輕量化塑料件
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
輕量化塑料件的實(shí)例教程
也經(jīng)由科技的進(jìn)步，高性能工程的漸進(jìn)推出，慢慢在取代金屬件，例如：PEEK這種塑料，可耐高溫且尺寸穩(wěn)定性不錯(cuò)，可用于半導(dǎo)體業(yè)的晶圓盒，中原大學(xué)已有PEEK材料的微細(xì)發(fā)泡產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。
現(xiàn)在全球的已開(kāi)發(fā)及開(kāi)發(fā)中國(guó)家都在推ESG，要求廠家要做好廢棄物回收，PEEK很難100%回收，但只要加入奈米材料(Clay)就可以100%回收，奈米黏土(Clay)對(duì)塑料有不少的功能（增強(qiáng)抗拉、抗菌、阻氣、成核劑）。塑膠發(fā)泡有不少好處，最主要的應(yīng)用是在克服塑膠產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可減震，這個(gè)應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)鞋或球鞋的中底和大底最適合，又可輕量化，但輕量化相對(duì)的強(qiáng)度也會(huì)降低，所以這也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者要去注意的地方。用一般發(fā)泡射出，減重比有極限，一般約20~30wt%，鞋材的減重比一般要達(dá)到40~50 wt%以上。
圖１：模仁后退技術(shù)概念
案例分享
大陸目前做塑膠發(fā)泡的團(tuán)隊(duì)有二個(gè)，其中一個(gè)是山東大學(xué)王桂龍教授的團(tuán)隊(duì)，主要做射出發(fā)泡模仁后退，高減重比的發(fā)泡研究（如圖2所示）。另外一種模仁后退方式是用馬達(dá)帶動(dòng)齒輪方式把圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)（如圖3所示）。另一個(gè)是中山大學(xué)翟文濤教授的團(tuán)隊(duì)，二位教授都曾在加拿大塑膠發(fā)泡大師Chu Park教授那里擔(dān)任過(guò)博士后研究員，并在之后回國(guó)發(fā)展。他們主要的研究方向是車輛輪胎的塑膠發(fā)泡，希望整個(gè)腳踏車或摩托車輪胎是用塑膠發(fā)泡做成，且不希望有內(nèi)胎。
圖2：山東團(tuán)隊(duì)模仁后退的機(jī)構(gòu)裝置
圖3：用馬達(dá)帶動(dòng)齒輪讓黃色模仁后退裝置
10年前有業(yè)者來(lái)找我研究此課題，業(yè)者拿了德國(guó)Evonik的發(fā)泡樣品來(lái)，發(fā)現(xiàn)德國(guó)Evonik技術(shù)真是厲害，氣泡大小均一沒(méi)有凝固層且結(jié)構(gòu)強(qiáng)，想要以此制作高級(jí)腳踏車的車胎。
展開(kāi) 所謂汽車輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，汽車質(zhì)量降低一半，燃料消耗也會(huì)降低將近一半。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。
由于環(huán)保和節(jié)能的需要，當(dāng)前，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)，并成為世界汽車發(fā)展的潮流。
工程塑料用于汽車輕量化
工程塑料應(yīng)用于汽車方面的主要作用就是使汽車輕量化，從而達(dá)到省油高速、節(jié)能減排的目的。不少發(fā)達(dá)國(guó)家將汽車的塑料使用量作為衡量汽車設(shè)計(jì)和制造水平高低的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)前世界上汽車塑料單用量最大的是德國(guó)，塑料用量大約占整體材料的15%。近年來(lái)，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前汽車年產(chǎn)量超過(guò)400萬(wàn)輛，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)階段汽車行業(yè)年用改性塑料在50萬(wàn)噸以上，這其中工程塑料占了很大一部比例。不過(guò)由于五大工程塑料的性能各不相同，因此在汽車上的用途也各有偏重。
尼龍PA
尼龍主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件，主要品種是GFPA6、GFPA66、增強(qiáng)阻燃PA6等產(chǎn)品。
(1)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件上的應(yīng)用由于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件主要是發(fā)熱和振動(dòng)部件，其部件所用材料大多數(shù)是玻纖增強(qiáng)尼龍。這是因?yàn)槟猃埦哂休^好的綜合性能，用玻纖改性后的尼龍，主要性能得到很大的提高，如強(qiáng)度、制品精度、尺寸穩(wěn)定性等均有很大的提高。另外，尼龍的品種多，較易回收循環(huán)利用，價(jià)格相對(duì)便宜等，這些因素促成尼龍成為發(fā)動(dòng)機(jī)周邊部件的理想選擇材料。
(2)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾蓋，汽缸頭蓋等部件一般都用改性尼龍作為首選材料，與金屬材質(zhì)相比，以汽缸頭蓋為例質(zhì)量減輕50%，成本降低30%。
展開(kāi) 改性塑料在阻燃性、強(qiáng)度、抗沖擊性、韌性等方面的性能都優(yōu)于通用塑料，下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其中，汽車行業(yè)已經(jīng)成為改性塑料需求增速最快的領(lǐng)域。預(yù)計(jì)2018年全球車用塑料市值有望增至461.12億美元，消費(fèi)量預(yù)計(jì)增1130萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)車用改性塑料需求年平均增速將在15%以上。這主要?dú)w因于：一是全球汽車產(chǎn)量增速穩(wěn)定;二是汽車輕量化使得單車改性塑料用量增大。改性塑料在汽車輕量化領(lǐng)域主要應(yīng)用如下：
儀表板
目前儀表板主要有硬質(zhì)儀表板和軟質(zhì)儀表板兩種形式，軟質(zhì)儀表板一般被比較高檔的汽車采用，而大客車、貨車等車型則基本采用硬質(zhì)儀表板。儀表板一般用改性PP材料制作，改性PP中主要是以橡膠類的增韌劑和無(wú)機(jī)填充材料為主;儀表板表皮材料以PVC/ABS為主，PVC在耐沖擊和耐熱性上比較弱，ABS機(jī)械性能和成型加工能力比較好，并且與PVC能夠進(jìn)行結(jié)合，將兩者進(jìn)行組合可以形成互補(bǔ)。
門內(nèi)板
目前比較常用的制造門內(nèi)板的改性塑料是ABS、PP，用它們制作成骨架，并且表面帶有一層緩沖層，緩沖層采用PP發(fā)泡、TPU、針織滌綸等。在通用、雪佛蘭的一些車型中，骨架、面板都采用玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯片狀模塑料(SMC)材料，在有的汽車中也會(huì)采用天然纖維和PP熱壓制作而成，這種手段能夠有效減輕車門的重量，降低成本，隔音性能得到明顯提高。
車身覆蓋件與底盤
改性塑料制作車身覆蓋件，與金屬覆蓋件相比，車身更加光滑、尺寸更加精確，并且質(zhì)量、噪聲、振動(dòng)等條件上可以更加優(yōu)化，所以改性塑料在車頂蓋、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李艙蓋等方面得到廣泛應(yīng)用。
在汽車底盤中，由于需要承受的負(fù)荷較大，因此塑料化存在較大的難題。目前主要是在傳動(dòng)懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向制動(dòng)系統(tǒng)的耐磨運(yùn)動(dòng)件方面應(yīng)用改性塑料，例如改性PBT、改性POM等材料。
展開(kāi) 隨著國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)的提升，將會(huì)使用更多的塑料。
以塑料替代金屬材料在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)：
無(wú)人機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼、護(hù)翼、起落架等部件都可以使用工程塑料，除了可以節(jié)約成本之外，還有金屬不具備的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)金屬材料相比，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)小、抗疲勞能力和抗振能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將它應(yīng)用于無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)中可以減重25%~30%。
1、減輕機(jī)身重量，提升續(xù)航能力。
2、降震減噪，提升整機(jī)抗沖性能。
3、減少金屬材料對(duì)遠(yuǎn)程信號(hào)干擾。
4、簡(jiǎn)化成型工藝，提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性。
聚賽龍無(wú)人機(jī)用復(fù)合材料
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高性能富碳材料，其具有：低比重（鋼材的1/4）、高強(qiáng)度（鋼材的7倍）、電導(dǎo)率高、耐磨性好、高溫環(huán)境惰性好等特點(diǎn)，被稱為“材料之王”。
為了滿足無(wú)人機(jī)輕量化的需求，聚賽龍?jiān)O(shè)計(jì)了高強(qiáng)度、地比重、耐磨性好的碳纖維增強(qiáng)PC、PA材料。碳纖維增強(qiáng)PC、PA等材料用于制作機(jī)翼、起落架、機(jī)身等能顯著提高材料強(qiáng)度，降低整機(jī)重量。
展開(kāi) 鑄造件輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)
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車用增強(qiáng)塑料的力學(xué)性能高度倚賴工藝，相關(guān)結(jié)構(gòu)的輕量化與優(yōu)化依賴于分析精度。目前，汽車EV化的高速推進(jìn)導(dǎo)致輕量化需求日益提高，基于材料各向同性、部件均勻化、準(zhǔn)靜態(tài)假設(shè)的分析方法已無(wú)法有效挖掘相關(guān)部件的減重潛力。
Digimat作為一款復(fù)合材料多尺度分析平臺(tái)，提供了多尺度材料正&逆向建模、材料數(shù)據(jù)庫(kù)、工藝結(jié)果映射及結(jié)構(gòu)多尺度耦合分析、A-&B-許用值虛擬計(jì)算等眾多功能
■ 健行科技大學(xué) / 黃世欣 教授
(轉(zhuǎn)載自繁體版ACMT電子技術(shù)月刊No.079)
前言
產(chǎn)品輕薄短小是科技進(jìn)步下，消費(fèi)者的普遍需求，想當(dāng)初1990年代，Motorola推出第一臺(tái)行動(dòng)電話，一臺(tái)好像是磚塊那么大又重，如今手機(jī)已經(jīng)是手掌那么大了。也經(jīng)由科技的進(jìn)步，高性能工程的漸進(jìn)推出，慢慢在取代金屬件，例如：PEEK這種塑料，可耐高溫且尺寸穩(wěn)定性不錯(cuò)，可用于半導(dǎo)體業(yè)的晶圓盒，中原大學(xué)已有
鑄造件輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)
大綱
近年來(lái)隨著綠色環(huán)保意識(shí)高漲，制造業(yè)更重視節(jié)能省料、縮短成型周期。由于產(chǎn)業(yè)設(shè)備的塑料結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，大多經(jīng)CNC多道加工方式制造，往往需要較長(zhǎng)加工時(shí)程和較高加工成本，且產(chǎn)生更多加工廢料。因此本研究選用尼龍66作為成型材料，玻璃纖維為補(bǔ)強(qiáng)材料，并以塑料射出成型技術(shù)取代CNC加工，讓產(chǎn)品同時(shí)具備功能性、強(qiáng)度及輕量化。
挑戰(zhàn)
產(chǎn)品機(jī)械性質(zhì)
產(chǎn)品收縮
產(chǎn)品真圓度
解決方案
輕量化連接技術(shù)參考文件 塑料連接技術(shù)：設(shè)計(jì)師和工程師手冊(cè)（第2版）.pdf
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汽車輕量化就是為汽車“瘦身”，在確保穩(wěn)定提升性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計(jì)各零部件，持續(xù)優(yōu)化車型。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%~8%；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%；汽車整備重量每減少100千克，百公里油耗可降低0.3~0.6升。
汽車的輕量化趨勢(shì)
清華大學(xué)歐陽(yáng)明高等教授代表節(jié)能與新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會(huì)曾對(duì)節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖的內(nèi)容進(jìn)行了發(fā)布
隨著無(wú)人機(jī)熱度的上升，國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的中國(guó)制造。國(guó)內(nèi)的材料企業(yè)也進(jìn)入該領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料有更多優(yōu)勢(shì)，因而更受青睞。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上各種先進(jìn)無(wú)人機(jī)的復(fù)合材料用量一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)總重的60%~80%，復(fù)合材料的總用量可達(dá)90%以上。在無(wú)人機(jī)上大量采用復(fù)合材料的益處是多方面的。隨著國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)的提升，將會(huì)使用更多的塑料。
以塑料替代金屬材料在無(wú)人機(jī)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)
改性塑料在阻燃性、強(qiáng)度、抗沖擊性、韌性等方面的性能都優(yōu)于通用塑料，下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，其中，汽車行業(yè)已經(jīng)成為改性塑料需求增速最快的領(lǐng)域。預(yù)計(jì)2018年全球車用塑料市值有望增至461.12億美元，消費(fèi)量預(yù)計(jì)增1130萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年國(guó)內(nèi)車用改性塑料需求年平均增速將在15%以上。這主要?dú)w因于：一是全球汽車產(chǎn)量增速穩(wěn)定;二是汽車輕量化使得單車改性塑料用量增大。改性塑料在汽車輕量化領(lǐng)域主要應(yīng)用如下：
所謂汽車輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，汽車質(zhì)量降低一半，燃料消耗也會(huì)降低將近一半。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整備質(zhì)量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3-0.6升；汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。
由于環(huán)保和節(jié)能的需要，當(dāng)前，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的一大趨勢(shì)
