用范圍也從外履件發展到汽車的各個部分，可以說從車頭到車尾，從外飾件到內飾件，從A級表面的車身面板到結構件、半結構件，從車門、車窗到車蓋、車頂，從皮卡車廂、車身底護板到發動機氣門蓋、油底殼，從座椅骨架、底盤到儲氣罐、傳動軸和板彈簧等，到處都有汽車復合材料的應用。那么，這些形狀各異、技術性能各不相同，甚至規格和產量規模都相差甚遠的汽車復合材料零部件是如何生產出來的呢？其主要生產工藝有哪些？與常規金屬汽車零部件生產相比又有什么優缺點？……我們知道，汽車復合材料是一種可設計的材料，能夠方便地實現整體綜合優化設計。其中汽車復合材料制造工藝的可設計性帶給了汽車復合材料制造行業無窮的想像力和創新機會。目前，我們己知的汽車復合材料制造工藝技術就多達幾十種，并且還處于不斷的創新發展之中。由于篇幅有限，本文就汽車復合材料主要且常用的6種加工工藝和技術做一初步介紹。 

手糊成型工藝和技術 

簡單地說，手糊成型工藝(Hand Lay-up Molding)是手工作業把玻璃纖維織物和樹脂交替地鋪層在已被覆好脫模劑和膠衣的模具上，然后用壓輥滾壓壓實脫泡，最后在常溫下固化成型為汽車復合材料制品，如圖1所示。盡管在現代汽車復合材料成型新工藝不斷涌現的情況下，手糊成型工藝顯得比較原始，但是，該工藝卻具有其獨特的不可替代性，仍然為世界各國汽車復合材料行業特別是中國汽車復合材料行業所廣泛采用。 

 
圖1 手糊成型工藝示意圖

圖2所示為手糊成型工藝流程。從該工藝流程可以看出，手糊成型工藝具有以下優點：不需要復雜的設備和模具，投資低；生產技術容易掌握，且產品不受尺寸形狀的限制，適合小批量和大型制件的生產；可與其他材料如金屬、木材及塑料泡沫等同時復合制成一體。這些優點使得手糊成型工藝至今仍然作為汽車復合材料的一種主要成型工藝而被用于小批量地加工各種汽車復合材料制品，如客車和重型卡車的前/后圍面板、高頂、導流罩、引擎罩蓋、保險杠、擋泥板以及休閑車、農用車的車身等。此外該工藝還被用于新車開發，如制造概念車和新車樣件試制。

 
圖2 手糊成型工藝流程

手糊成型工藝的缺點是生產效率低，生產周期長，工作環境差，因此對于大批量車型的產品不太適合。此外，由于這種工藝與操作人員的技能水平和制作環境條件有很大的關系，受此影響，在我國，由手糊成型工藝生產的汽車零部件的質量往往不夠穩定，從而影響了汽車復合材料的聲譽。 

需要說明的是，手糊成型工藝并不是劣質汽車復合材料零部件的代名詞。只要嚴格按照手糊成型工藝的流程和工藝規范，準確掌握手糊工藝的技術要領，同樣能夠制作出一流水平的汽車復合材料制品。實際上，國外很多昂貴和精致的高檔跑車以及在展會上熠熠生輝的很多概念車均出自于手糊成型工藝之手。圖3所示的Chevrolet Corvette跑車，其車身即為用手糊成型工藝生產出來的。 

 
圖3 用手糊成型工藝生產的跑車車身

噴射成型工藝和技術 

圖4所示為噴射成型工藝(Spray Up Molding)示意圖。該工藝是將混有引發劑和促進劑的兩種聚酯分別從噴槍兩側噴出，同時將切斷的玻纖無捻粗紗由噴槍中心噴出，使其與樹脂在空間均勻混合后沉積到模具上。當沉積到一定厚度時，用壓輥滾壓使纖維浸透樹脂，排除氣泡，在經常溫固化后成型為汽車復合材料制品。噴射成型工藝是在手糊成型工藝的基礎上發展起來的。由于該工藝是借助于機械的手工操作工藝，因此也被稱為“半機械手糊成型工藝” 。圖5所示為該工藝的工藝流程。 

 
圖4 噴射成型工藝示意圖

 
圖5 噴射成型工藝流程

與手糊成型工藝相比，噴射成型工藝的效率提高了2～4倍甚至更高。其優點是：由于使用無捻粗紗代替了手糊工藝的玻璃纖維織物，因而材料成本更低；成型過程中無接縫，這使得制品的整體性和層間剪切強度更好；可自由調節產品的壁厚、纖維與樹脂的比例以及纖維的長度，因而滿足了汽車零部件的不同機械強度要求。由于噴射成型工藝具有效率高、成本低及產品尺寸形狀不受限制的優點，因此該工藝在國外汽車復合材料行業中，有逐步取代傳統的手糊成型工藝的趨勢，例如，客車和重型卡車的很多前/后圍面板、側面護板、高頂及導流罩等都已由噴射成型工藝制作。 

噴射成型工藝的缺點是：產品的均勻度在很大程度上取決于操作人員的操作熟練程度；由于噴射成型的樹脂含量高且增強玻纖短，因而制品強度較低；陰模成型比陽模成型難度大，小型制品比大型制品生產難度大；生產現場工作環境惡劣，環境污染程度一般均大于其他的工藝方法；初期投資比手糊成型工藝大。盡管如此，近年來，噴射成型工藝的缺點正在得到極大的改善。在國外，已采用機械手編程來替代人工噴射，從而大大提高了產品質量的穩定性，原材料的損耗也被明顯降低。同時，通過對生產現場采取全封閉的管理措施以及進行空氣排放處理，使得環境污染問題得到明顯改善。圖6所示為采用噴射成型工藝生產的KENWORTH重卡高頂。 

 
圖6 采用噴射成型工藝生產的重卡高頂

纏繞成型工藝和技術 

纏繞成型工藝(Filament Winding)是在控制纖維張力和預定線型的條件下，將浸過樹脂膠液的連續纖維（或布帶、預浸紗）按照一定的規律連續地纏繞到相應于制品內腔尺寸的芯模或內襯上，然后在室溫或加熱條件下使之固化、脫模，獲得一定形狀的汽車復合材料制品，如圖7所示。根據纖維纏繞成型時樹脂基體的物理化學狀態不同，分為干法纏繞、濕法纏繞和半干法纏繞三種。其中，濕法纏繞的應用最為普遍。濕法纏繞工藝顧名思義是將連續玻璃纖維粗紗或玻璃布帶浸漬樹脂膠后，直接纏繞到芯模或內襯上而成型并經固化的成型方法。而干法纏繞一般僅用于高性能、高精度的尖端技術領域中。 

 
圖7 纖維纏繞成型工藝示意圖

纖維纏繞成型工藝的優點是：能夠按產品的受力狀況設計纏繞規律，以充分發揮纖維的強度；比強度高。一般來講，纖維纏繞壓力容器與同體積、同壓力的鋼質容器相比，重量可減輕40%～60%；可靠性高。纖維纏繞制品易實現機械化和自動化生產，工藝條件確定后，纏出來的產品質量穩定、精確；生產效率高。采用機械化或自動化生產，只需少數操作工人，纏繞速度快（240m/min）；成本低。在同一產品上，可合理配選若干種材料（包括樹脂、纖維和內襯），使其再復合以達到最佳的技術經濟效果。現在用纖維纏繞成型工藝生產的CNG/LPG高壓氣瓶、傳動軸和板狀彈簧等已廣泛應用于大客車、轎車和卡車上。纖維纏繞成型工藝的缺點是：纏繞成型適應性小，不能纏任意結構形式的制品，特別是具有凹形表面的制品。這是因為纏繞時，纖維不能緊貼在芯模表面，而是處于架空狀態；纏繞成型需要有纏繞機、芯模、固化加熱爐、脫模機及熟練的技術工人，不僅投資大，而且技術要求高，因此只有大批量生產時才能獲得較大的經濟技術效益。圖8所示為采用纖維纏繞成型工藝生產的CNG乘用車用高壓氣瓶。

 
圖8 采用纖維纏繞成型工藝生產的CNG車用氣瓶

樹脂傳遞模塑成型工藝和技術 

樹脂傳遞模塑成型工藝(Resin Transfer Moulding)簡稱RTM。該技術始于1950年代，是從濕法鋪層手糊成型工藝和注塑成型工藝中衍生出來的一種新的閉模成型工藝。該工藝一般是在模具的型腔中預先放置玻璃纖維增強材料（包括螺栓、螺帽或聚氨酯泡沫塑料等嵌件），閉模鎖緊后，將配好的樹脂膠液在一定的溫度和壓力下，從設置于適當位置的注入孔處注入模腔，浸透玻纖增強材料，然后一起固化，最后啟模、脫模，得到兩面光滑的汽車復合材料制品。圖9所示為RTM工藝示意圖。 

 
圖9 樹脂傳遞模塑成型工藝示意圖

圖10所示為RTM的工藝流程。由于是一種閉模成型工藝，因此RTM的優點是：無需膠衣涂層即可使構件獲得雙面光滑的表面；在成型過程中散發的揮發性物質很少，有利于工人的健康和環境保護；模具制造與材料選擇的機動性強，不需要龐大、復雜的成型設備就可以制造出復雜的、有極好制品表面的大型構件；根據設計需求，增強材料可以按任意方向鋪放或局部增強，因而容易實現按制品受力狀況鋪放增強材料的目的。成型效率高、投資少以及易實現自動化生產的特點，使RTM工藝日益為汽車復合材料行業所重視，并逐步成為取代手糊成型、噴射成型的主導成型工藝之一。

 
圖10 RTM工藝流程

目前，RTM工藝在汽車制造業中的應用已非常廣泛，如乘用車的車頂、后廂蓋、側門框和備胎倉，以及卡車的整體駕駛室、擋泥板和儲物箱門等都有用RTM工藝生產的。圖11所示是用RTM工藝生產的ASTON MARTIN跑車的車身側圍板。

 
圖11 用RTM工藝生產的車身側圍板

當然，RTM工藝也存在一些不足，如：雙面模具的加工費用較高；預成型坯加工生產設備的投資大；對原材料(樹脂和玻纖材料)和模具質量的要求高，以及對模具中的設置與工藝要求嚴格等。目前，對RTM成型工藝的研究和推廣不斷取得新的進展，主要研究方向集中在：微機控制注射機組、增強材料預成型技術、低成本模具、快速樹脂固化體系及工藝穩定性和適應性等方面，涌現出了一系列改良的RTM成型工藝，如 Lite-RTM、VARTM、VIP和TERTM等。 

模壓成型工藝和技術 

模壓成型工藝(Compression Molding)是復合材料生產中最古老而又富有無限活力的一種成型方法。它是將一定量的預混料或預浸料加入金屬對模內，經加熱、加壓固化而成型的一種方法，如圖12所示。模壓料的品種有很多，可以是預浸物料、預混物料，也可以是坯料。當前常用的模壓料品種有：熱固性復合材料，包括SMC、BMC和TMC等；熱塑性復合材料，包括GMT、D-LFT和G-LFT等。 

 
圖12 模壓成型工藝示意圖

在提到模壓成型工藝技術時，我們特別要提到汽車復合材料工業廣泛應用的熱固性復合材料SMC和熱塑性復合材料GMT模壓成型工藝。 

SMC(Sheet Moulding Compounds)又名片狀模塑料，是一種帶流動性能的預浸材料，其物理形態是一種類似“橡皮”的夾芯材料，“芯材”由經樹脂糊充分浸漬的短切玻璃纖維(或氈)組成，上下兩面為聚乙烯薄膜所覆蓋，以防止空氣，灰塵、水汽及雜質等對材料的污染以及聚酯樹脂交聯劑苯乙烯的揮發損失。樹脂糊里含有聚酯樹脂、引發劑、化學增稠劑、低收縮率添加劑、填料、脫模劑和顏料等組分。SMC主要采用金屬對模的模壓成型工藝，其壓制工藝過程相對比較簡單，主要包括片狀模塑料的制備和成模兩部分。由于SMC的組成比較復雜，每種組分的種類、質量、性能及其配比等對SMC的生產工藝、成型工藝及最終制品的性能、價格等都有很大的影響，因此，對組分、用量和配比等進行合理的選擇，對于制造優良的汽車SMC零部件具有十分重要的意義。圖13所示為SMC模壓成型工藝流程。 

 
圖13 SMC模壓成型工藝流程

GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)又名玻纖氈增強熱塑性塑料片材，是一種用玻璃纖維針刺氈或原絲氈增強的熱塑性塑料半成品片材。GMT片材的成型通常有兩種：一是連續玻璃纖維氈或針刺氈與熱塑性塑料層合而成，另一種則是隨機分布的中長纖維與粉末熱塑性樹脂制成的片材。前者適合于沖壓模壓成型，其制品的形狀一般比較簡單。后者的流動性較好，適合于流動模壓成型，適于成型形狀較為復雜的汽車零部件。與金屬材料相比，GMT的密度約為鋼材的1/6～1/7，具有耐腐蝕以及隔熱、隔音和絕緣性好的優點，可一次加工成型復雜的制品；與SMC片狀模塑料相比，GMT具有極長的貯存期，制品的成型周期是SMC的1/3～1/4，并且沖擊韌性好，可回收利用。基于以上特點，GMT在汽車工業中的應用范圍不斷擴大，應用量不斷增加，正越來越多地代替金屬和熱固性復合材料。 

與SMC相似，GMT也是采用金屬對模的模壓成型工藝，所不同的是SMC的固化成型是化學反應，而GMT的冷卻成型是物理變化，成型所要求的工藝參數和對壓機、模具的技術要求是不相同的。GMT成型工藝的特點是：片材必須先預熱(加熱至220～230℃)，成型壓力高(10～25Mpa)，成型溫度低(35～50℃)，成型周期短(30～60s)。GMT模壓成型工藝流程如圖14所示。 

 
圖14 GMT模壓成型工藝流程

總之，模壓成型工藝的主要優點是：生產效率高，便于實現專業化和自動化大批量生產；產品尺寸精度高，重復性好；表面光潔，無需二次修飾；能一次成型結構復雜的制品；由于可批量生產，因此價格相對低廉。這些優點使得模壓成型工藝特別適合汽車工業要求批量大、精度高及互換性好的生產特點，是目前汽車復合材料工業中最為普遍采用的成型工藝，尤其是乘用車上的復合材料零部件80%均由模壓成型工藝制成，如引擎蓋、車門、后廂蓋、后舉門、車頂、前端框架、儀表臺骨架、車門中間承載板、座椅骨架和底部護板等。 
模壓成型工藝的不足之處在于模具制造復雜，投資較大，加上受壓機限制，使其更適合于生產中、大批量的汽車復合材料制品（熱固性汽車復合材料制品在100000件/年以內，熱塑性汽車復合材料制品在1000000件/年以內）。隨著金屬加工技術、壓機制造水平及合成樹脂工藝性能的不斷改進和提高，壓機噸位和臺面尺寸不斷增大，模壓料的成型溫度和壓力也相對降低，使得模壓成型制品的尺寸逐步向大型化發展，目前已能生產的大型汽車部件如模壓重卡高頂、MPV車頂、皮卡車廂、重卡駕駛室側圍板等。圖15所示即為模壓成型工藝生產的2001福特Explorer Sport Trac SMC皮卡車廂。

 
圖15 SMC模壓成型工藝生產的皮卡車廂

LFT-D成型工藝技術 

LFT-D成型工藝(Long-Fiber Reinforce Thermoplastic Direct)是繼GMT和LFT-G之后又一種新的長纖維增強熱塑性復合材料工藝技術，是長纖維增強熱塑性復合材料在線直接生產制品的一種工藝技術，它區別于GMT和LFT-G的關鍵因素是半成品步驟被省去了，而在材料的選擇上更加靈活，是近年來在汽車復合材料行業中最受關注和市場成長最快的一種嶄新的成型工藝技術。在LFT-D技術中，不僅纖維的含量和纖維的長度可以直接調節到最終部件的要求，其基體聚合物也可以直接調節到最終部件的要求。通過使用不同的添加劑可以改變和影響制品的機械和特殊應用特性，如熱穩定性、著色性、紫外穩定性和纖維與基體的粘結特性等，這也意味著每一種特殊應用都可以通過LFT-D獲得其獨特的材料配方。 

LFT-D的典型工藝流程是，將聚合物基體顆粒(主要是PP)和添加劑輸送到重力混合計量單元中，根據部件的機械性能要求進行材料的混配。經混配好的原料再被送入雙螺桿擠出機中進行塑化，熔融的混合物通過一個薄膜模頭形成類似瀑布的聚合物薄膜，該聚合物薄膜直接被送入到雙螺桿混煉擠塑機的開口處。此時，玻璃纖維粗紗通過特別設計的粗紗架，在經過預熱、分散等程序后被引入到聚合物薄膜的頂端與薄膜匯合一同進入到雙螺桿擠塑機中，由螺桿切割粗紗，并把它們柔和地混合到預熔的聚合物當中，然后直接送入壓制模具中成型或者推壓進注射模具成型，如圖16所示。 

 
圖16 LFT-D成型工藝示意圖

LFT-D成型工藝的優點主要有兩個：一是成本低。由于是直接一步法生產，因此由LFT-D生產的大型結構部件比兩步法生產的GMT或LFT-G壓制部件的成本低20%～50%；二是制品的綜合性能優異。LFT-D壓制成型制品的抗沖擊性能比GMT稍低一些，但由于比LFT-G成型后的纖維長很多，因此其抗沖擊性能明顯比LFT-G高得多。另外，大量的研究表明，LFT-D注塑的生產效率比采用標準LFT-G粒料的生產效率高，因為LFT-D低的塑化要求改善了纖維被剪斷的可能性。對于成型周期超過1min的部件，用LFT-D注塑設備在30s內就能完成。LFT-D成型工藝的缺點主要是制品廠需要加大對LFT-D成型工藝以及材料、配方等的研究投入。圖17所示為采用 LFT-D生產的2003 大眾 Golf V前端框架。

 
圖17 用LFT-D成型工藝生產的前端框架

結束語 

從上述汽車復合材料成型工藝技術的初步介紹中，我們可以了解到每一種工藝技術均有其自身的特點。汽車復合材料企業在選擇確定采用何種工藝技術方法時，需根據企業的基本情況以及汽車主機廠對零部件的具體技術要求，如產品的批量及其質量要求，以及企業的技術基礎和生產資金情況等因素進行綜合考慮。在此，特別提請注意的是： 

汽車復合材料的成型工藝技術并不僅是以上介紹的6種，而是有幾十種之多。不僅如此，汽車復合材料制造工藝的可設計性特點意味著今后還將有更多的創新成型工藝不斷涌現； 
汽車復合材料的成型工藝技術從開放式走向閉模式是一個發展趨勢。相比之下，閉模式工藝更環保、更節約且質量更好； 

熱固性汽車復合材料和熱塑性汽車復合材料各有特點和用途。需要強調的是，熱固性汽車復合材料成型工藝技術并不會在競爭中消失，而是會與熱塑性汽車復合材料一道，取長補短，共同發展； 

以LFT-D為代表的連續長纖維增強熱塑性汽車復合材料成型工藝技術將會得到強勁的發展，尤其在乘用車輕量化過程中替代金屬結構件、半結構件中將發揮重要的作用。(end)