所謂“塑料-金屬的混合成型”實(shí)際上是將薄鋼片和玻纖增強(qiáng)熱塑性塑料整合到一起以制成一個(gè)完整的承重部件。2004年，北美地區(qū)的許多新型小汽車和卡車上就出現(xiàn)了這種由塑料-金屬混合成型的承重部件，由此而打開了塑料-金屬混合材料在其他承重汽車部件方面應(yīng)用的大門。例如，塑料-金屬混合材料可以被更多地用于儀表板、保險(xiǎn)杠的橫梁、門艙、后擋板等汽車部件上，此外還可應(yīng)用于很多非汽車行業(yè)領(lǐng)域中，如設(shè)備外殼、自行車架等。
在汽車前端模塊由鋼制構(gòu)件向混合組件轉(zhuǎn)化的過程中，Bayer無疑是技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。自1996年以來，Bayer已獲得了專利的注塑包覆成型方法就一直為Volkswagon、Audi、Nissan、Ford等汽車的零部件供應(yīng)商所采用。2004年在北美地區(qū)，這種技術(shù)還出現(xiàn)在包括一些輕型卡車在內(nèi)的10種最新應(yīng)用平臺(tái)上。現(xiàn)在，Rhodia Engineering Polymers、Dow Automotive和BASF Performance Polymers等公司已經(jīng)在這種塑料-金屬混合材料應(yīng)用領(lǐng)域展開了商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。
Bayer發(fā)明了一種塑料-金屬的組合方法，先在2個(gè)或多個(gè)金屬片上
沖出成行排列的孔，然后用尼龍進(jìn)行包覆成型
據(jù)俄亥俄州阿克倫城的一家專注于市場(chǎng)研究的公司——Eller公司的Bob Eller先生介紹，在制造半結(jié)構(gòu)汽車部件的應(yīng)用中，塑料-金屬混合材料體系與直接復(fù)合的長(zhǎng)纖維聚丙烯復(fù)合材料展開了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。他說，全塑復(fù)合材料在降低重量和成本方面比混合材料體系更有發(fā)展?jié)摿?，但在功能整合以及改進(jìn)部件結(jié)構(gòu)方面，這兩種材料都有優(yōu)勢(shì)。
低成本的混合體系制造技術(shù)采用熱鉚接以及超聲波焊接的方法將塑料和金屬連接在一起
隨著全塑汽車部件應(yīng)用的不斷推進(jìn)，塑料-金屬混合體系將在更高性能的應(yīng)用領(lǐng)域開拓市場(chǎng)。在美國(guó)，防側(cè)撞法規(guī)的推出為塑料-金屬混合材料在高性能部件上的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。
拓寬塑料-金屬混合體系的應(yīng)用范圍
Bayer開發(fā)的塑料-金屬混合材料技術(shù)說明了這樣的事實(shí)，即增強(qiáng)開口部分，U形鋼制沖壓片的側(cè)向支撐作用可在很大程度上提高部件的承重強(qiáng)度。將經(jīng)沖壓制成的帶有鐘形通孔的金屬嵌件放進(jìn)注射模具中，用30％的短玻纖增強(qiáng)尼龍6進(jìn)行包覆成型，可制得交叉肋形的支撐構(gòu)件。金屬和尼龍的結(jié)合是由于尼龍熔融后滲入通孔中形成“鉚釘”，構(gòu)成力學(xué)聯(lián)動(dòng)裝置。由于注塑機(jī)只在一個(gè)方向開啟，所以Bayer的塑料-金屬混合材料技術(shù)最初僅適用于具有交叉肋形的二維結(jié)構(gòu)部件。但來自Bayer的消息稱，如今他們已開發(fā)出了新的技術(shù)，可用于具有多方向肋結(jié)構(gòu)的部件。
雖然Bayer的混合材料結(jié)構(gòu)件有開口，但其彎曲強(qiáng)度、軸向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度均好于許多閉合的結(jié)構(gòu)，如盒式結(jié)構(gòu)件。利用Bayer的技術(shù)，金屬?zèng)_壓片的壁厚和重量不僅可以被減少40％～60％，而且具有很好的承重強(qiáng)度。在奧迪A6的前端模塊和福特Focus的格式增強(qiáng)體系中，該技術(shù)的應(yīng)用帶來了明顯成效，至少降低了10％的成本和重量。
混合材料體系的最新進(jìn)展是模內(nèi)成型裝配。即2個(gè)或更多的、帶有排列成行的孔的金屬片被自動(dòng)地置于模具內(nèi)并校準(zhǔn)好通孔，然后用尼龍進(jìn)行包覆成型，最終形成一個(gè)部件。據(jù)Bayer介紹，這能降低前端、門組件及窗口調(diào)節(jié)器的裝配成本。
據(jù)說目前在美國(guó)，“盒式”車門模塊雖然不具備足夠強(qiáng)的承重能力，但通過對(duì)部件的集成則顯示出了塑料-金屬混合材料在成本方面的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在新的趨勢(shì)是，眾多的部件，如聲控和溫度控制部件等都將被集成在空間不大的車門模塊中。此外，對(duì)車門模塊框架采用新的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也為市場(chǎng)所認(rèn)可，即該框架的設(shè)計(jì)是利用側(cè)旁的接合線長(zhǎng)條把內(nèi)門和外門連接起來。這些都將有利于塑料-金屬混合材料的發(fā)展。
Tier One的一家供應(yīng)商，位于德國(guó)Coburg的Brose公司每年都要裝配大約一億個(gè)用于車門模塊、座位調(diào)節(jié)器及窗戶調(diào)節(jié)器的組件，這些組件一般是由很多廉價(jià)的鋼制部件構(gòu)成。據(jù)該公司介紹，目前他們正在探索在一些特殊的應(yīng)用中使用塑料-金屬混合材料，并已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種由混合材料制作的窗戶調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。由于該模型是一個(gè)整體的組件，因此減少了二次加工工序。然而，這種對(duì)部件的集成帶來的不利因素是，不便于對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行重新調(diào)整以及對(duì)一些復(fù)雜部件進(jìn)行修理，這一缺點(diǎn)阻礙了塑料-金屬混合材料的廣泛應(yīng)用。
不同的汽車防側(cè)撞要求使得塑料-金屬混合材料在儀表板橫梁方面的應(yīng)用難度增大。雖然市場(chǎng)需求傾向于對(duì)低成本、單一材料的應(yīng)用，但塑料-金屬混合材料仍將會(huì)占有一席之地。
不同的方法
來自Dow Automotive的消息說，大量的試驗(yàn)證明，去年在大眾汽車前端模塊的模型應(yīng)用中引入的混合材料體系具有很強(qiáng)的粘合性能，因此目前大眾已經(jīng)采納了Dow的系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于兩款2006歐版車型的前端部件中。
利用專有的低能量表面粘結(jié)劑（LESA），Dow將玻纖增強(qiáng)聚丙烯與金屬粘結(jié)在一起。這種丙烯酸－環(huán)氧體系的粘結(jié)劑不需要對(duì)聚丙烯進(jìn)行預(yù)處理。這種粘結(jié)劑能產(chǎn)生持續(xù)的耦合作用，并能最大程度地降低應(yīng)力集中。目前，該體系已被應(yīng)用于高速機(jī)器人中。
Dow最新的粘結(jié)劑牌號(hào)是74030。該產(chǎn)品在硬度方面做了適當(dāng)?shù)南抡{(diào)，以使韌性得到最大程度的提高（伸長(zhǎng)率達(dá)到60％），同時(shí)，粘結(jié)力也得到了提高，并加快了固化速度。據(jù)介紹，這種粘結(jié)劑起著緩沖和吸收層間壓力的作用。
利用Dow的塑料-金屬混合材料技術(shù)能夠制出承重能力較大的封閉型構(gòu)件，盒式的輪廓為混合物部件的多功能化開辟了道路，譬如把氣囊直接安裝在IP梁上或者把空氣或水循環(huán)體系嵌入到門組件中。
Rhodia汽車業(yè)務(wù)全球總裁Eric Noyrez先生介紹說，成型塑料-金屬混合部件一般需要使用配套的機(jī)械、加工手段和原材料，這就使其比單一材料制得的部件成本更高。因此，對(duì)特殊部件的最優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得極為重要。目前Rhodia已經(jīng)開發(fā)出了一系列的混合組件技術(shù)，這些技術(shù)均以增強(qiáng)尼龍材料為基礎(chǔ)，且不具有專利權(quán)限，同時(shí)能提供不同級(jí)別的性價(jià)比。
其中一種技術(shù)為金屬的包覆成型（MOM）。在南美，該技術(shù)曾在2004輕型卡車的前端模塊制造中得到了應(yīng)用。該金屬包覆成型技術(shù)的特點(diǎn)是，將鋼沖壓片置于注射模腔內(nèi)，通過壓縮的方法使增強(qiáng)尼龍層包裹在鋼片上。然后采用高速、自動(dòng)化的方法，如超聲波技術(shù)，使尼龍部件被焊接在金屬嵌件的塑性表面上，最后得到的是具有連續(xù)的接合線和承重強(qiáng)度較高的封閉型構(gòu)件。這種核殼結(jié)構(gòu)具有防塵作用，并允許將諸如電纜、空氣或水通道等整合進(jìn)來。
塑料－金屬混合材料正在從汽車領(lǐng)域的應(yīng)用拓展到其他市場(chǎng)，
例如運(yùn)動(dòng)器材和自行車架
Rhodia還利用氣輔或水輔注射的方法，將一種更硬更薄的尼龍表層用于金屬包覆成型的部件中。這種方法雖然增加了成本，但提高了承載強(qiáng)度，優(yōu)化了整體功能。據(jù)說，這種方法在前端模塊、剎車踏板和車門把手等方面具有應(yīng)用潛力。
目前，Rhodia正在試圖進(jìn)一步降低塑料－金屬組合件的成本。其方法是，采用帶沖壓孔的U型鋼片，尼龍部件被單獨(dú)模塑成型，利用熱樁來鎖住鋼片上的沖壓孔，并通過超聲波焊接或熱打樁的方法來生成鉚接端，以將塑料和金屬粘結(jié)起來。
一年前，BASF引進(jìn)了所謂的“金屬軸環(huán)”（metal-collar joining）連接方法,即在金屬片上沖壓出5mm直徑的軸環(huán)，然后用冷壓的方法將金屬部件壓入模塑成型的30％玻纖增強(qiáng)的尼龍6或尼龍66部件中。軸環(huán)的截槽使金屬和塑料被鎖定在一起，而軸環(huán)的位置是可以改變的。
據(jù)介紹，“金屬軸環(huán)”連接方法最初在商業(yè)上的應(yīng)用是汽車的前端組件以及其他汽車部件。與包覆成型相比，“金屬軸環(huán)”連接方法的優(yōu)勢(shì)在于尼龍部件的單獨(dú)注射成形可制得具有三維交叉肋形的封閉構(gòu)件，并增大了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。BASF宣稱，這一技術(shù)具有更好的尺寸穩(wěn)定性和更低的金屬回彈性，同時(shí)廢品率也很低。
（轉(zhuǎn)載）
