关键词：轻量化；碳纤维；薄壁化；微发泡
前言：汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一,对汽车工业的可持续发展具有重要意义。据美国能源部DOE研究表明，一辆轿车的自重每减少10%，燃油消耗量就降低6％~8%，C02排放降低5%~6%。目前汽车轻量化材料在车身上得到了广泛的应用，实现汽车轻量化的途径主要通过采用轻量化材料及应用先进的工艺技术，加上优化的设计方案，而优化的设计方案必须在设计阶段通过有限元分析得出物理性能对比数据，以符合设计验证（DV）指标的要求。汽车轻量化材料随着生产工艺的改进优化和生产成本的降低，应用新材料新工艺取代钢材逐渐变得可能且成为汽车内外饰轻量化发展的趋势。
1、汽车内外饰轻量化发展现状
1.1 铝合金替代钢材
1.1.1 铝合金的特点
铝合金的主要特点包括：密度小（只有钢的1/3）、比强度和比刚度高、弹性和抗冲击性能好、耐腐蚀、耐磨、高导电、高导热、易表面着色、良好的加工成形性及高的回收再生性等。
1.1.2 铝合金的分类
铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金。铸造铝合金按主要加入的元素可分为：铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系。变形铝合金按性能和用途不同，可分为：工业纯铝、防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝、和特殊铝。
1.1.3 铝合金的应用
铝合金作为轻质金属，是汽车轻量化的理想替代材料。铝合金在汽车领域的用量在逐步增加，且种类越来越多样化，汽车车身使用铝合金作为主要材料的趋势正在形成。
1.1.4 应用于汽车上的铝合金部件
奥迪在A8车型上使用了全铝合金车身，其刚度提高60%，焊点减少40%，重量更轻。无论是灵活性、安全性，或平稳性均表现出色。而在内外饰上有众多的零部件实现铝合金替代钢，如仪表台横梁，由于强刚度指标要求，长期以来横梁都是采取钢材支架焊接的方式。而目前宝马，奥迪等车型已经在使用铝合金设计的横梁，其比钢横梁要减重40%。其他众多的零部件应用如座椅支架、发动机周边部件等。
1.2 热塑性塑料的应用
热塑性轻量化塑料LFT-PP，以金发的材料为例，其增强玻璃纤维长度达6-25mm（SFT-PP是0.2-0.6mm），由于出色的力学性能（图1）、机械性能（图2）和热老化性能（图3）成为比较理想的轻量化产品的原材料。LFT-PP材料目前应用范围是“以塑代钢”，如前端模块，后尾门。目前汽车市场上，众多的品牌如日产、雷诺、标致等相继研发出LFT-PP的塑料后尾门，相比钢制后尾门，减重达30%，其作为注塑工艺应用在后背门上是前瞻性的轻量化工艺；注塑后尾门有轻量化、模块化、产品精度高等特点。
1.3 复合材料的应用
复合材料是由2种或2种以上不同性质的材料组成，其综合性能优于原组成材料，并满足不同的要求。其中，碳纤维复合材料（CFRP）因其质量轻、高强度（钢的5倍）、高模量和良好的耐热、耐腐蚀性等特点，是众多轻量化材料中性能最好，减重最明显的复合材料。碳纤维制作的车身和金属车身相比能减重30-50%。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于碳纤维复合材料制造成本高昂，且生产工艺复杂耗时，在汽车中还未能大量推广，仅在稀有的非量产车型和特别版车型上使用，如F1赛车、超级跑车等。但随着碳纤维制造工艺的突破，制造成本的下降，各大汽车品牌商纷纷加入碳纤维零部件的开发，相信在不久的将来这种具有优异性能的复合材料将成为内外饰轻量化的重要一员。
2、内外饰轻量化注塑的相关工艺
2.1 微发泡（MuCell）注塑工艺
2.1.1 微发泡注塑工艺的优点
微发泡注塑成型工艺总结起来有三大优点：一是大幅改善产品尺寸精度，二是大幅降低锁模成本，三是大幅缩短成型时间。
2.1.2 原理
微发泡注塑成型是通过泡孔扩张来代替注塑机保压,不需要多余的充填压力,并且可使压力分布均匀通过中间层的泡孔结构降低产品的材料密度, 实现可控制的发泡率来减轻产品重量，模穴压力降低30%-80%,内应力大幅降低。微发泡注塑成型工艺的流程较为简单，首先就是需要将超临界的流体融到塑料主体材料的溶胶中，然后再通过高压喷射装置将混合好的溶胶材料喷入模具中，形成微发泡。而后，随着模具中的压力和温度趋于稳定，模具中的微泡处在一个相对稳定的状态下，至此，注塑工艺基本完成。
2.1.3 应用
微发泡工艺一般应用在内外饰的非外观结构件上，如仪表板骨架，保险杠支架，门护板支架等。
2.2 薄壁注塑工艺
2.2.1 优点
薄壁注塑工艺是汽车内外饰轻量化设计的一项重要的塑料成型工艺，其一般的设计原则是减少产品主体壁厚的三分之一，通常能减重10%-15%。薄壁注塑成型工艺的最主要优点就是实现了塑料的“薄”，在满足了使用性能的基础上使用的塑料原料较少，由于减轻了重量也就降低了成本，满足汽车内外饰轻量化设计的基本要求以及环保性的要求，而且工艺与普通注塑工艺一脉相承，可实现大批量的生产。
2.2.2 原理
薄壁化注塑工艺的主要难点在模具设计与制造上，模腔的材料一定要选择具有良好机械性能的，例如2738，否则难以承受注塑时较大的压力；因为薄壁材料的壁厚较小，所以对模具的制造精度有较高的要求，通常要求壁厚在±0.1mm以内。在实际的注塑时，因为壁厚较薄，要选择流动性好的注塑原材料，对注塑工艺也有比较高的要求，比普通注塑产品的制造难度要稍大。
2.2.3 应用
薄壁化工艺一般应用在汽车保险杠本体上，应用薄壁化工艺，保险杠能减重10%。
结语：汽车内外饰轻量化是汽车整车轻量化不可或缺的重要组成部分，虽然内外饰的减重比例对比车身而言相对有限，但不能忽视内外饰的减重贡献。随着内外饰材料的更新换代，设计工艺的创新优化，有限元分析的广泛应用，汽车内外饰在轻量化道路上必将持续创新，汽车内外饰轻量化研发必然大放异彩。
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论文作者:王运生 石印
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年21期
论文发表时间:2019/11/29
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