◆RLE International 开发了一种创新的低成本/低压压缩成型变体和热塑性夹层板技术，自 2019 年起已在一辆商用车的内部隔板（上图）上投入生产。目前正在研究将该技术用来生产车顶外板和引擎盖。
至少五十年来，全世界汽车复合材料供应链的重要工作都集中在努力使热塑性复合材料成为A级饰面水平车身面板的可行选择，包括发动机罩、车顶和舱盖（行李箱盖）。(下面，部分A简要介绍了复合材料车身面板的历史，部分B讨论了为什么需要复合材料车身面板）。从 20 世纪 50 年代开始，热固性复合材料取代了半结构/垂直和全结构/水平车身面板上的金属。自 20 世纪 80 年代起，热塑性复合材料开始间歇性地应用于垂直车身面板，如保险杠面板和挡泥板；自 20 世纪 90 年代起，热塑性复合材料开始应用于门板和其他饰件；自 21 世纪初，热塑性复合材料开始应用于举升门。然而，事实上，在水平面板上使用这一类材料很难满足汽车行业对性能、成本和美观的要求。
这种情况可能正在发生明显的变化，这要归功于英国的一种低压压缩成型和热塑性夹芯板技术。4 年来，该技术一直在为一辆额定载重 2 吨的轻型商用车生产大型隔板。本文讨论的最新工作表明，该技术可将设计灵活性、机械性能、经济快速的加工和表面美学完美地结合在一起，最终可用于水平外板。
◆通用汽车公司生产的八代雪佛兰 Corvette 复合材料车身跑车展示了复合材料车身面板的有趣发展历史。图片来自：通用汽车公司
热固性复合材料在乘用车上的应用历史悠远长久，可用于半结构垂直和全结构水平车身外板以及底盘/单体部件。玻璃纤维增强塑料（GFRP）于 1953 年首次出现在当时的通用汽车公司（现为通用汽车公司，GM，美国密歇根州底特律市）生产的新型雪佛兰克尔维特跑车的所有车身外板上。20 世纪 60 年代，在科尔维特跑车上，手糊玻璃钢被循环速度更快、更稳定的压缩模塑片状模塑料（SMC）所取代。从那时起，SMC 的应用限制范围已经超出了车身面板，包括结构拾取盒、底盘部件以及最近的电动汽车电池组的大型保护罩。此外，碳纤维/热固性基复合材料从 20 世纪 90 年代的一级方程式和二级方程式赛车的重要部件，过渡到车身面板，后来又从 2000 年代初开始过渡到街车（包括克尔维特）的整个整体车身。
注塑成型的短玻璃纤维增强热塑性塑料于 20 世纪 80 年代初首次应用于非结构性保险杠面板，到 20 世纪 80 年代中期，开始向挡泥板等其他垂直面板过渡。1990 年，通用汽车的土星汽车首次亮相，所有垂直车身面板均采用注塑热塑性复合材料。不过，发动机罩、挡泥板和车顶仍采用冲压钢板，最终在 2010 年停产之前，整个车身外部都过渡到了钢板。
这十年间，通用汽车的其他几款车型也采用了热塑性垂直面板，例如德国慕尼黑宝马汽车公司（BMW AG）限量版（1989-1991 年）Z1 跑车，以及后来戴姆勒股份公司梅赛德斯-奔驰分部（现为德国斯图加特梅赛德斯-奔驰股份公司）于 1997 年推出的小巧的 smart fortwo 微型车。smart 是第一款采用全热塑车身面板的汽车，尽管引擎盖和车顶面板确实非常小。2007 年，smart 成为第一款从玻璃纤维增强聚碳酸酯/聚对苯二甲酸丁二醇酯（GR/PC-PBT）转向滑石粉填充热塑性聚烯烃（TPO）的乘用车。
在过去的 15 年中，滑石粉填充热塑性聚烯烃在垂直车身面板上慢慢取代了 GR/PC-PBT 和 GR/改性聚苯醚-聚酰胺（GR/MPPE-PA）等工程热塑性塑料。2014年，日产Rogue跨界多功能车（CUV）首次采用全热塑性举升门（滑石粉/热塑性聚烯烃外板与长纤维热塑性聚丙烯（LFT-PP）内板粘合），这是另一个历时10年的重要里程碑。此后，其他越野车和 CUV 也纷纷效仿。
故事开始于 2015 年左右，一家汽车制造商的工程团队找到 RLE 国际公司（德国科隆）英国办事处，寻求帮助降低商用车的成本和质量。RLE 因其汽车设计和工程工作而闻名全球，尤其是在主要车身结构和内饰方面。因此，该企业来提供全面的 CAE、工程设计、造型可行性和发布支持。RLE 团队提出了几种金属到复合材料的转换方案，以减少相关成本和质量，这中间还包括全结构/水平式外部顶板和客舱与货舱之间的半结构/垂直式内部隔板。
联合小组首先解决了技术上较为容易的舱壁问题。在接下来的几年中，舱壁设计持续不断的发展，最终使该技术通过了所有原始设备制造商的性能要求。为满足原始设备制造商的最大 12 千牛顿冲击力要求，最终的舱壁采用了单层轻质增强热塑性塑料 (LWRT) 面板，包括聚丙烯 (PP) 浸渍的可悬浮、短玻璃、低克/平方米 (GSM) 形式的玻璃毡热塑性塑料 (GMT) 复合材料，夹心为 0°/90° 单向 (UD) 玻璃纤维带（也可使用织物编织）。选择 LWRT 蒙皮材料是为了提供良好的未涂漆表面效果。
◆与钢材和 SMC 相比，结构面板的质量减少了 ≥50%，半结构/美观面板的质量减少了 ≥60%，同时与碳纤维增强塑料 (CFRP) 外面板的质量相匹配。
◆单件成本降低 10%，但零件数量减少，耐久性更强，模具成本大幅度的降低，噪音/振动/震动（NVH）明显优于金属。
◆成型周期短（90-120 秒），具有非常出色的低温抗冲击能力，可选择模内着色和 100% 报废回收。
隔仓板是在室温下通过低成本/低压（3.4-4.5 巴）热压/凝固 变体在匹配的金属模具中压缩成型，成型时间小于 90 秒。模具既不加热也不冷却，但夹层结构中使用的材料在成型前要预热。由于模具没有剪切边缘，因此在脱模后有必要进行水刀修整，以清理零件边缘并切割所需的孔洞。一体式面板取代了多件式钢/聚氨酯泡沫衬垫组件，重量减轻了 5.2 千克，降低了单件成本，模具投资减少了 80%。此外，这种全玻璃纤维/烯烃夹层结构在部件寿命结束时可完全回收利用。该获奖舱壁自 2019 年起投入商业使用，年产量为 60,000 至 70,000 件，但据报道，该工艺的单个工具年产量可达 90,000 件。
RLE 的团队（由内饰/外饰开发主管 Mark Grix 领导）相信同样的技术也适用于车顶外板，因此选择独自开发 A 级水平车顶板。Grix 自 20 世纪 90 年代在通用电气塑料公司工作以来，一直从事热塑性车身外板的开发工作。
由于团队预算有限，因此就需要采取巧妙的方法。其中一种方法是获得三块免费的钢制车顶外板--打算在装有隔板的商用车上用作焊接车顶板的外层/表层。这些钢板身兼两职。其中一块被扫描并用于创建模板，以快速设计面板的外表皮，从而快速缩短了 CAE 时间。由于车顶面板的内部（B 面）不是概念验证的一部分，因此团队只关注外部（A 面）的几何形状和表面光洁度。
另外两块钢板被用来制作低成本的成型工具，其中一块作为核心，另一块作为模腔，用于成型相对平整的复合屋面板的 A 面和 B 面。该车顶工具随后被用于在开发项目中成型复合材料面板，Grix 称它从一开始就生产出了出色的部件。
从与商用舱壁类似的夹层结构开始，铺设、成型和评估了许多不同的表皮和芯材组合（总厚度从 3 毫米到 5 毫米不等），以开发车顶板概念。在对很多材料进行预热后（不同的层受热时间可能不同），在装有上述工具（保持室温）的压缩压力机中手动铺设，并通过热压成型。研究人员再次将有效循环时间设定为 90 秒。
屋面板是在 Airborne 公司（荷兰海牙）在英国拥有的一家工厂进行模压成型的，目的是逐步发展这一概念，并为夹芯板结构实现表皮和芯材的正确组合。Airborne 公司的设备非常理想，因为它配备了一个可以加热整个 1.75 × 2.0 米顶板的超大烤箱，可以将材料加热到 240°C。具有讽刺意味的是，这个烤箱实际上对面板来说太大了，因此我们将烤箱的一部分隔开，这样材料的停留时间就不会太长，而且材料可以从烤箱的侧面而不是末端送入。
随后，对各种面板材料组合进行了小规模的实验室测试。最终，最有希望的候选材料通过西卡股份公司（瑞士巴尔）生产的 1K 结构聚氨酯粘合剂粘合到了测试车辆的车顶环/弓上，并接受了额外的车辆级测试。
◆RLE 在没有原始设备制造商关于开发车顶面板规格的情况下，将工作重点放在外部表皮上，目的是将车顶箍/弓保持在原位，并将复合材料解决方案粘接到当前金属车顶使用的现有焊接法兰上。之所以能做到这一点，是因为复合材料结构的线性热膨胀系数（CLTE）较低。随后的测试表明，目标热塑板的线性热膨胀系数接近铝的线性热膨胀系数。图片来自：RLE International
由于最终的复合材料是在加固和成型之前在压力机中组装的，因此根据应用所需的性能和表面处理要求，RLE 的技术在材料类型方面具有极大的通用性，能组合成最终面板的表皮、内核和外表面处理。几乎能使用任何类型的片状热塑性复合材料（如胶带、GMT、有机片、LWRT）。唯一的要求是聚合物基体必须具有化学相容性（以实现良好的材料流动性，确保成分均匀），并且具有相似的玻璃化转变温度（Tg），以便在同一烘箱中加热，而不必担心温度较高的材料会在固结/成型完成之前熔化温度较低的材料。
Grix 解释说：每种应用的要求都不尽相同，因此我们可以灵活地使用 FVF（纤维体积分数）从 20% 到 50% 不等的材料，不过我们通常希望材料的 FVF 在 30-40% 左右。测试表明，使用更高的纤维体积分数并没有好处。事实上，如果玻璃（与树脂）的比例过高，就会影响冲击强度和层间的附着力。要获得良好的表面，绝对需要足够的树脂。
对于控制表面光洁度的最上层美观层，候选材料包括哑光或亮光热塑性薄膜、纺织品、无纺布/织物组合，甚至是抗划痕/抗紫外线硬涂层或柔软触感热塑性聚氨酯（TPU）涂层。同样，这项技术的优点在于它可以很容易地进行即时修改，以满足许多行业的应用需求。
◆迄今为止，RLE 已使用预着色薄膜和低成本铝制模具，在小于 2 分钟的周期内，直接从模具中生产出耐用、抗紫外线的光面或哑光表面的 A 级汽车面板。与钢板相比，复合材料可使结构板的质量减轻 50%，使外部/半结构板的质量减轻 60%。此外，即使在低温条件下，复合材料也能提供出色的抗冲击强度，并可在报废后完全回收利用。这种热塑性夹芯板技术不仅受到汽车行业的关注，也受到其他地面交通领域的关注。图片来源：RLE International
该团队研究了热塑性树脂系统（主要是烯烃和聚酰胺系列）和增强材料（包括切碎、UD 和编织物）的不同组合，用于车顶夹芯板的表皮和芯材。由于其位置较高，开发中的屋顶板不需要 A 级饰面。最初使用的是预着色的黑色材料，也尝试过哑光白色面板。最近，格里克斯和他的团队通过在工具中应用薄膜层以及尝试硬涂层饰面，提高了紫外线稳定性和抗划伤性。面板能够正常的使用对比色，也可以与车身其他部分搭配。开发型车顶面板或商用隔板都不需要金属加固。如果整个钢质车顶（而不仅仅是一块面板）都改用热塑性夹层技术，Grix 预计可节省 24.5 公斤的重量。
汽车制造商喜欢问的一个大问题是，一个概念目前处于什么技术就绪水平（TRL），而 Grix 的回答是，车顶面板概念已经相当成熟。
他解释说：你仍然需要进行一些针对原始设备制造商的测试，如环境稳定性、NVH（噪声/振动/声振粗糙度）等，但就所有意图和目的而言，车顶面板使用了与隔板相同的材料系列和相同加工方法的变体，而隔板在过去四年中已经进行了相当大批量的商业生产。他解释说：这种技术的灵活性意味着，如果你需要提高抗紫外线性能或抗划痕性能，甚至需要使面板更厚、更薄或更坚硬，我们都可以做到。我们花了很多时间来真正了解这项技术，以及从工具中直接生产出优质面板所需的条件。
◆RLE 研究的另一个开发项目是使用热压/三明治板技术生产罩子。在这种情况下，外面板使用了温度更高的聚酞胺 (PPA) 基质。该团队再次发现，与钢材相比，这种可回收面板的质量节省超过 50%，并且具有出色的 PedPro 性能。图片来自：RLE 国际
据报道，RLE 正在与汽车一级制造商和其他地面运输领域（如农用设备和高尔夫球车）的原始设备制造商进行讨论，以实现内部和外部应用的商业化。
这项技术的下一步是什么？Grix 说：（在配方正确的情况下）这项技术没理由不能用于符合 PedPro（行人保护）标准的引擎盖。我们已生产出了一种开发型头罩，小规模测试表明，我们的能量吸收和消散性能比热固性塑料或钢材更好。此外，我们还探索将这种技术不仅应用于相对简单的面板，还应用于几何复杂性更高的汽车内饰高拉伸面板。我们大家都认为，对于在多个行业寻求轻质面板技术的原始设备制造商来说，这是一个成功的组合。我们很愿意与任何有兴趣进一步探讨这一问题的人合作。
与热固性复合材料或金属相比，热塑性复合材料是车身外板的理想材料，原因有很多。首先，它们往往更轻（比重更低），具有更加好的耐损伤性（抗冲击强度）--这是满足 PedPro 要求的一个优势，而且它们能提供更好的出模表面，减少模后加工。
与热固性材料不同，热塑性复合材料可回收（可熔融再加工），因此更容易重复使用废料，并从报废零件中回收可用材料--这对于向欧盟销售汽车的企业来说是一个重要的特点，而且热塑性复合材料在供货时已完全聚合，这在某种程度上预示着成型周期更短，可重复性和再现性（R&R）更好，因此更适合大批量生产，并有助于抵消通常较高的原材料和模具成本。与金属相比，热塑性塑料还提供了更大的设计自由度，并为零件集成（减少零件数量）、插入硬件（便于连接）和简化模后装配提供了大量机会。
尽管热塑性复合材料具有诸多优点，但与所有材料一样，它们也面临着必须克服的挑战。例如，与钢或铝相比，早期的整体式热塑性复合材料车身面板具有更高的热膨胀系数（CLTE），不连续的纤维加固要求复合材料与金属面板之间留有大于理想的间隙，以适应温度循环过程中的尺寸变化。假如没有这种美学上的权衡，车门等可移动面板有时就没办法打开或关闭。这一问题在很大程度上是通过以下方法解决的：将整体面板改成成对的粘合内/外面板--带或不带芯--以及在片状复合材料（如 GMT/organosheet）和热塑性塑料带中使用较长的短切/非连续纤维增强材料以及连续纤维无纺布、单向和编织增强材料。
另一个问题是，汽车行业青睐的热塑性塑料牌号（主要是聚丙烯、聚酰胺 6 或 6/6，以及聚酰胺或热塑性聚酯与 PC 或 MPPE 的混合物）缺乏热稳定性，无法在白车身（BIW）电泳涂装（e-coat）和喷漆后承受烘烤炉的温度。这增加了装配的复杂性和成本，因为面板必须离线喷涂，并在汽车装配流程的后期阶段添加。虽然热塑性塑料板的喷漆仍需离线完成，但在改善模塑着色（MIC）板的紫外线稳定性、色彩深度和金属特效方面已做了大量工作，之后只需清漆就可以完成。此外，薄膜技术也取得了长足进步，它提供了比油漆更耐用的表面，符合汽车制造商降低油漆成本和环境负担的努力。
另一个配方问题是在刚度和冲击力之间取得适当的平衡，以避开使用大型金属支架将垂直面板悬挂在车辆上。与此相关的一个问题是，由于刚度和强度通常低于金属的数值，因此常常要采用几何形状（如肋条）来实现面板的可比机械性能。然而，这往往会导致名义壁较厚，从而引起包装问题。面对必须重新设计现有车辆的车身结构以适应更厚的复合材料面板的前景，大多数原始设备制造商大部分会选择放弃。对于热塑性烯烃（TPO）材料来说，将非连续纤维增强材料与矿物填料相结合的精心配方工作，已使这些材料在外部垂直面板的表皮上占据了主导地位。此外，通过从整体面板设计转变为粘合内/外面板，不足以满足 A 级要求的结构性内面板与无法单独满足机械要求的 A 级外皮相辅相成。
数十年来，热塑性水平面板之所以没办法使用，最大的挑战可能就是在高温下的下垂和长期蠕变问题。这有几个原因。首先，热塑性塑料在接近其 Tg 的温度范围内会软化，因此导致机械性能的逐渐丧失，包括承载负荷和自支撑的能力。这种特性使热塑性塑料更容易回收利用，但也会损害其在高温下的长期机械完整性。在某一些程度上，从短纤维/非连续纤维加固改成连续纤维加固，以及从整体板材改成带或不带芯材的粘合板材，都有助于解决这一问题。
与此相关的一个问题是如何获得足够高的 FVF 或 FWF，以改善高温期间的机械性能。热塑性聚合物在供应时已预聚（成型前分子链很长），这在某种程度上预示着即使在熔融温度下，它们与许多液态热固性体系相比也相当粘稠。这就很难实现高水平的纤维浸润和浸渍。因此，即使在今天，FWF 值超过 40% 的注塑成型产品也很有限，而许多热固性技术允许达到高达 70% 的 FVF 值。在某一些程度上，解决这一问题的方法有：谨慎选择树脂（例如，使用支链型聚丙烯而非线型聚丙烯，后者的粘度较低），修改热塑性胶带和 GMT/organosheet 生产的层压工艺，以及最近使用低粘度己内酰胺单体进行浸渍，然后反应聚合成 PA6。其代价是较长的循环时间（更像热固性塑料）和专业设备。不过，跟着时间的推移，在热塑性复合材料中加入更多纤维，特别是更长的连续纤维的能力逐步的提升，这极大地促进了热塑性复合材料在慢慢的变多的结构性应用中的使用。这里需要权衡的一点是，对于外观美观的表面来说，较高的 FVF/FWF 有几率会使纤维穿透。解决这一问题的部分方法是使用薄膜、对面板进行喷漆或纹理处理，或在夹芯板组合的最外层美观层中使用较低的纤维增强层。
最后但并非最不重要的一点是，在高产量/低利润的汽车行业中，直接和间接成本始终是一个敏感点。当复合材料行业致力于改进材料和工艺以应对一个又一个车身面板挑战时，铝和钢铁行业的同行们也在一直在改进他们的材料和工艺。即使在今天，除非改用复合材料能使汽车减轻大量重量、带来重要的制造优势或使安全性或功能性达到新的水平，否则大多数汽车制造商都会拒绝使用复合材料，除非使用复合材料的成本至少与传统材料持平或更低。
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