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轻量化车身工艺的重大突破,60JPH生产节拍轻松可达!

2019-08-13

轻量化是汽车行业节能减排的重要途径之一,因而也是近些年汽车行业的研究热点,相应地,高强钢、铝合金、镁合金等金属材料,工程塑料、复合材料等非金属材料,在材料本身和应用开发方面都取得了快速的发展,特别是迅速兴起的碳纤维增强复合材料,凭借优异的性能表现,开始在汽车轻量化的进程中大显身手。综合考虑性能、成本及轻量化效果,采用多种材料的混合材料解决方案,将是未来汽车轻量化的方向。把最合适的材料用在最合适的地方,是这一理念的核心。

 复合材料开始在汽车轻量化的进程中大显身手

随之而来的问题是,混合材料的结构带来了连接技术的难题。以往,业界对金属材料的连接已经游刃有余,比如对于钢材之间的连接、钢—铝之间的连接,焊接、铆接、胶接、机械连接等工艺的应用都已经非常成熟。然而,当复合材料等非金属材料加入之后,这些工艺大多就无法满足要求了,只有胶接是相对可靠的连接方式,但由于胶的固化需要较长时间,使得大批量生产线在车身车间卡住了脖子,汽车生产的整个节拍都会受到影响。

轻量化车身的连接,对强度、刚度、耐久性、可靠性、耐腐蚀性、工艺性和经济性等都有着非常高的综合要求,所以,汽车轻量化连接工艺只有不断地创新,才能满足新时代的要求。 



JEC WORLD展会上最值得关注的创新


近期在法国巴黎举行的JEC WORLD,是目前全球规模最大的复合材料展,在这个展会上,记者不仅看到了复合材料在汽车零部件产品中的大量创新应用,还看到了很多先进的制造工艺技术和设备,其中最让人眼前一亮的是一项非常具有突破性的轻量化车身工艺——变频微波固化技术。

变频微波固化技术的现场演示

针对采用了碳纤维增强复合材料等非金属材料的混合材料轻量化车身(包括非金属+非金属、非金属+金属),这种变频微波固化技术可使胶接点3~20 s就能够迅速固化,整条生产线的节拍因此可以提高到60JPH以上,足以颠覆当前碳纤维车身制造的效率和成本!

这项变频微波固化技术的专利属于EXPERT,一家位于英国的自动化公司。在JEC WORLD展会现场,EXPERT公司总裁Angelo Luciano先生高兴地向记者介绍说:“EXPERT成立于1972年,是英国老牌的自动化公司。我们80%以上的业务是为汽车行业提供服务,包括车身制造、总装和动力总成制造的系统解决方案,并且在大量合作项目中积累了非常丰富的专业经验。”正是看中了其在专业领域的卓越表现,2018年,EXPERT被赛赫智能设备(上海)股份有限公司(以下简称为“赛赫”)收购,开始了崭新的全球化发展之路。

EXPERT公司总裁Angelo Luciano先生

目前,迎合汽车行业的发展趋势,EXPERT更加专注于轻量化车身制造的相关工程解决方案。此次EXPERT最新推出的用于轻量化车身的变频微波固化技术,正是这一领域的重大创新,能够在轻量化车身制造中极大地提高生产节拍,大幅降低生产成本! 

EXPERT英国总部

 


快速固化,生产节拍可达60JPH以上


实际上,变频微波固化技术的前期研发用了24年,在此之前已广泛用于半导体领域,现在开始逐步用于汽车行业的轻量化车身制造。

采用变频微波固化技术,一个胶接点的固化时间通常仅为3~20 s,具体取决于被连接的工件的大小、两种材料的种类和厚度、固化胶的类型、连接点的数量、机器人的数量以及工艺技术要求等,但最长不会超过1 min,这意味着车身车间的生产节拍可以轻松达到60JPH以上,完全满足大批量生产线的要求!相比之下,如果采用传统技术,不同技术手段的固化时间则需6~90 min,且最通用的技术也需要20 min以上,节拍根本无法满足大批量生产需求,同时也会把整个工件烤的特别热,工件表面可能产生变形,工人的手也无法直接接触工件。

该工艺的实施过程中,通常是选一些关键的胶接点进行快速固化,确保车身主要结构位置不变,可以继续进行后续工艺,而其他胶接点则自然固化。这样一来,整个产线的效率会进一步提升。

之所以采用变频微波,是因为胶水里有很多不同成分的化学物质,固定频率的微波只能对某一种物质带来加热作用,而变频微波则可以让这些物质都热起来,从而快速固化。

变频微波和固定频率微波对胶水固化的不同结果

作为核心的变频微波控制器及其控制算法均由EXPERT开发,可以精确控制针对不同胶水成分的微波频率和波形,对不同的胶水提供最佳的快速固化方案。

这种工艺只在很小的点上对胶接点进行加热,而且其前端的设计会让微波的方向精准受控,只加热需要加热的地方,而其他周边区域则丝毫不受影响。此外,微波的方向性很强,对外辐射很小,因而也不会影响人员健康和其他设备的工作。

“变频微波固化技术的所有技术开发、应用开发、产品设计及工艺实施等,都由EXPERT实现。目前,我们是汽车行业唯一一家拥有这项技术的公司。”Angelo Luciano先生自豪地说,“特别值得一提的是,基于突出的工艺性,这项专利技术刚刚被捷豹路虎确认为最新的‘下一代车身技术’,因此也非常值得在全行业推广应用。”

“在由APC基金支持的TUCANA项目中,我们已经充分验证了这项技术在轻量化车身的大批量生产中的可行性。”Angelo Luciano先生介绍到。他提到的TUCANA项目由捷豹路虎主导,麦格纳外饰件等多家零部件供应商、东丽等材料供应商、EXPERT等设备供应商和华威大学共同参与,目的是为电动汽车开发具有前瞻性的全新碳纤维车身技术,扩大碳纤维在汽车中的应用,帮助电动汽车行业更好地实现轻量化,提高车辆整体性能和消费者的驾驶体验。

 


突破行业瓶颈,降低复合材料成本


如业内所知,以碳纤维增强复合材料为典型代表的复合材料具有比强度高、质量轻、比模量高、抗疲劳性能好以及减振性能好等诸多优点,已被应用于车身、灯壳罩、前后护板、保险杠、板弹簧、座椅架及驱动轴等零部件中,只是由于成本昂贵,限制了其大规模广泛应用。

Angelo Luciano先生认为:“目前来看,碳纤维与其他材料的混合,是目前乃至未来汽车轻量化的最佳材料解决方案,因为碳纤维的强度非常高,重量非常轻,各方面性能优异,是一种非常好的轻量化车身材料。”

但问题是,目前几乎所有主机厂在碳纤维车身制造中遇到的最大瓶颈就是生产节拍的问题,大家都没有很好的办法把节拍提高到60JPH,所以如果想要在原来的整体工艺流程之下获得更快的节拍,就要在车身车间建设更多的平行运行的产线,需要非常巨额的投资。同时,生产规模上不去,成本也就根本无法降低。这其实也是导致碳纤维车身造价非常昂贵的重要原因之一。

“我们的目标就是想办法让碳纤维车身的生产节拍达到60JPH,通过规模化效应使得碳纤维车身的生产成本可以降低到与传统金属车身一样的水平,这样,采用碳纤维车身的汽车造价和售价都会大幅降下来,碳纤维材料也会更大范围地应用于汽车行业,有力地推动汽车轻量化的发展和节能减排的实现,造福于人类。从这个角度来看,针对轻量化车身制造的变频微波固化技术是一项可以颠覆整个碳纤维行业及汽车行业的创新!”Angelo Luciano先生说道。

根据美国汽车研究中心(CAR,Center for Automotive Research)的一项研究报告,到2030年,轻量化材料在车身总量中的占比将从目前的5%迅速增长到30%以上,相应地,连接工艺技术也将发生重要的转变,点焊将被其他多种工艺所替代,胶接(如下图中Adhesive)和铆接(如下图中SPR)将呈现上升趋势,而且胶接工艺的上升更为明显。 

2030年车身连接工艺的发展趋势

种种转变的驱动力,都源自电动汽车对轻量化的需求。全球电动汽车市场蓬勃发展,这是整个行业的趋势。中国电动汽车受政策影响,发展的更快,每年的销售总量占全球的一半左右,年增长率高达百分之八九十。

对此,赛赫智能设备(上海)股份有限公司董事长李泽晨先生表示:“收购EXPERT之后,基于全球电动汽车市场特别是中国电动汽车市场的需求,我们确定了轻量化车身工艺的研究方向,并希望最新推出的变频微波固化技术成果能够在中国市场率先落地,而通过近期我们与中国一些主机厂的对接,我们对此更加充满信心!”Angelo Luciano先生也满怀期待地谈到:“中国的主机厂受传统束缚比欧洲小,接受新技术的速度更快,因此,从我们的角度讲,在中国的商业机会更多,这项技术在中国实现量产的速度会更快。”

赛赫智能设备(上海)股份有限公司董事长李泽晨先生

李泽晨先生还透漏:“JEC WORLD复合材料展之后,接下来的4月份开始,我们就会在中国的几家主机厂陆续进行技术路演,希望能够加速推进这项技术在中国市场的产业化应用,帮助更多的汽车厂商更好地实现轻量化车身的高效生产。”

对于这项技术今后的发展,Angelo Luciano先生表示:“我们会做更多的测试和试验,以进一步比较不同的胶水固化过程,让每一个胶接点的固化速度更快,进一步提高生产节拍,同时减少机器人和固化枪的使用数量,使生产成本进一步降低。具体控制算法上,我们也会持续优化,使其更加精准和智能。此外,我们还会想办法让整套系统的体积和占地面积都更小一些,进一步降低设备的成本和整个系统成本,使其更有市场竞争力。”

 


深厚积累成就车身专家和所有客户


轻量化车身的制造专长充分展现了EXPERT的技术优势,特别是车身SE(同步工程)和包括焊接、铆接和胶接在内的多种车身连接工艺。

实际上,EXPERT最早进入轻量化车身工艺领域是由于运动跑车厂商提出的需求,包括阿斯顿马丁、迈凯伦、捷豹路虎和莲花路特斯等,最开始是小批量生产,之后是中等规模生产,再后来,行业发生了巨大的变化,轻量化成为普遍需求,EXPERT也随之开始提供适合大批量生产的轻量化车身生产线。值得一提的是,欧洲目前已有的几条碳纤维增强复合材料车身生产线和粘接车身线,大多由EXPERT提供。

EXPERT提供轻量化零部件的工艺设计及制造分析验证

“20多年来,我们始终与客户一起,针对轻量化车身,创新开发了很多全新的工艺并投入应用,以满足他们的生产要求,特别是大批量生产的需求。对于各种轻量化车身材料的性能(包括碳纤维增强复合材料的性能)、焊接技术和铆接技术、各种胶水的材料性能和胶接工艺等,EXPERT都有着非常深入的了解。我们进行了多种试验,建立了独立数据库,将2000多种不同材料连接的数据及相关报告汇总为知识库,为今后所有的轻量化车身项目提供有力支持。我们与很多知名的主机厂合作,成功实施了很多量产项目,在这个过程中积累了非常丰富的工程经验,这是我们相比同行从业者的最大领先优势。”Angelo Luciano先生自信地说道。

了解了EXPERT的专长之后,我更愿意把他看作是一个轻量化车身制造的“EXPERT(专家)”。那些正在捷豹路虎、阿斯顿马丁、迈凯伦、莲花路特斯的车身车间里高效运行的生产线,正默默书写着这位专家的传奇故事,而作为强大后盾的赛赫,将会让这位专家在更广阔的世界里创造更多精彩……


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