汽車輕量化的目標是要在不影響強度的情況下減輕部件重量，甚至可以在增加組件強度的同時減輕重量。為滿足這一目標，在使用新材料的同時，先進制造工藝的使用也密切相關。新工藝可以有效縮短生產周期，降低成本，有助于新材料的快速應用。 

 

　　E-LFT混合材料成型技術是專為汽車輕量化提供的解決方案，其成功將長纖維增強熱塑性塑料和金屬基材的成型合并為一個步驟，并采用粘合劑實現塑料與金屬板的連接。據悉，該技術由德國Siegen大學、贏創（Evonik）、Weber Fibertech公司聯合的MultiForm項目組開發，大眾汽車，奧鋼聯汽車零部件，Simpatec和Sprick Technologies等提供了技術支持。

 

　　E-LFT一次性擠壓復合工藝 
 

　　首先是熱塑性聚丙烯或聚酰胺材料的模壓成型：先熔化塑料顆粒，然后在擠出機中加入玻璃纖維，最后擠出的熔體受到垂直方向的壓力產生流動。該工藝可實現10-15mm長度的纖維增強，與注塑成型件相比，可顯著提升部件強度。同時，對于相同強度的部件，可獲得更輕的質量。

 

 

　　為提升復合材料強度，復合材料主要采用長玻纖或碳纖增強。同時為了控制成本，纖維增強部分僅設置在高載荷部位。據悉，Weber Fibertech公司擁有E-LFT工藝的專利權。該工藝可用來制作座椅結構件，如坐盆、靠背，可經受安全帶系扣處的較大的載荷，具體如下圖1。
 

 

 

　　但是，在一些高負載的情況下，金屬材料還是具有優勢，塑料/金屬混合部件兼顧了輕量化和強度，將更為合適。該項目團隊采用激光處理金屬表面，然后在一次性擠壓工序中實現塑料和金屬的復合。激光表面處理讓熱塑性熔體與金屬表面結合性更好，其拉伸強度約為12MPa，剪切強度可達48MPa。據悉，Weber Fibertech公司正采用該工藝開發高負載能力的座椅元件，預計三年內可實現批量生產。

 

 

 

　　混合材料控制臂的設計開發 

 

　　為進一步驗證E-LFT工藝的適用性，研究團隊進行了混合材料控制臂的開發與驗證。采用高強度鋼板（DP800）與聚己內酰胺（PA6），由Weber Fibertech全自動E-LFT生產線，采用25毫米玻纖增強。

 

 

　　該生產系統在一個循環周期內直接配制60%塑料和40%玻纖的混合物。這意味著不是采用PA GF40棒狀顆粒原料，而是由聚酰胺、添加劑（添加顏色的色母粒、增加流動性的添加劑等）、玻璃纖維直接混配擠出，周期僅為60秒。生產系統如圖2。

 

 

　　據相關人員稱，新控制臂成功減重20%，如下圖3。此外，對于其他負載較低的部件（如尾門、車頂部件、門元件等），預計減重可達50%。

 

 

　　新工藝結合了金屬板材的深拉伸和長纖維增強材料的壓縮成型兩步工序，在混合材料部件的制造方面具有時間和成本優勢。塑化狀態下的高粘度熱塑性塑料在流體力學成型過程中起到活性介質的作用，有助于金屬板的形成。該團隊還分析了溫度和摩擦對鋼和鋁成型性能的過程相關影響。通過有限元方法（FEM模擬）的模擬實現可靠的部件設計。研究團隊對混合壓制過程中鋼、鋁材料的成形曲線進行研究，并建立FEM模型。研究顯示，長纖維復合材料塑化所需的高溫環境對鋁合金的成形性將產生積極影響。

 

 

 

　　與注射成型相比，模壓工藝最長可實現25毫米的長纖維增強。纖維長度的增加對復合材料力學性能的提升有較好的效果，具體見圖4。同時，模壓工藝還具有成型時間短的特點。E-LFT一次成型工藝可在金屬板材表面預涂粘合劑，在混合壓制過程中實現金屬板與復合材料的直接粘合，省去后續的復合工序。具體工藝過程如圖5所示。LFT在循環系統中完成配料→金屬板預涂粘合劑，并預熱→將金屬板與LFT材料置于同一個模具中一次模壓成型。成型部件如圖6。

 

 

 

　　輕質材料的應用在減重和降低能耗方面具有較好的效果，在混合材料應用的大趨勢下，金屬/塑料混合部件可綜合金屬材料的力學性能和塑料材料的輕質效果。E-LFT一次成型工藝可實現金屬/塑料的復雜形狀部件成型，特別適用于車身、底盤等碰撞相關的部件。

 

 

　　新工藝為熱塑性塑料在汽車制造中的規模化應用鋪平了道路，盡管熱固性材料的強度更好，但其受到材料回收的限制，應用成本較高。與金屬板材的復合可較好的克服熱塑性塑料的低強度。目前，該團隊正嘗試采用新工藝開發電動汽車的車身部件。