技術路線：輕型汽車材料與制造工藝

前言

汽車研究中心（CAR）受到加拿大創新、科學和經濟發展部（ISED）的邀請，編制了汽車行業開發和驗證技術路線圖白皮書。路線圖提供了對從當前到2030年以后整個行業的技術趨勢的廣泛理解。本白皮書綜合了針對ISED進行的技術路線圖項目的結果，并進一步解釋了與預測技術和制造趨勢相關的挑戰和關注點。輕型汽車材料與制造工藝是該白皮書的重要組成內容，對指導汽車輕量化技術的實施具有指導意義。

1 材料和制造技術

具有更好性能特點的新材料由于各種原因被引入車輛，但主要用于提高耐撞性，噪音和振動，總體成本和燃油經濟性。預計提高燃油經濟性的監管壓力將加速將輕質材料引入車輛的進化速度。

為了了解車輛中當前的材料技術和未來材料趨勢，本白皮書介紹了由廣泛的跨公司研究和各行業專家的意見以及汽車研究中心（CAR）的初步研究確定的材料和制造技術路線圖，來自九家汽車制造商的調查數據。這份調查數據包括42輛2015/2016年車型，涵蓋四個車型（轎車，CUV，SUV，輕型卡車）。這42款車型約占美國輕型車銷量的50%。該調查要求詳細記錄當前所用材料的使用情況，形成技術以及在每輛被調查車輛的20個部件上加入技術。汽車制造商對所選組件中材料技術使用量減少5%，10%和15%車輛質量的意見也被查詢。CAR于2016年發布了這項研究的結果.2為了驗證結果，來自具有150年以上工作經驗的不同公司和組織的材料專家應邀參加為期半天的圓桌討論。

2 目前汽車行業輕量化技術現狀

產品工程師嘗試在正確的地方處理正確材料的理念。圖1顯示了主要結構部件當前最常用的材料。理論上講，如果汽車零部件在市場上可買到，可用現有技術制造并滿足性能要求，則可用該材料制造汽車零部件。

圖1 當前車隊主要結構件常用材料Source：CAR Research

然而，設計師不能使用所有可用的材料，因為它們一般會受到實際限制、例如供應鏈、基礎設施、成本、可修復性和環境等。圖2顯示了14種主要車輛部件中的當前材料組合結構。

圖2 當前42個批量生產車型材料應用組合Source：CAR Research

當前車輛主要是一些使用鋁的鋼結構框架。鋼的等級范圍從270兆帕（Mpa）拉伸強度到熱成形硼鋼的1500MPa加拉伸強度。鎂合金和聚合物復合材料主要用于高端車輛。目前主要的制造技術是冷沖壓，但高強度鋼很難冷成形。隨著熱量增加材料的延展性、熱沖壓的使用也在增加，這有助于形成復雜的形狀而不會開裂。對于塑料和碳纖維復合材料部件來說，注塑和樹脂傳遞模塑是當前最常見的生產技術。

3 美國汽車輕量化材料應用發展

減少碳排放的監管壓力和改善性能的競爭是改變車輛材料組合的驅動因素。汽車制造商正在尋找具有更高強度重量比的材料，以減輕重量，同時提高性能。CAR研究表明，到2025年，美國車隊將通過在車身結構中更多地使用鋁來實現5%的整備質量降低，內飾也是最近輕量化的焦點。

圖3顯示了2010?2040年美國車隊的材料組合變化情況。專家們認為，沒有哪一種材料在輕量化競賽中獲勝。重量和性能優化的車輛將具有混合材料車身結構。最近推出的車輛已經經歷了這種轉變，這些車輛使用針對汽車每個區域定制的材料，以同時提高駕駛動態特性、燃油經濟性和駕駛室低噪音。

圖3 美國車隊材料分布（2010到2040）

新的制造技術也在推進，以實現大規模生產所需的速度和成本效益。鋼的熱成形已經用于高產量部件，隨著對超高強度鋼的需求的增加，到2025年將達到成熟（見圖4）。技術的成熟度是一個取決于車輛流程的主觀術語。廣義而言，成熟的技術可用于批量生產的車輛（每年的產量超過10萬臺），具有多種產品應用，并且可以從具有全球供應能力的多個供應商處獲得。增材制造也被稱為3D打印，是一項革命性技術，有可能改變工具和模具業務，但在成本或周期時間方面還不適合大規模生產。

新材料帶來新的挑戰。加入不同材料并不容易，并且由于熔點差異，有時不可能使用傳統的電阻點焊。連接技術（如粘合劑和先進緊固件）將在實現優化的混合材料結構方面發揮重要作用，因為能夠連接不同材料的任意組合（圖5）。

圖4 2015到2035年新制造工藝技術將促進增長Source：NHTSA;CAR Research

圖5 到2030年連接工藝技術發展趨勢Note：LW=Lightweighting Source：CAR Research,Lucintel

4 汽車工業發展機遇和威脅

在全球各國政府正在制定相關法規來控制汽車排放，以應對氣候變化。這是增加輕質材料使用量的主要動力。為了保持競爭力，汽車制造商每年都會在車型中增加內容?例如改進的信息娛樂功能、駕駛員輔助傳感器、增加的腿部和貨艙空間等。CAR的研究表明，到2025年，美國車隊重量的5%左右將被添加到每輛車上，以提高安全性和性能，包括智能駕駛、性能改進、降低排放、動力電動化等，例如為實現自動駕駛功能，每輛車將增加200至300磅的重量。

圖6 快速引入新材料需要面臨的挑戰Source：CAR Research

為了維持或提高性能和燃油經濟性，額外的用戶需求和安全內容所增加的重量需要在其他地方抵消。此外，隨著電動動力總成的趨勢日益增加，內燃機（ICE）和電池組之間的重量差異會影響車輛重量目標。實際上，電池電動車（BEV）需要比ICE輕得多才能獲得足夠的行駛里程。對BEV的監管推動以及不斷提高的客戶期望將增加輕量化材料進入車輛的速度。

在制造環境中使用多種材料并非易事。除了連接技術之外，電鍍腐蝕和熱管理是工程師在設計混合材料車身結構車輛時面臨的兩個主要問題。盡管工程師更關心技術挑戰，但采購和制造業高管更關心新材料的成本和潛在的供應鏈風險。較新的制造技術，如增材制造、樹脂傳遞模塑、薄壁壓鑄等尚未成熟。這些技術的周期時間較長，以及需要在全面批量生產中解決的質量問題。圖6列出了汽車工業面臨的新材料和混合材料裝配面臨的主要挑戰。

6 覬覦未來

汽車制造商以及硅谷的新成員正在投資自動化汽車技術。自動車輛可能會導致新的商業模式、保險結構和新的移動模式，這些模式將影響車輛設計以及材料組合。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）估計，94%的撞車事故的關鍵原因是駕駛員。如果可以用自動化取代人的駕駛員，則可以避免許多車禍，避免交通事故死亡，這將使車輛設計師靈活地減小車輛碰撞結構并使用較輕的材料。

另一項需要監控的技術是3D打印，目前主要用于原型零件的快速生產，但如果縮短周期時間和降低設備成本，未來看起來會更加光明。在材料方面，鋼鐵行業正在投資開發高延伸率的高強度鋼。由于潛在的成本差異，這些“第三代鋼材”可限制使用其他輕質材料，并且由于汽車制造商更多地投資于鋼鐵工業。其他不確定因素包括聚合物復合材料的成本、圍繞不同粘合技術的創新以及可改變本白皮書中展示的路線圖的燃油經濟性。