輕量化塑料件的案例
微細發泡射出的輕量化塑料件
也經由科技的進步，高性能工程的漸進推出，慢慢在取代金屬件，例如：PEEK這種塑料，可耐高溫且尺寸穩定性不錯，可用于半導體業的晶圓盒，中原大學已有PEEK材料的微細發泡產品的開發。
現在全球的已開發及開發中國家都在推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)對塑料有不少的功能（增強抗拉、抗菌、阻氣、成核劑）。塑膠發泡有不少好處，最主要的應用是在克服塑膠產品的尺寸穩定性，另外一個優點是可減震，這個應用在運動鞋或球鞋的中底和大底最適合，又可輕量化，但輕量化相對的強度也會降低，所以這也是產品設計者要去注意的地方。用一般發泡射出，減重比有極限，一般約20~30wt%，鞋材的減重比一般要達到40~50 wt%以上。
圖１：模仁后退技術概念
案例分享
大陸目前做塑膠發泡的團隊有二個，其中一個是山東大學王桂龍教授的團隊，主要做射出發泡模仁后退，高減重比的發泡研究（如圖2所示）。另外一種模仁后退方式是用馬達帶動齒輪方式把圓周運動轉為直線運動（如圖3所示）。另一個是中山大學翟文濤教授的團隊，二位教授都曾在加拿大塑膠發泡大師Chu Park教授那里擔任過博士后研究員，并在之后回國發展。他們主要的研究方向是車輛輪胎的塑膠發泡，希望整個腳踏車或摩托車輪胎是用塑膠發泡做成，且不希望有內胎。
圖2：山東團隊模仁后退的機構裝置
圖3：用馬達帶動齒輪讓黃色模仁后退裝置
10年前有業者來找我研究此課題，業者拿了德國Evonik的發泡樣品來，發現德國Evonik技術真是厲害，氣泡大小均一沒有凝固層且結構強，想要以此制作高級腳踏車的車胎。
展開 從“汽車輕量化”看工程塑料的具體應用
所謂汽車輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，汽車質量降低一半，燃料消耗也會降低將近一半。根據相關數據顯示，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%。
由于環保和節能的需要，當前，汽車輕量化已經成為汽車行業發展的一大趨勢，并成為世界汽車發展的潮流。
工程塑料用于汽車輕量化
工程塑料應用于汽車方面的主要作用就是使汽車輕量化，從而達到省油高速、節能減排的目的。不少發達國家將汽車的塑料使用量作為衡量汽車設計和制造水平高低的一個重要標準。
當前世界上汽車塑料單用量最大的是德國，塑料用量大約占整體材料的15%。近年來，我國汽車產業發展迅速，目前汽車年產量超過400萬輛，據相關數據統計，我國現階段汽車行業年用改性塑料在50萬噸以上，這其中工程塑料占了很大一部比例。不過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動機及發動機周邊部件，主要品種是GFPA6、GFPA66、增強阻燃PA6等產品。
(1)在汽車發動機周邊部件上的應用由于發動機周邊部件主要是發熱和振動部件，其部件所用材料大多數是玻纖增強尼龍。這是因為尼龍具有較好的綜合性能，用玻纖改性后的尼龍，主要性能得到很大的提高，如強度、制品精度、尺寸穩定性等均有很大的提高。另外，尼龍的品種多，較易回收循環利用，價格相對便宜等，這些因素促成尼龍成為發動機周邊部件的理想選擇材料。
(2)在汽車發動機部件上的應用。發動機蓋，發動機裝飾蓋，汽缸頭蓋等部件一般都用改性尼龍作為首選材料，與金屬材質相比，以汽缸頭蓋為例質量減輕50%，成本降低30%。
展開 改性塑料在汽車輕量化上的應用
改性塑料在阻燃性、強度、抗沖擊性、韌性等方面的性能都優于通用塑料，下游應用領域廣泛，其中，汽車行業已經成為改性塑料需求增速最快的領域。預計2018年全球車用塑料市值有望增至461.12億美元，消費量預計增1130萬噸，預計未來幾年國內車用改性塑料需求年平均增速將在15%以上。這主要歸因于：一是全球汽車產量增速穩定;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域主要應用如下：
儀表板
目前儀表板主要有硬質儀表板和軟質儀表板兩種形式，軟質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機填充材料為主;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機械性能和成型加工能力比較好，并且與PVC能夠進行結合，將兩者進行組合可以形成互補。
門內板
目前比較常用的制造門內板的改性塑料是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不飽和聚酯片狀模塑料(SMC)材料，在有的汽車中也會采用天然纖維和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，并且質量、噪聲、振動等條件上可以更加優化，所以改性塑料在車頂蓋、發動機罩、行李艙蓋等方面得到廣泛應用。
在汽車底盤中，由于需要承受的負荷較大，因此塑料化存在較大的難題。目前主要是在傳動懸掛系統、轉向制動系統的耐磨運動件方面應用改性塑料，例如改性PBT、改性POM等材料。
展開 復合材料、工程塑料引領無人機輕量化
隨著國內無人機技術的提升，將會使用更多的塑料。
以塑料替代金屬材料在無人機制造領域的優勢：
無人機的機身、機翼、護翼、起落架等部件都可以使用工程塑料，除了可以節約成本之外，還有金屬不具備的優勢。與傳統金屬材料相比，國內復合材料具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數小、抗疲勞能力和抗振能力強的特點，將它應用于無人機結構中可以減重25%~30%。
1、減輕機身重量，提升續航能力。
2、降震減噪，提升整機抗沖性能。
3、減少金屬材料對遠程信號干擾。
4、簡化成型工藝，提升產品結構設計靈活性。
聚賽龍無人機用復合材料
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）、高強度（鋼材的7倍）、電導率高、耐磨性好、高溫環境惰性好等特點，被稱為“材料之王”。
為了滿足無人機輕量化的需求，聚賽龍設計了高強度、地比重、耐磨性好的碳纖維增強PC、PA材料。碳纖維增強PC、PA等材料用于制作機翼、起落架、機身等能顯著提高材料強度，降低整機重量。
展開 
鑄造件輕量化優化設計
鑄造件輕量化優化設計
直播預告-汽車增強塑料結構多尺度分析及輕量化仿真技術
以上工作提升了CAE的求解精度，為玻纖增強材料零件的精準輕量化設計打下堅實基礎。與此同時，Digimat的引入也將提升物理試驗的一次通過率，縮短開發周期。針對玻纖增強材料的仿真還將拓展到熔接線或殘余應力導致的開裂，熱機耦合導致的失效，以及各項異性材料的蠕變和耐久問題。
以一個項目玻纖增強材料的零件輕量化10%，量綱10萬輛，開發5個項目進行計算，預計可以節約成本數百萬元。
龔慧靈
海克斯康工業軟件材料仿真技術專家
在航空復合材料結構、汽車輕量化結構分析領域工程具有豐富經驗，支持&參與的項目涵蓋：航空復合材料結構失效分析、CFRP結構固化回彈評估、SFRP部件沖擊失效及NVH分析等。
展開 Moldex3D模流分析之讓塑料制品同時滿足輕量化和產品強度需求
由于產業設備的塑料結構件產品，大多經CNC多道加工方式制造，往往需要較長加工時程和較高加工成本，且產生更多加工廢料。因此本研究選用尼龍66作為成型材料，玻璃纖維為補強材料，并以塑料射出成型技術取代CNC加工，讓產品同時具備功能性、強度及輕量化。
挑戰
產品機械性質
產品收縮
產品真圓度
解決方案
逢甲大學團隊為了確認產品結構強度是否滿足需求，利用Moldex3D模流分析，預測纖維補強和材料改質對產品體積收縮的影響。透過仿真發現，材料改質能有效改善產品收縮。另一方面，逢甲大學團隊也利用Moldex3D進行產品孔徑真圓度預測，并用實驗進行驗證。結果顯示，孔徑收縮的實驗結果和模擬結果高度相符，成功改善產品收縮，并滿足輕量及強度需求。
效益
改善收縮22%
重量減輕12%，達成輕量化目標
滿足結構強度
案例研究
滑塊擋板是吹瓶機中用以連接滑塊軸承并傳送瓶胚的重要零件(圖一)。本案例計劃以塑料射出成型來取代原先的CNC銑床加工，并透過Moldex3D進行流動行為、纖維排向、產品收縮等現象的預測，期望能藉此降低產品的制造成本，并達到輕量化目標。修改后的產品設計如圖二所示。
圖一 本案例之滑塊擋板
圖二 修改后的創新產品設計(a: 2D設計；b: 3D設計)
為了解產品成型過程中可能產生的問題，逢甲大學團隊比對了試片的Moldex3D分析與實驗結果，并將研究結果應用于實際的產品開發和制造。圖三為產品試片尺寸示意圖，因其圓孔設計用于連結滑塊軸承，故孔徑真圓度相當重要。澆口位置包括接近圓孔與遠離圓孔等設計(如圖四所示)；接下來將觀察澆口位置對孔徑真圓度與收縮特性之影響。
展開 輕量化連接技術參考文件 塑料連接技術：設計師和工程師手冊
輕量化連接技術參考文件 塑料連接技術：設計師和工程師手冊（第2版）.pdf
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鎂合金壓鑄件在汽車輕量化中能普及嗎
耐磨性好
鎂合金還具有良好的阻尼系數，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用于殼體可以降低噪聲，用于座椅、輪轂可以減少振動，提高了汽車的安全性和舒適性。鎂合金重量輕、吸震性能強、鑄造性能好，自動化生產能力和模具壽命高、尺寸穩定，作為最輕的工程材料，鎂合金不僅是最適合鑄造汽車零部件的材料，也是最有效的汽車輕量化材料。
鎂合金汽車壓鑄件行業現狀
汽車輕量化發展，使鎂鋁等輕合金鑄件的需求量逐年增加。自1990年以來，汽車用鎂正以年均20%的增長速度迅速發展，鎂合金已成為汽車材料技術發展的一個重要領域。壓鑄鎂合金材料以其可循環利用和少無切屑工藝的先進性，特別適合循環經濟和節能低碳及清潔生產要求，在汽車向輕量化發展的進程中占主導地位。各大汽車零部件制造商積極把握發展時機，紛紛投入到鎂合金汽車壓鑄件的生產研發中來。據《中國鎂合金汽車壓鑄件行業分析報告》數據顯示，2015年，中國鎂合金汽車壓鑄件行業需求量達到14.9萬噸，同比增長23.12%。目前，國內外各汽車企業正致力于研究占車重比例大的車身(約30%)、發動機(約18%)、傳動系統(約15%)、行走系統(約16%)、車輪(約5%)等鋼或鋁零部件的鎂合金化。
結合我國生產的單車鎂合金使用量來看，2017年我國鎂合金汽車壓鑄件行業市場容量將達22.9萬噸，到2022年市場容量將達66萬噸，年均復合增長率將達到23.5%。
全球汽車單車用鎂量較低，汽車用鎂合金需求擴張潛力強勁。
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