下一代汽车制造材料和工艺

新型汽车材料被不断推出，其目的都是改善汽车的碰撞安全性、噪音和振动、节约燃油和总体成本。

虽然以前的汽车完全由钢制产品组成，但制造商正在向铝、镁和复合材料过渡，以提高汽车性能。为了适应这些新材料，制造商也正在采用新的制造技术。

正如汽车研究中心(CAR)的2017年技术路线图报告中指出的那样，这些是未来几年中要关注的一些最重要的汽车制造趋势。新的汽车材料、创新部件的制造和自动化装配流程将迅速重新定义汽车供应商行业的运作方式。

然而，汽车行业存在一些不确定性，可能会改变这些先进的汽车技术成为市场标准的速度。如果要用新材料制造更多的车辆部件，那么它必须要安全、具有成本效益并且可商业化。但要达到这些生产标准，必须得先改进制造过程本身。

最常用的汽车材料是什么?

CAR 2017年技术路线图报告确定了目前在42辆车中使用的材料和制造技术，这些车包括2015/2016年的四个车型(轿车、CUV、SUV、轻型卡车)。取样的42款车型约占美国轻型汽车销量的50%。

毫无意外的是，研究发现目前的车辆主要是钢结构，还有一些用的是铝。车辆框架，包括底板、门、车顶，车身侧板和挡泥板通常都由钢制成。因为这些部件对驾驶员的安全最重要，所以很难用其他材料替换掉。用于汽车引擎盖、天窗、保险杠或发动机架等其他不那么重要的部件的材料经常被用来做实验，因为它们有可能减少整体车重。

今天和在可预见的未来，

最常用的汽车材料包括：

· 轻钢：轻钢易成型，这使其成为使用冷冲压和其他过时制造工艺的汽车零部件制造商的首选。它们的最大拉伸强度为270MPa。

· 高强度钢(HSS)：高强度钢使用的是传统钢材并在烘烤过程中去除碳。这意味着它们可以形成较软的钢，然后被烘烤成较硬的金属。其典型抗拉强度等级为250到550MPa之间。

· 高强度低合金(HSLA)：HLSAs是通过添加钛、钒或铌等微合金元素进行强化的碳锰钢。它们的抗拉强度高达

800MPa，并且依然可以被压制成形。

· 先进的高强度钢(AHSS)：先进的高强度钢屈服强度一般超过550MPa。它们是由多种金属制成的复合材料，然后在整个制造过程中加热并冷却以符合零件的规格。

· 超高强度钢(UHSS)：这些钢的性能与AHSS相似，但其强度等级至少保持在780MPa。

·硼/马氏体：马氏体是最坚硬和最结实的钢，同时也是最不易形成的。它与硼具有相同的特性，硼的抗拉强度约为1200至1800MPa。它们通常会与软钢结合形成复合材料。

· 铝5000/6000(AL 5000/6000)：5000系列铝与镁合金。6000系列铝含有硅和镁，它们会形成镁硅化物并让铝合金可以进行热处理。

· 镁：由于重量较轻，镁成为了汽车行业很有吸引力的材料。合金化后，镁具有所有结构金属中最高的强度重量比。

· 碳纤维增强塑料(CFRP)：碳纤维增强塑料是非常坚固、质轻的塑料，并含有可以提高其强度的碳纤维。它们的生产成本很高，但随着成本的降低，未来汽车行业对它的需求量将增加。

如上所述，车辆的组成正在迅速变化，变得极其多样化。在2010年到2020年的10年中，低碳钢用量将减半，并将被更高强度的钢材、铝材和复合材料所取代。随着汽车材料与传统钢材相比变得更加先进、更有成本优势，未来这一趋势还将继续。

汽车零件制造的创新方法

冷成型钢仍然是制造汽车零部件的行业标准，但正如上述创新材料所述，高强度的材料才是未来大势。高强度钢很难冷成形，这使得近期兴起了热成形/冲压，用这种方法可以制造更强、更薄、更轻的部件。

将重新定义汽车零件的创新生产工艺

包括：

· 热成型钢：增加钢的热量可提高其延展性，有利于在不会开裂的情况下形成复杂的形状。

· 热成型铝：铝需要较少的热量，但与加热钢道理相似。铝要在大约200-300摄氏度下加热并成型，以提高其柔韧性，然后再冷却增加其强度。

· 高压薄壁铝压铸：铝较高的熔点和凝固温度点意味着在温度冷却之前需要快速填充薄铝模。这就需要高热量、高压力的制造工艺。

· 树脂传递成型：树脂在高压下被泵入模具中，并与预先插入的纤维预制件混在一起。这会将轻型预成型材料转变为高强度的汽车零部件。

· 3D打印：3D打印为制造商提供了开发原型和全面部件的机会，这些部件在成型或模塑时极其复杂。可以用高强度塑料或铝或一些较强的金属等各种介质打印零件。

随着冷成型和传统压制/成型方法变得不那么受欢迎，上述更新、更具创新性的技术将得到普及。热成形技术目前最受欢迎，并且将继续领先于其他汽车制造方法，因为它能够制造出更强更轻的钢材。

汽车装配流程：现在和未来

手动和自动点焊让金属表面接触电流产生的极端热量。这是几十年来在汽车产业中加入钢铁的标准方法，但这对整合非金属基零件没有作用。

汽车装配商必须在未来寻找新的选择

将多种材料结合在一起。有些包括：

· 粘合剂：含有多种胶状物质，目前可以加进地毯、挡风玻璃等中，但随着塑料零件的增加，预计未来会有更多用途。

· 无缝焊接/轧制毛坯和激光焊接坯料(TWB / TRB / LWB)：结合多种钢材的等级、厚度和涂层，把最佳材料放在最佳位置。

· 铆钉/自冲铆接(SPR)：使用高速机械紧固工艺来连接板材，通常为钢和铝合金。

· 螺栓：使用预先钻好的孔来插入螺栓和螺母，螺栓和螺母可以拧紧并锁定，将两种相似或不相似的材料放在一起。

· 激光点焊(LSW)：使用先进的激光系统创建焊点，将金属熔合到刚性联接处。

· 流钻螺钉(FDS)：使用自冲孔和挤压紧固件来连接金属板层。这结合了摩擦钻孔和螺纹成型的特点，因为螺钉既可用作紧固件又可用作钻孔和螺丝工具。

点焊的使用已经在减少，它的受欢迎度将使其很快被有效地连接塑料和金属部件的专门粘合剂超越。随着新材料的引入，焊接毛坯和铆接也可能成为最突出的装配技术。

汽车制造材料和工艺会如何演变?

CAR报告中提供的汽车制造时间线或“路线图”是根据当前的材料和流程趋势对未来进行计算的结果。虽然预测不可能完全准确，但它们提供了一种计算方法，可以解决技术和成本竞争力的问题。每种创新的制造技术和材料都含有可能影响预测时间线的因素。取决于这些因素，行业内的广泛采用可能会加快或延迟。

促进因素

· 燃油经济性：更轻的材料会制造出需要更少燃油推进的轻型车辆。燃油经济性对客户来说是一个很有吸引力的销售特点，因此汽车制造商会尽力满足这种需求。

· 减少车辆排放：立法要求可能迫使汽车制造商提高燃油经济性，作为降低温室气体(GHG)排放的方法。

· 自动车辆：自动驾驶车辆的零件要比非自动驾驶车车辆多很多。这种额外的重量和空间需要通过减轻其他部件来弥补。

· 电动动力总成：电动发动机和电池比现代内燃机的重量更重。选用电动动力总成要求其他材料要更轻以做补偿。

· 新增内容：每个车型年份，驾驶员都期望能有新的车辆特性。要做到这一点，汽车部件需要越来越轻，否则燃油经济性将受到影响。

消极因素

· 混合材料连接：不同材料的熔点差异意味着必须创新传统的焊接技术。

· 腐蚀：随着时间的推移，暴露在空气中可能会破坏新材料，导致车辆系统失效。

· 热膨胀：当部件进入烤漆炉时，由某些材料制成的部件可能会膨胀或造成其涂层与其他材料不同。

· 周期时间：由创新材料制成的零件需要按与传统技术相似的速度进行生产，以确保相似的生产量。

· 成本：诸如碳纤维等新材料的价格可能比传统材料高很多。

· 供应链：全球的制造商必须能够采购材料并维护设备对材料的处理能力。较为复杂的材料难以在全球范围内再生产，容易导致供应链中断。

· 使用周期结束后的回收：车辆退役时，汽车材料应该可以回收利用。一些先进的材料不符合回收要求。

· 维修：使用更复杂的材料时维修成本更高，这会增加购置成本，包括持续维护费用。

· 人才差距：工程师和制造工厂工人需要接受新的复杂材料和工艺方面的培训。

精密绝非偶然

比尔斯坦

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