為汽車企業(yè)“賦能”的新型輕量化技術(shù)，具體是什么樣的？

能為企業(yè)賦能的新型輕量化技術(shù)

       輕量化新技術(shù)層出不窮德國寶馬（BMW）集團將機動車的重量減輕了130kg，德國奧迪（Audi）不甘落后，也將機動車重量減輕了300kg——這些案例表明，汽車車身設(shè)計領(lǐng)域正悄然發(fā)生一場巨大變革。而引領(lǐng)這場世界改革浪潮的，正是德國汽車制造商。寶馬和奧迪兩家德國制造商，采用了“多材料實用化”，即復(fù)合使用多種材料，打造車身結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其中，寶馬采用了碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）、高抗拉強度鋼板、鋁合金等輕量化材料與普通鋼材組合使用的方式，來進行車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并成功將高級四門轎車“7”系列的車身重量減輕了130kg。
       同時使用高抗拉強度鋼板、多相鋼板、鋁合金、CFRP和鋼板等5種合金，在提高剛性和強度的同時，實現(xiàn)輕量化。另一方面，奧迪公司大膽采用了輕量材料——鋁合金。通過組合使用鋁合金與高抗拉強度鋼板等多種復(fù)合材料，設(shè)計了新型車身結(jié)構(gòu)，成功將多功能SUV“奧迪Q7”系列的車體重量減輕了300kg。

       采用多材料的車身結(jié)構(gòu)。積極地采用鋁合金材料，實現(xiàn)汽車減重300kg。寶馬和奧迪之所以推進多材料化，是因為以普通鋼材為基礎(chǔ)的車身設(shè)計很難再推動輕量化的進一步發(fā)展。也就是說，現(xiàn)有輕量化技術(shù)已經(jīng)碰觸到了“邊界”。寶馬公司表示，“車身形狀的設(shè)計已基本完成。要想達成更高水準(zhǔn)的輕量化，只能將輕量化材料放到合適的地方，讓其發(fā)揮應(yīng)有的作用”。未來，推進零件和產(chǎn)品輕量化的開發(fā)技術(shù)將持續(xù)精進。其中起牽引作用，或者說是促進作用的行業(yè)，是汽車制造業(yè)。當(dāng)然，這指的并不僅僅是高級乘用車制造商。住友化學(xué)認(rèn)為，“幾乎所有的汽車制造商和汽車零件制造商都殺紅了眼，拼命想在輕量化中尋求突破”?？梢?，大家劍鋒所指，都是要突破目前的“邊界”。
       油耗規(guī)制的時限，迫在眉睫制造商重視輕量化生產(chǎn)的原因，主要有兩個。一，如果不減輕車身重量，讓制造出來的產(chǎn)品油耗更低，就無法繼續(xù)占有市場。因為只有在低油耗競爭中將對手比下去，才能夠贏得顧客的青睞。二，油耗規(guī)制（二氧化碳排放規(guī)制）日益嚴(yán)苛，必須實現(xiàn)超出以往水準(zhǔn)的輕量化。以歐洲為中心，油耗規(guī)制正以燎原之勢遍布世界。不遵守這些規(guī)制的制造商，或?qū)⒈惶幰愿哳~罰款，并背上“無視環(huán)保的無良企業(yè)”的惡名，對企業(yè)形象造成負面影響。

       我們都知道，輕量化是一個橫跨制造行業(yè)的大課題。那么，為什么率先啟動這場輕量化變革的，會是汽車制造商？原因，其實非常簡單——油耗規(guī)制“時限”迫在眉睫。汽車制造商擔(dān)憂的，是與世界油耗規(guī)制緊密相關(guān)的“2020年問題”，即2020年達到日本規(guī)定的二氧化碳排放量105kg/km，2021年達到歐洲規(guī)定的二氧化碳排放量95kg/km。為了解決這個棘手問題，汽車制造商設(shè)置了一個整體的輕量化目標(biāo)，并以這個目標(biāo)為準(zhǔn)，逐步加工各個零件——先設(shè)定整體需要減重多少千克的目標(biāo)，然后落實到每個零件需要減重多少——進而讓目標(biāo)和進程更加明確。而為了達成這個定額，負責(zé)人會想盡一切辦法。包含產(chǎn)品評估在內(nèi)的開發(fā)設(shè)計流程至少需要花費數(shù)年時間，所以，留給制造商的時間確實不多了。
       油耗競爭愈演愈烈的情況不僅出現(xiàn)在汽車制造行業(yè)。船舶和航空領(lǐng)域也同樣廝殺慘烈。在全球競爭日益激烈的今天，很多客戶會傾向于選擇油耗更低的產(chǎn)品。在產(chǎn)業(yè)機器人和機床等領(lǐng)域，制造商通過減輕可移動零件的重量，以實現(xiàn)節(jié)能減耗、更高精度的位置移動和更快速的動作。此外，市場還對便攜式設(shè)備給予了高度關(guān)注。通過減輕設(shè)備重量，提高便攜性，可以在減輕人體身體負荷的同時增強舒適感。輕量化會使市場競爭白熱化，因為只要解決輕量化課題，就可以直接提高產(chǎn)品的附加價值。各個領(lǐng)域的輕量化進程都在悄然發(fā)生巨變。但是，目前市場需求的，還是可以帶領(lǐng)大家突破現(xiàn)有“邊界”的新技術(shù)、新思維。

       順應(yīng)節(jié)能和降低成本的客戶需求：日本做過一份問卷調(diào)查，也可以看出客戶對于輕量化需求的高漲。該問卷的回答者均為技術(shù)人員，我們從中可以看出現(xiàn)實工廠中的實際情況。問卷中有這樣一個問題：“當(dāng)前職務(wù)中，您需要完成輕量化目標(biāo)的原因是什么？”回答“因為客戶需要”的，占比42.3%。也就是說，正是因為客戶提出了一系列的要求，供應(yīng)商才不得不達到輕量化的目標(biāo)。

實現(xiàn)輕量化的重點，是工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選擇

       為應(yīng)對前所未有的市場需求，輕量化新技術(shù)層出不窮，大有突破現(xiàn)有邊界的勢頭。從符合實用水準(zhǔn)的輕量化技術(shù)的角度來看，輕量化大致可以從“工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化”和“材料選擇”兩個方向入手。
       工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的典型案例，是多材料化，即著眼于產(chǎn)品整體，把輕量化材料進行“適材、適所”的組合，以削減整體重量，確保必要處的強度。例如，“寶馬7系列”的車身鋼板變得更輕薄，是因為寶馬公司為了補充材料的強度，使用了強度更高的CFRP作為補充材料。這種設(shè)計，可以保證更高的材料強度和剛性，實現(xiàn)按普通思路很難達到的輕量化程度。這項技術(shù)，可以將不同材料直接進行焊接或粘合，改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)輕量化。也就是說，不必再使用連接用的螺栓和螺母等類似產(chǎn)品，以及為了連接而生產(chǎn)的其他零件（比如法蘭接頭）了。

       如此一來，結(jié)構(gòu)會變得更加簡單。為確保焊接、粘合強度，需要重新整理產(chǎn)品評價標(biāo)準(zhǔn)和體制。突破這一課題，達到實用化水準(zhǔn)的先例，是贏創(chuàng)工業(yè)（daicel-evoni，總部位于日本東京都）。贏創(chuàng)工業(yè)采用將鋁合金和聚酰胺（PA）兩種不同材料進行牢固焊接的工藝，成功研發(fā)了前端模塊。與在傳統(tǒng)的鋼架結(jié)構(gòu)中安裝樹脂材料相比，產(chǎn)品減輕了20%左右。JR東海公司通過采用大幅減少散熱量的碳化硅（SiC）電力半導(dǎo)體，實現(xiàn)了新干線驅(qū)動系統(tǒng)的輕量化，并通過將系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜的強風(fēng)冷裝置轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)較為簡單的行駛風(fēng)冷裝置，使車體成功減重20%。
       采用輕質(zhì)材料：通過“材料選擇”改進輕量化技術(shù)，是指將現(xiàn)有材料替換為較為輕便的材料，或充分發(fā)揮原有材料的作用，以實現(xiàn)輕量化。新型輕量材料的代表，就是CFRP（碳纖維增強復(fù)合材料）。CFRP具有量產(chǎn)規(guī)模優(yōu)勢，因此汽車行業(yè)對CFRP給予了高度關(guān)注。汽車行業(yè)以外的其他行業(yè)也在積極推進CFRP的應(yīng)用。比如，NAKASHIMA PROPELLER（總部位于日本岡山市）將船舶用螺旋槳的材料從銅合金替換為CFRP，成功將螺旋槳減重50%。提高樹脂材料耐熱性的動向也更為明顯，制造商紛紛嘗試在更高溫的環(huán)境中應(yīng)用樹脂。

       具體來看，汽車的引擎、變速器等周邊零件都由傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣蜔針渲?。住友電木株式會社將兩輪機動車引擎中鋁合金材質(zhì)汽缸組的一部分，替換為碳素纖維和玻璃纖維強化的酚醛樹脂，最大減重可達28%。住友化學(xué)開發(fā)了高耐熱性的聚醚砜樹脂（PES），通過將汽車引擎油量控制閥從鋁合金材質(zhì)替換為PES，成功使閥重減輕50%，并投入量產(chǎn)。豐田紡織開發(fā)出了由聚丙烯（PP）和聚酰胺11（PA11）構(gòu)成的耐沖擊材質(zhì)——聚合物合金，并研發(fā)出了發(fā)泡成型工藝，生產(chǎn)出世界最輕量級的門飾板。這種門飾板通過了側(cè)面沖擊等強力沖擊試驗，被評定為不易損壞材質(zhì)。與致力于“車身多材料化”的寶馬和奧迪形成鼎足之勢的，是日本豐田公司。
       豐田表示“要將鋼材質(zhì)進行到底”。豐田管理人員認(rèn)為，輕量化的關(guān)鍵，在于“充分利用高抗張鋼板”。在這一大背景下，日本鐵鋼制造商將發(fā)揮巨大作用。新日鐵住金可以生產(chǎn)抗張力高達1000Mpa的超高抗張鋼板，其優(yōu)勢不僅是生產(chǎn)高抗張力鋼板，還能為汽車制造商等提供包括加工技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)在內(nèi)的解決方案——高抗張力鋼板的強度雖然高，但卻十分輕?。讳摪寤?qū)⒊霈F(xiàn)半面、成型加工性能較差等問題。新日鐵住金通過提供配套的理論支持和加工技術(shù)，讓客戶深深感受到了鋼材的優(yōu)勢。