高強度復合材料已經上路
????作者：STUART F. BROWN ????大批量生產硬質零件的新型大機器是朝以塑料為制造汽車的基礎材料這個方向發(fā)展的一個重大步驟。 ????如果站在一旁觀看有史以來最大的模塑機生產汽車上的塑料零件，你會產生一種眼花繚亂的幻覺，好像眼前這個85英尺長、有兩臺柴油機車那么寬的龐然大物足以有能力加快或減緩地球轉速似的。這臺巨型機器腳下是幾臺液壓泵，總功率達1000馬力，合模力足足有8800噸，就是這股力把模塑機中上下兩個14x8英尺的模具緊緊合在一起。等著加熱后的復合材料以每平方英寸三萬磅的壓力注入其中。在這個壓力下生產出來的是堅硬的塑料零件，它們將取代如今仍然在汽車上使用的某些用鋼或其他材料制造的零件。 ????戴姆勒-克萊斯勒汽車公司（DaimlerChrysler）正在試用這臺價值數(shù)百萬美元的機器，看看它是否能像生產糖果的機器噴出口香糖那樣大批量生產汽車上的承重零件。這臺機器由赫斯基注塑機械制造公司（Husky Injection Molding Systems）擁有，是該公司設在密歇根州諾維的技術中心制造的。眼下，它正用來生產200個安裝在牧人吉普車（Jeep Wrangler）上的活動塑料硬質頂蓋樣品。這批頂蓋如果能達到各項預期要求，將被安裝在今年秋天投產的牧人吉普車上。 ????汽車制造商們還在醞釀生產另外一些更加復雜的汽車零件，但他們不愿多說。戴姆勒-克萊斯勒公司一位副總裁托馬斯?穆爾（Thomas Moore）說：“吉普車頂蓋是我們第一個實驗項目。如果行得通，我們就搞更大的項目。”該公司在密歇根州麥迪遜海茨設有一個自由技術業(yè)務中心（Liberty and Technical Affairs Center），負責研究和開發(fā)下一代汽車。中心的車身工程部主任勞倫斯?奧斯瓦德（Lawrence Oswald）對自己的想法倒是直言不諱，他說：“我的長遠目標是，此舉有朝一日能使我們生產出一次成型的車身。” ????戴姆勒-克萊斯勒公司并不是唯一一個朝此方向努力的汽車制造商。通用汽車公司（General Motors）卡車分部和福特汽車公司（Ford）的供應商們也正在用別的模塑技術生產不同類型的塑料零件，即一種承重部件——輕型卡車底盤，這種卡車的樣車將在今年下半年出現(xiàn)在展示廳里。這種底盤重量輕，耐沖擊，不生銹，這些都是傳統(tǒng)鋼制卡車車身所不具備的。起碼來說，這些塑料頂蓋和卡車底盤代表了用所謂結構復合材料的輕型材料制造成本適中的零件的新潮流。 ????諸如儀表板之類的塑料零件和塑料內部裝飾在轎車和卡車上的應用已有時日。道奇蝰蛇（Dodge Viper）和通用公司的土星（Saturn）轎車也已用上了塑料外殼。但是，此類汽車（包括其他品牌）仍然要依賴塑料外殼底下的那層金屬“空間框架”來維持其強度。由合成樹脂構成、用玻璃纖維或其他纖維增加強度的各種結構復合材料遠非只起裝飾作用。它們有足夠的強度承受汽車上路后——甚至包括發(fā)生事故時的部分主要負荷。 ????雖然像日本豐田汽車（Toyota）和本田汽車（Honda）這樣的技術領頭羊還沒有宣布近期將在汽車上使用結構復合材料的計劃，底特律的汽車制造商們卻已經有所動作了。它們通過成立汽車復合材料聯(lián)合體（Automotive Composites Consortium）來共享非專利的“競爭前”的知識。在這個成立于1998年的聯(lián)合體里，一個名叫能源部的分支機構正在和由汽車業(yè)資助的全美汽車研究會共同研究一種可乘五人、每加侖汽油可行80英里的汽車的制造方法。 ????戴姆勒-克萊斯勒公司在研制結構復合材料方面稱得上是如醉如癡。它正在冒著很大的技術風險，以圖頭一個在開發(fā)與傳統(tǒng)方法大不相同的汽車生產工藝上找到出路。那臺生產吉普車頂蓋的巨型注塑機需要極大的液壓壓力——比通用和福特公司用來生產輕型卡車底盤所需的壓力要大得多，它生產出來的注塑零件形狀之復雜程度也是汽車制造業(yè)中前所未有的。戴姆勒-克萊斯勒并非獨自在冒這個風險。該公司有一個重點依靠供應商開發(fā)新型零件及其制造方法的“擴大經營”戰(zhàn)略，按照這個戰(zhàn)略，開發(fā)項目的大量成本和工作正由一些機械制造商來承擔，如設在加拿大安大略省博爾頓的赫斯基公司和安大略省康科德的德科馬國際公司（Decoma International），后者是戴姆勒-克萊斯勒最大的配件供應商之一馬格納國際公司（Magna International）的下屬機構。如果一切順利的話，赫斯基和德科馬公司便能出售更多的注塑機和塑料零件。 ????克萊斯勒公司早在1994年就開始大規(guī)模開發(fā)結構復合材料，它在那一年上馬了一個研究項目，目的在于研制一種低成本汽車，拿到中國等地去生產。該項目的研制成果就是在1997年法蘭克福汽車展上露面的“復合材料概念車（CCV）”，其外形很像雪鐵龍公司（Citroen）的“雙馬（Deux Chevaux）”型汽車。盡管這個在第三世界生產汽車的想法后來被束之高閣，復合材料概念項目卻表明，很大的零件的確可以用注塑法來制造，并且可以在汽車承重結構中占有很大的部分。盡管它里面仍然需要用一個重140磅的梯子型鋼管框架，但比起原先用300磅重的框架來承擔全部重量的方法則要簡單得多。戴姆勒-克萊斯勒公司的奧斯瓦德說，按照CCV制造的汽車全部重量要比全鋼汽車輕20%至50%。 ????鑒于復合材料汽車的重量較輕，人們提出了種種有關乘車者遇到事故時的人身安全問題。戴姆勒-克萊斯勒公司的工程師進行的沖撞實驗表明，一輛同樣大小的汽車能經受住時速33英里的撞擊。不過，這項實驗不是在一輛CCV車上進行的，而是在車上某些部位的塑料零件里添了加固鋼材。該公司的工程師在提到空間框架時玩弄了一下字眼，說這種由兩種不同材料結合的結構是“罕見框架”，它可能是奧斯瓦德設想的那種一次成型車身的基礎。 ????奧斯瓦德說，通過研制CCV車，“我們已經證實，可以用注塑的方法制造汽車內的各種零件。”CCV車車身的四個大型復合材料部件是用通常用來制作飲料瓶的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）做的，里面添加了短玻璃纖維以增加其強度。克萊斯勒公司當時用的大型注塑機為生產塑料垃圾桶的大急流城喀斯喀特工程公司（Cascade Engineering）所擁有，而赫斯基公司最近制造的巨型注塑機則使汽車制造商們得以用CCV注塑模具進行試驗，以改進彩色注塑工藝，提高產品的表面光潔度。 ????奧斯瓦德說，如果能夠做到這一點，復合材料注塑車身可以使裝配廠取消噴漆車間，還能大大減少勞動量和工具使用數(shù)量。用奧斯瓦德的話來說，一家完整的發(fā)動機和車輛組裝廠，包括一個把80至120個鋼制沖壓零件組裝出車身的焊接車間和一個噴漆車間，目前的占地面積為200萬至400萬平方英尺，所需設備的成本為10億至30億美元，而一個制造類似CCV車的彩色注塑車身的工廠占地面積只有前者的四分之一，生產成本也只有鋼制車身的三分之一。 ????戴姆勒-克萊斯勒公司眼下的任務是：掌握注塑吉普車頂蓋的生產方法。赫斯基和德科馬公司的技術人員們正在把短玻璃纖維分別同其他兩種材料混合到一起，用赫斯基公司的巨型機器“噴出”頂蓋樣品，其中一種材料是密歇根州特洛伊的蒙特爾北美公司（Montell North America）生產的聚丙烯和聚苯乙烯的混合物，另一種是新澤西州薩米特的蒂考納公司（Ticona）生產的PET。奧斯瓦德說：“聚丙烯比較容易成型，而PET有較高的表面光潔度，所以我們進行對比。在這兩種材料里分別加上35%的玻璃纖維（這種纖維極其纖細，長度不到一毫米），這樣更便于熔化后的復合材料流進模具中的每一個角落。在這兩到五分鐘的注塑過程中，復合材料冷卻成型后，混在里面的玻璃纖維便互相交叉的固定下來，從而大大的增加啦材料的強度。” ????吉普車的硬質頂蓋被注塑成兩部分，一個內層和一個外層，用來替代目前用另一種名叫片料成形復合材料的塑料制造的，由五部分組成的頂蓋。這種新方法使頂蓋的重量減少了30%，成本降低了10%，而且無需上漆。還有一個與舊方法不同的地方是，這種注塑零件的邊緣不用打磨，因而不產生廢料。如果試驗成功，戴姆勒-克萊斯勒公司將買下這種模塑機，安裝在它設于托萊多的吉普車制造廠里。 ????奧斯瓦德認為，這次吉普車車頂制造實驗“對我們來說是一個極好的學習過程。它有種種困難，你必須在一個大的平面上推動塑料，然后再拐幾個彎。我們充分利用了模塑機的全部合模力。”他又說，考慮到要留出車窗和其他一些特點，“機器上還有一套復雜的滑動平臺和升降裝置，以便我們做好頂蓋后能打開模具，取出里面的配件。從我們?yōu)槭惯@一切步驟實現(xiàn)機械化所做的工作上來看，這的確是世界上最復雜的注塑模具。” ????戴姆勒-克萊斯勒公司在批準使用復合材料大批量生產汽車構件之前，要求把各種材料的成本降低到每磅1.25美元以下。如果用量不大，目前的材料價格是每磅1.50美元左右，如此看來，全面投產后，這一目標是有可能達到的。研究人員正在致力解決的另一個難題是，確保用這些復合材料制造的零件能適應各種不同的氣溫——從明尼蘇達州40華氏度的嚴寒到死亡之谷的酷暑（在那里，涂了黑色的復合材料表面溫度到中午可達250華氏度）。戴姆勒-克萊斯勒公司的復合材料之所以稱為熱塑性塑料，因為其熔點相對較低。人們擔心的不是這些復合材料會在炎熱中熔化（其熔點至少要達到440華氏度），而是恐怕它們在高溫中變形或強度下降。為此，復合材料生產商們都在紛紛進行試驗，以便生產出各種化學“變性劑”，它們能使復合材料具備所需的硬度和塑性，而且價格也能接受。 ????與此同時，通用和福特汽車公司也在全力研制它們自己的復合材料零件。通用汽車公司卡車分部對輕型卡車車主所做的調查表明，這些人頭一個愿望就是底盤不再叮當亂響，也不早早就生銹。根據(jù)這個要求，產品設計師們恢復了在80年代擱置的一個復合材料底盤的研制項目，當時公司的經營情況很糟，新的想法很難在公司內部推行。 ????如今的情況是產銷兩旺，截至去年12月，通用公司全年輕型卡車的銷售量有望比1998年增加30萬輛。為了與像福特和克萊斯勒這樣的競爭對手抗衡，很重要的一點就是要吹捧自家產品的優(yōu)點。另一個要考慮的因素是汽車的自重。盡管美國人現(xiàn)在顯然并不在乎每天耗費大量的汽油，汽車制造商們仍然不得不擔心政府實行的企業(yè)平均燃料消耗經濟（CAFE）標準，違反此項規(guī)定者將被課以高額罰金。 ????今年秋天，購買和原先同樣大小的雪佛萊牌Siverado輕型卡車的人可以選擇一種Pro-Tec復合材料底盤的車型。托馬斯?詹森（Thomas Jensen）是通用公司的密歇根州龐帝亞克市卡車生產中心領導研制這種底盤的工程小組經理，他總是喜歡掄起一人多高的大鐵錘猛砸他們的產品，以顯示這種材料有多大的抗沖擊力和抗破碎力。 ????兩年來，通用公司對48輛安裝了復合材料樣板底盤的卡車進行了耐久性試驗，試驗地點是一些條件惡劣的地方，如硫礦和瀝青砂巖地面。這種底盤是用添加了催化劑后凝固的“熱固”塑料制成的，通用公司的實驗人員用沉重的尖頭鋼對它進行百般蹂躪，但毫毛未損。這種已投入生產的地盤要比鋼制底盤輕50磅，其中有15磅的重量是從后擋板上減下來的，這樣一來，抬起和放下后擋板顯然要省力多了。 ????印第安納州亨廷頓的坎布里奇工業(yè)公司（Cambridge Industries）將用一種短玻璃纖維和聚氨酯塑料各占一半的混合材料生產底盤的內層配件，這是一種6.5英尺長的整體部件。該公司將使用一種名叫結構反應注塑法的工藝，它是由俄亥俄州阿什塔比拉的玻璃纖維塑模公司（Molded Fiber Glass Co.）最先開發(fā)出來的。該工藝的第一步是，由機器人用粉碎槍把玻璃纖維噴到一個做成卡車底盤形狀的金屬篩上，然后用高速穿過的空氣把經過粉碎的玻璃纖維吸附在篩子上，形成一層膜墊。粉碎槍里裝的是由歐文斯-科寧公司（Owens Corning）生產的玻璃纖維卷，里面交織著捆扎劑，即一種纖細的塑料絲，它在加熱爐里加熱到400華氏度達四分鐘后熔化，把玻璃纖維粘結到一起。 ????這一步驟的產品是一種海綿狀“預塑件”，硬度足以將其從金屬篩上剝離下來，送到注射壓縮成型機上。在兩片模具完全合到一起之前，還要稍稍加壓注入由拜耳公司（Bayer）提供的液狀聚氨酯樹脂和一種催化劑。等模具完全扣合后，這種加了催化劑的樹脂就會充斥到預塑件纖維之間的所有空隙中，并且在短短九秒鐘后開始凝結。在室溫下經過四分半鐘的化學固化處理之后，就可以把零件從模具中取出來，打磨邊緣，最后再刷上一層黑色抗磨漆。 ????隨后，坎布里奇工業(yè)公司把這種復合材料底盤內芯和鋼制外加固層用膠水和泡沫塊固定到一起，送到通用公司設在韋恩堡附近的卡車裝配廠。在通用公司的裝配線上，工人們給底盤套上彈性外殼，這種外殼使用的是一種抗沖擊的復合材料，是由密歇根州特洛伊的巴德公司（Budd Co.）用另外一種名叫反應注塑法的工藝生產的。據(jù)說，這種不透明外殼的抗磨損性要比目前用在雪佛萊牌Corvette型和龐帝亞克牌火鳥型車身上的復合材料片料模塑外殼高出一倍。 ????詹森說，在選擇材料方面，他們并不墨守成規(guī)，老是用某一種材料，而是從成本、重量和性能幾個方面來綜合考慮，找出最合適的材料。他指出：“我們生產的底盤確實集中了各種材料的優(yōu)點。我們在后擋板的上緣用不銹鋼條加固，因為我們了解到人們經常用水泥塊把這個部位砸得傷痕累累。玻璃纖維復合材料做的底盤內芯具有足夠的韌性，固定在底下的鋼筋則使其具備了所需的強度。”詹森有一臺試驗設備，它能把一個拴在繩子上的重達17磅的保齡球砸到底盤的外殼上，以表明那外殼有多大的“彈性和韌性”。 ????不甘落后的福特汽車公司將在2000年下半年推出它自己的復合材料卡車底盤。實際上，早在1989年福特公司就用復合材料生產了5000件漫游者（Ranger）輕型卡車的底盤。福特公司在迪爾伯恩負責重力工程的經理湯姆?斯韋德（Tom Sweder）說：“我們當初生產這些底盤是為了取得加工復合材料的經驗，但后來由于成本太高，決定不再生產了。” ????福特公司生產的一種長度較小（四英尺）的復合材料底盤將于明年安裝在“探索者”卡車（Explorer Sport Trac）的樣車上。這種新型底盤和原先生產的底盤一樣，都是用片料模塑復合材料制造的，但它的成型性和抗紫外線性能近來都有所提高，成本也有所下降。斯韋德指出，黏合劑的耐久性增加了，凝固時間也縮短了，這樣就能跟上生產線的輸送速度。巴德公司將為福特公司生產這種底盤。 ????用來生產片料模塑底盤的復合材料成本大約為每磅90美分，而鋼材的成本大約為每磅35美分。但斯韋德說，要考慮的不知是價格問題：“福特已經改變了權衡各種利益的方式。我們如今不再單單考慮成本問題，而是注重以下一些因素：汽車外殼是否經久耐用，外觀漂亮，具有更高的剛性——最后一點有利于降低噪音。” ????盡管人們在研制結構復合材料方面取得了長足的進步，鋼材仍然是可以與之匹敵的材料。如果某種材料的生產商有所改進，它的對手也不會裹足不前。斯韋德說：“面對塑料制品和鋁制品的挑戰(zhàn)，鋼鐵業(yè)的確作出了反應，他們研制了一系列價格低廉、性能卻是四五年前所沒有的鋼材。我不得不提醒我的設計人員，要重新學習如何運用鋼材，因為這不是他們早先所了解的鋼材。” ????據(jù)《沃德汽車世界》（Ward’s Auto World）雜志報道，過去的二十年里，在汽車制造業(yè)，某些材料（如制造汽缸蓋的鑄鐵、制造散熱器的銅和制造門把手所用的鋅等）的用量大幅減少，鋁的用量卻增加了，而鋼的用量只是稍有下降：1979年，在北美生產的汽車中，鋼材所占全車的重量比為55%。如今則為54%。顯然，主張使用復合材料的人每走一步都得拼命為自己辯護，而主張使用其他材料的人也會寸步不讓。 ????雙方的觀點能否站得住腳，一個關鍵的因素是：材料能不能回收利用。如今汽車上的鋼制配件到一定時候就要送回煉鋼爐。戴姆勒-克萊斯勒公司料到環(huán)境保護主義者會提出批評，便宣稱它使用的結構復合材料是易于熔化的熱塑性塑料，因此不存在回收利用方面的問題：廢零件里的材料是可以再利用的。汽車使用壽命到期后，用熱塑性塑料制造的零件可以熔化后生產出其他產品，如塑料家具和仿真木材等。用來制造卡車底盤的熱固塑料雖然無法融化，但通用公司正在研究一種方法，把廢舊卡車底盤磨碎后用作鋪路的骨料。 ????用巨型模塑機生產一次成型汽車車身的時代可能還沒有到來，但是汽車制造商們顯然已經離它越來越近了。 ??? 譯者：王恩冕 相關稿件
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