現(xiàn)有輕量化技術(shù)中，最引人注目的是樹脂減重、與異種材料接合減重，以及通過加工方法減重。
汽車行業(yè)激烈競爭的低燃耗實(shí)力。與動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)化相比，汽車的輕量化更受期待。減輕重量不僅可以減少燃料的消耗量，還能提高行駛性能和操控穩(wěn)定性。而且材料用量減少，也可以降低成本。因此，現(xiàn)在有很多部件廠商、材料廠商都在加大力度開發(fā)輕量化技術(shù)，出現(xiàn)了不少馬上就能投入應(yīng)用的技術(shù)?，F(xiàn)在最引人注目的是使用樹脂減重、通過異種材料接合減重，以及通過加工方法減重這三項(xiàng)技術(shù)。
使用樹脂減重
“SIENTA”的外裝減輕35％
豐田的MPV“SIENTA”汽車的外飾件“推拉門導(dǎo)軌罩”通過樹脂化，大幅減輕了重量（圖1）。這種樹脂材料為KANEKA開發(fā)的聚合物合金“JP-F”系列，是由聚碳酸酯（PC）與聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）組成的聚合物合金（PC/PET合金），適合作為汽車的外飾件。
△通過樹脂化減輕了重量的汽車外飾件豐田MPV“SIENTA”的“推拉門導(dǎo)軌罩”是使用PC/PET合金注塑成型（左）。（右）從后方看到的外觀設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。側(cè)面后方呈弧形、上端面彎折，形狀非常復(fù)雜。
新型PC/PET合金含有重量比為21％的無機(jī)填料，并且加入了配合劑。由此提高了性能。這種合金首先是剛性高。彎曲彈性模量從過去的6000MPa提高到6300MPa，實(shí)現(xiàn)了能夠作為汽車外飾件的強(qiáng)度和剛性。
接下來，該材料的特點(diǎn)是線膨脹系數(shù)比過去小，接近鋼（鐵）。因?yàn)闇囟茸兓鸬那N和收縮少，所以外觀設(shè)計(jì)性優(yōu)良。而且，通過提高熔融時(shí)的流動(dòng)性，還適用于大型成型品和薄壁成型品。
SIENTA的推拉門導(dǎo)軌罩形狀復(fù)雜，側(cè)面后方呈弧形、上端面彎折，很難使用沖壓加工鋼板的方法成型。為此，豐田采用了成型性好的新型PC/PET合金。
壁厚為3.0mm，強(qiáng)度和剛性與以往使用鋼板制作、厚度為0.8mm的導(dǎo)軌罩相當(dāng)。通過改換新型PC/PET合金，實(shí)現(xiàn)了約35％的輕量化。
減重4成的耐熱導(dǎo)風(fēng)管
汽車的耐熱導(dǎo)風(fēng)管使用樹脂也減輕了重量。由經(jīng)營吹塑成型品的愛克賽爾（EXCELL，總部：東京）使用東洋紡供應(yīng)的樹脂生產(chǎn)。與以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管相比，重量大約減輕了40％。已經(jīng)在富士重工業(yè)汽車中投入實(shí)用。
△耐熱導(dǎo)風(fēng)管（近）實(shí)現(xiàn)了約4成的輕量化將以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管（遠(yuǎn)）的鋼管與橡膠管分別換成了PBT和TPEE。
耐熱導(dǎo)風(fēng)管是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，用來連接帶增壓器的發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管與中冷器的部件。以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管使用鋼管制作管體，在兩端的結(jié)合部使用橡膠管來吸收振動(dòng)。鋼管與橡膠管之間通過金屬緊固件連接。
而新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管在管體的鋼管部分采用玻璃纖維增強(qiáng)聚對苯二甲酸丁二酯（PBT），兩端的橡膠管部分則改用聚酯彈性體（TPEE）“PELPRENE”。玻璃纖維增強(qiáng)PBT添加的玻璃纖維占重量的20％。耐熱性（使用環(huán)境溫度）方面，管體的玻璃纖維增強(qiáng)PBT部分和兩端的TPEE部分均為170℃。
通過更換樹脂材料，新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管的重量約為0.8kg，比過去的約1.3kg減輕了0.5kg左右。
成本也有所下降。這主要得益于減少了部件數(shù)量。以往的耐熱導(dǎo)風(fēng)管使用1個(gè)鋼管部件、2個(gè)橡膠管部件和2個(gè)金屬緊固件，部件數(shù)量共計(jì)5個(gè)。而新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管通過采用一體成型的制造方式，部件數(shù)量僅為1個(gè)。
實(shí)現(xiàn)一體成型依靠的是吹塑成型法“交換吹塑（ExchangeBlow）”。這是愛克賽爾開發(fā)的加工技術(shù)，能夠通過吹塑成型，使特性不同的兩種樹脂融為一體。新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管是使用具備硬質(zhì)特性的PBT和軟質(zhì)特性的TPEE，通過一體成型的方式制成的。
新型耐熱導(dǎo)風(fēng)管為PBT和TPEE雙層結(jié)構(gòu)，兩端基本以TPEE層為主，PBT是極薄的一層。相反，管體則是以PBT層為主，而TPEE層是極薄的一層。由此可見，交換吹塑的優(yōu)點(diǎn)在于，通過改變兩種樹脂的比例，可以加工出各部位具有不同功能的成型品（部件）。
車門飾板使用發(fā)泡樹脂減重3成
積水技術(shù)成型公司（SEKISUITECHNOMOLDING，總部：東京）開發(fā)出了重量減輕3成的車門飾板。通過采用自主技術(shù)，使PP（聚丙烯）材料發(fā)泡，厚度達(dá)到發(fā)泡前的2倍，并且具備了剛性和強(qiáng)度。該公司將盡快將其投入實(shí)用。
（減重3成的車門飾板使PP發(fā)泡，厚度達(dá)到發(fā)泡前的兩倍，借此提高了剛性和強(qiáng)度。）
車門飾板從發(fā)泡前的890g降至580g，減輕了35％，同時(shí)獲得了內(nèi)飾品需要的外觀和強(qiáng)度。
而以往技術(shù)最多只能比非發(fā)泡品減輕2成，如果繼續(xù)提高發(fā)泡率，就會出現(xiàn)強(qiáng)度下降、殘留的發(fā)泡痕跡影響外觀等課題。
該公司利用適用于基體樹脂PP和添加劑等材料的配比技術(shù)，以及向模具內(nèi)填充高壓氣體進(jìn)行發(fā)泡的模具技術(shù)等，成功解決了這些課題。
耐熱性、耐化學(xué)藥物的CFRP
大賽璐-贏創(chuàng)（Daicel-Evonik，總部：東京）開發(fā)出了使用PEEK（聚醚醚酮）的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）。材料分為兩種，一種是母材（基體材料）使用PEEK，一種是使用其他母材，在CFRP的表面覆蓋PEEK薄膜進(jìn)行改性。兩種材料均具有良好的耐熱性和耐化學(xué)性，而且強(qiáng)度出色。PEEK的熔點(diǎn)為365℃，比熔點(diǎn)約為250℃、以耐熱性著稱的PA還要耐高溫。
△使用PEEK的CFRP耐熱性和耐化學(xué)性強(qiáng)，強(qiáng)度優(yōu)良。使用PEEK的CFRP預(yù)浸材，以及在表面覆蓋PEEK薄膜，對表面進(jìn)行了改性的CFRP。
使用PEEK作為母材的CFRP在母材含有率約為34％時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)2480MPa（試驗(yàn)方法為EN2561），壓縮強(qiáng)度達(dá)1370MPa（試驗(yàn)方法為EN2850）。
從預(yù)浸材（碳纖維樹脂含浸片材）的狀態(tài)開始，經(jīng)預(yù)加熱后，通過熱壓工序成型。預(yù)加熱需要70～85秒，搬運(yùn)至沖壓機(jī)需要2～3秒，熱壓本身和冷卻需要2～5秒左右，共計(jì)74～93秒即可成型。預(yù)加熱的溫度為160℃以上，熱壓要求溫度為60～260℃，壓力為5個(gè)大氣壓。
表面覆蓋PEEK薄膜改性的CFRP除了以提高耐熱性為目的外，還有望起到耐受含油、燃料的化學(xué)藥品、增加表面光滑度、防止因吸濕而降低降低的效果。薄膜的疊加與成型可同時(shí)進(jìn)行。
與異種材料接合
減輕52％的制動(dòng)踏板
F-TECH通過更換材料、組合中空形狀，開發(fā)出了輕量化的制動(dòng)踏板。使用聚苯硫醚（PPS）制作截面中空的框架部件，兩側(cè)包裹鋁合金板沖壓成型品。PPS與鋁合金接合使用大成PLAS（總部：東京）的異種材料接合技術(shù)“NanoMoldingTechnology（NMT）”。將經(jīng)過了化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的鋁合金板沖壓成型品放入模具中，然后通過注射PPS進(jìn)行嵌件成型。
△利用異種材料接合減重52％的制動(dòng)踏板。新型制動(dòng)踏板通過更換材料、組合中空形狀，成功減輕了重量（左）。鋁合金板沖壓成型品夾在PPS制成的框架部件的兩側(cè)（右）。
而現(xiàn)行制動(dòng)踏板由實(shí)心的鋼制部件焊接而成。如果為減輕重量而采用中空形狀，在焊接時(shí)很難維持加工精度。
新型制動(dòng)踏板的重量為400g，比現(xiàn)行制動(dòng)踏板的892g輕52％。但部件有6個(gè)，比現(xiàn)行制動(dòng)踏板多3個(gè)。因此成本估計(jì)高于現(xiàn)行制動(dòng)踏板。據(jù)稱已經(jīng)有日本的汽車企業(yè)決定采用。
傳動(dòng)軸通過摩擦壓接減重3成
泉美工業(yè)（IZUMIMACHINEMFG，總部：愛知縣大府市）開發(fā)出了通過摩擦壓接，將鋼與鋁合金接合在一起的技術(shù)。接合的材料為A6061、S45C（碳素結(jié)構(gòu)鋼）等。目前正針對傳動(dòng)軸等軸件的輕量化用途，向客戶等提交解決方案。接合部的拉伸強(qiáng)度可確保達(dá)到鋁合金拉伸強(qiáng)度的80％以上。
△通過摩擦壓接減輕了重量的傳動(dòng)軸樣品。鋁合金A6061與碳素結(jié)構(gòu)鋼S45C直接接合。
摩擦壓接是用于軸件連接等用途的技術(shù)，該技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)一方的構(gòu)件并按壓在另一方構(gòu)件上，利用摩擦來發(fā)熱，然后加壓接合。因?yàn)榻雍蠒r(shí)的溫度低于熔點(diǎn)，而且加工時(shí)間短，所以屬于材料不熔融的固態(tài)接合。但在摩擦熱和壓力的作用下，接合界面會產(chǎn)生鐵與鋁的金屬間化合物。
鐵與鋁的金屬間化合物雖然是接合所需的物質(zhì)，但物理性質(zhì)脆硬，如果大量生成并形成厚層，接合處容易斷裂。摩擦壓接與焊接相比，溫度低、加工時(shí)間短，金屬間化合物層很薄，只有數(shù)μm，有望取得良好的接合效果。
已知可接合的鋼與鋁合金的配對如下：鋼為碳鋼、鉻鉬鋼、鉻鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、不銹鋼等，鋁合金為A1000系、A5000系、A6000系等（A6000系與碳素工具鋼、合金工具鋼的組合除外）。
與金屬粘合的玻璃纖維強(qiáng)化PA
東洋紡開發(fā)出了適合與金屬實(shí)施異種材料接合、強(qiáng)度和剛性出色的玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺（PA）“GLAMIDEJF-30G”。這種樹脂高密度填充了玻璃纖維，可與鋁合金等金屬直接強(qiáng)力接合。該公司將充分利用其樹脂部分具有高強(qiáng)度、高剛性的特點(diǎn)，力爭在汽車車體骨架和轉(zhuǎn)向構(gòu)件等領(lǐng)域投入實(shí)用。通過替換部分鋼制部件實(shí)現(xiàn)輕量化。
△與金屬強(qiáng)力接合的玻璃纖維增強(qiáng)PA。玻璃纖維增強(qiáng)PA（貼有JF-30G字樣）與金屬直接接合的試片。因?yàn)椴ＡЮw維的填充率高，所以強(qiáng)度和剛性良好。
新型玻璃纖維增強(qiáng)PA在PA6或PA66中添加了重量比例為70％的玻璃纖維。使玻璃纖維的填充率達(dá)到“業(yè)內(nèi)最高水平”（該公司），并在樹脂中均勻分散。通過這一舉措，提高強(qiáng)度和剛性，得到了曲翹少、外觀品質(zhì)良好的成型品。彎曲強(qiáng)度為480MPa，彎曲彈性為28GPa。
而以往的通用玻璃纖維增強(qiáng)PA，也就是玻璃纖維重量比例為30％的PA6，其彎曲強(qiáng)度只有240MPa，彎曲彈性只有8.5GPa。也就是說，新型玻璃纖維增強(qiáng)PA與以往的通用玻璃纖維增強(qiáng)PA相比，彎曲強(qiáng)度是后者的2倍，彎曲彈性提高到了后者的3倍多。
金屬與新型玻璃纖維增強(qiáng)PA通過“錨固效應(yīng)”接合。具體使用的是大成PLAS（總部：東京）的異種材料接合技術(shù)“NMT（NanoMoldingTechnology）”。先將金屬工件浸泡在藥液中進(jìn)行表面處理，再在金屬工件的表面大量形成nm尺寸的微孔。然后將金屬工件放入模具，注射新型玻璃纖維增強(qiáng)PA進(jìn)行嵌件成型。這樣一來，熔融樹脂會進(jìn)入微孔并凝固，起到楔子的作用，將金屬與玻璃纖維增強(qiáng)PA牢牢接合在一起。
新型PA提高了流動(dòng)性。容易穿過玻璃纖維的縫隙，流入金屬工件表面的微孔。而且優(yōu)化了結(jié)晶化速度，樹脂會在進(jìn)入微孔后凝固。而以往的PA流動(dòng)性低，不僅不易流過玻璃纖維的縫隙，而且有時(shí)在進(jìn)入微孔前就會凝固。因此，金屬與玻璃纖維增強(qiáng)PA的接合強(qiáng)度較低。
CFRP與橡膠一體成型的復(fù)合部件
藤倉橡膠工業(yè)試制出了CFRP管表面覆蓋橡膠的“CFRP-橡膠復(fù)合管”。這是使作為CFRP母材的環(huán)氧樹脂與橡膠同時(shí)硬化制成的一體部件。與無橡膠的CFRP管相比，能夠獲得可快速衰減振動(dòng)的特性、耐磨性、防滑效果和絕緣性等。
△CFRP與橡膠一體成型的復(fù)合部件。通過使CFRP的母材環(huán)氧樹脂與橡膠同時(shí)硬化，制成一體部件。
通過在環(huán)氧樹脂中加入特定成分，環(huán)氧樹脂與橡膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成了交聯(lián)結(jié)構(gòu)。再加上錨固效應(yīng)，橡膠不會從CFRP上脫落下來。無需使用粘合劑。橡膠除包裹管件表面外，還可以按照CFRP-橡膠-CFRP的結(jié)構(gòu)，在層間注入。藤倉橡膠工業(yè)表示，“如果是只使用CFRP的管件，其他公司也能制造，我們希望使產(chǎn)品具備功能性，借此實(shí)現(xiàn)差異化”。
加工法減重
車柱和骨架部件減重30％
住友重機(jī)械工業(yè)開發(fā)出了可以減輕汽車車身、車架等車體部件的制造系統(tǒng)“STAF（SteelTubeAirForming）”。將鋼管放入沖壓機(jī)的模具后，通過通電加熱、注入高壓空氣、成型、淬火的順序進(jìn)行加工。通過使用這次開發(fā)的控制系統(tǒng)，可以高精度加工出帶凸緣的連續(xù)異形封閉截面。
△高強(qiáng)度帶凸緣的封閉截面構(gòu)件。通過熱空氣吹塑和模內(nèi)冷卻，形成拉伸強(qiáng)度為1500MPa級的異形封閉截面。可以減輕汽車車體和框架等車體部件的重量。
該系統(tǒng)設(shè)想用來制造A柱和B柱、前后左右前方的車頂縱梁、前端車架、側(cè)底框梁等車體構(gòu)件。發(fā)揮其有別于液壓成型，能夠形成凸緣的特點(diǎn)。因?yàn)橥咕壙梢宰鳛榕c其他部件焊接時(shí)的接合處，所以該系統(tǒng)適合用來制造需要與周圍的多個(gè)部件進(jìn)行接合的車體構(gòu)件。
該系統(tǒng)具有液壓成型的特點(diǎn)，可以制作封閉截面的部件，而且融合了熱沖壓的特點(diǎn)，可以在加熱鋼板沖壓成型的同時(shí)進(jìn)行淬火，實(shí)現(xiàn)1500MPa級的拉伸強(qiáng)度。可以制造輕巧堅(jiān)韌、剛性良好的封閉截面構(gòu)件。另外，通過使用凸緣同時(shí)成型技術(shù)，在封閉截面結(jié)構(gòu)上增加凸緣，還可以解決液壓成型一直以來的課題，取消為接合其他構(gòu)件而另行焊接凸緣的工序等，提供容易應(yīng)用于車體部件的方案。
首先，將管件放入模具，夾緊電極。通電約10秒進(jìn)行加熱，使溫度達(dá)到900℃左右。管件在通電加熱時(shí)，電極的接觸面積左右相同，而且與板材相比，能夠保持更穩(wěn)定的接觸，因此可以實(shí)現(xiàn)均勻加熱。與過去使用加熱爐進(jìn)行加熱的方法相比，還可以大幅減少耗電量。
接下來調(diào)整鎖模位置（半開狀態(tài)）。向這里供應(yīng)高壓空氣，在半開部分略微膨脹的狀態(tài)下進(jìn)行鎖模，使凸緣部分成型。然后，為使管體部分更貼合模具內(nèi)面的形狀，繼續(xù)增加高壓空氣，進(jìn)行吹塑成型。材料在緊貼模具后，會快速冷卻淬火，形成1500MPa級構(gòu)件。
在強(qiáng)度相同的條件下，將汽車車體部件更換為STAF構(gòu)件，與過去的結(jié)構(gòu)相比，重量可以減輕約30％。而且無需鈑金沖壓加工所需的沖切和修邊，只需要在成型后切斷端部即可，成品率可提高至90％左右。通過凸緣的一體成型可以減少部件數(shù)量，大幅降低成本。成本可以比液壓成型減少5％，比熱壓減少30％。
（圖文來源于互聯(lián)網(wǎng)）