塑料/金属混合材料控制臂的E-LFT一次性模压成型

　　汽车轻量化的目标是要在不影响强度的情况下减轻部件重量，甚至可以在增加组件强度的同时减轻重量。为满足这一目标，在使用新材料的同时，先进制造工艺的使用也密切相关。新工艺可以有效缩短生产周期，降低成本，有助于新材料的快速应用。 

 

　　E-LFT混合材料成型技术是专为汽车轻量化提供的解决方案，其成功将长纤维增强热塑性塑料和金属基材的成型合并为一个步骤，并采用粘合剂实现塑料与金属板的连接。据悉，该技术由德国Siegen大学、赢创（Evonik）、Weber Fibertech公司联合的MultiForm项目组开发，大众汽车，奥钢联汽车零部件，Simpatec和Sprick Technologies等提供了技术支持。

 

　　E-LFT一次性挤压复合工艺 
 

　　首先是热塑性聚丙烯或聚酰胺材料的模压成型：先熔化塑料颗粒，然后在挤出机中加入玻璃纤维，最后挤出的熔体受到垂直方向的压力产生流动。该工艺可实现10-15mm长度的纤维增强，与注塑成型件相比，可显著提升部件强度。同时，对于相同强度的部件，可获得更轻的质量。

 

 

　　为提升复合材料强度，复合材料主要采用长玻纤或碳纤增强。同时为了控制成本，纤维增强部分仅设置在高载荷部位。据悉，Weber Fibertech公司拥有E-LFT工艺的专利权。该工艺可用来制作座椅结构件，如坐盆、靠背，可经受安全带系扣处的较大的载荷，具体如下图1。
 

 

 

　　但是，在一些高负载的情况下，金属材料还是具有优势，塑料/金属混合部件兼顾了轻量化和强度，将更为合适。该项目团队采用激光处理金属表面，然后在一次性挤压工序中实现塑料和金属的复合。激光表面处理让热塑性熔体与金属表面结合性更好，其拉伸强度约为12MPa，剪切强度可达48MPa。据悉，Weber Fibertech公司正采用该工艺开发高负载能力的座椅元件，预计三年内可实现批量生产。

 

 

 

　　混合材料控制臂的设计开发 

 

　　为进一步验证E-LFT工艺的适用性，研究团队进行了混合材料控制臂的开发与验证。采用高强度钢板（DP800）与聚己内酰胺（PA6），由Weber Fibertech全自动E-LFT生产线，采用25毫米玻纤增强。

 

 

　　该生产系统在一个循环周期内直接配制60%塑料和40%玻纤的混合物。这意味着不是采用PA GF40棒状颗粒原料，而是由聚酰胺、添加剂（添加颜色的色母粒、增加流动性的添加剂等）、玻璃纤维直接混配挤出，周期仅为60秒。生产系统如图2。

 

 

　　据相关人员称，新控制臂成功减重20%，如下图3。此外，对于其他负载较低的部件（如尾门、车顶部件、门元件等），预计减重可达50%。

 

 

　　新工艺结合了金属板材的深拉伸和长纤维增强材料的压缩成型两步工序，在混合材料部件的制造方面具有时间和成本优势。塑化状态下的高粘度热塑性塑料在流体力学成型过程中起到活性介质的作用，有助于金属板的形成。该团队还分析了温度和摩擦对钢和铝成型性能的过程相关影响。通过有限元方法（FEM模拟）的模拟实现可靠的部件设计。研究团队对混合压制过程中钢、铝材料的成形曲线进行研究，并建立FEM模型。研究显示，长纤维复合材料塑化所需的高温环境对铝合金的成形性将产生积极影响。

 

 

 

　　与注射成型相比，模压工艺最长可实现25毫米的长纤维增强。纤维长度的增加对复合材料力学性能的提升有较好的效果，具体见图4。同时，模压工艺还具有成型时间短的特点。E-LFT一次成型工艺可在金属板材表面预涂粘合剂，在混合压制过程中实现金属板与复合材料的直接粘合，省去后续的复合工序。具体工艺过程如图5所示。LFT在循环系统中完成配料→金属板预涂粘合剂，并预热→将金属板与LFT材料置于同一个模具中一次模压成型。成型部件如图6。

 

 

 

　　轻质材料的应用在减重和降低能耗方面具有较好的效果，在混合材料应用的大趋势下，金属/塑料混合部件可综合金属材料的力学性能和塑料材料的轻质效果。E-LFT一次成型工艺可实现金属/塑料的复杂形状部件成型，特别适用于车身、底盘等碰撞相关的部件。

 

 

　　新工艺为热塑性塑料在汽车制造中的规模化应用铺平了道路，尽管热固性材料的强度更好，但其受到材料回收的限制，应用成本较高。与金属板材的复合可较好的克服热塑性塑料的低强度。目前，该团队正尝试采用新工艺开发电动汽车的车身部件。