“瘦身”專題 | 汽車輕量化的三個突破口和四種“坑”
2025/4/28 15:24:00 來源：聚風傳媒 關(guān)鍵詞：聚風塑料網(wǎng)
上月結(jié)束的2025“兩會”上，國家衛(wèi)健委宣布將持續(xù)推進“體重管理年”3年行動，普及健康生活方式，全方位守護國民健康。有趣的是，這一“減重”或“瘦身”理念與我們塑料工業(yè)的一個發(fā)展方向不謀而合 - “輕量化”，它早已成為一場貫穿材料、工藝和設(shè)計的系統(tǒng)性革命，不僅是企業(yè)降本的生存策略，更是行業(yè)響應(yīng)雙碳目標的綠色答案。
在汽車領(lǐng)域，一塊鋼板的塑料平替可減重30%，卻依然扛得住極端溫度與沖擊，輕量化已被證明是提高燃油效率的關(guān)鍵策略；在包裝行業(yè)，0.1毫米的薄膜厚度優(yōu)化，能省下萬噸原材料；在電子電器中，導熱塑料以鋁1/5的重量實現(xiàn)相近的散熱效能……“減重瘦身”不再只是人類身體的命題，更是材料科學的進化方向。
然而，輕量化絕非簡單的做減法。它需要平衡強度與重量、成本與性能、傳統(tǒng)工藝與創(chuàng)新材料 - 正如健康減肥需要科學飲食與運動的結(jié)合。
在“瘦身”成為全民話題的今天，本公眾號開設(shè)“瘦身”專題，探索塑料工業(yè)的輕量化之路，或許能為讀者提供另一種思考：如何用技術(shù)的“輕盈”，托舉產(chǎn)業(yè)的“重生”。本期聚焦于汽車塑料零部件領(lǐng)域。
研究表明，車輛每減輕5%的重量，燃油效率可以提高2%。通常情況下，用塑料零件替換金屬零件可以減少50%的重量。如果您是汽車制造商或塑料零部件成型加工商，正在考慮將金屬零件轉(zhuǎn)換為塑料零件以減輕零件重量嗎？這樣做可能需要您對現(xiàn)狀發(fā)出挑戰(zhàn)。本文將探討如何定義和實現(xiàn)輕量化目標，確定三種適合用先進聚合物解決方案替代的汽車零部件，以及分享輕量化時該避的四種“坑”。
為了從金屬向塑料過渡以減輕汽車零部件重量，通過提出以下問題來定義您的目標是很重要的：
1. 什么性能因素驅(qū)動您在配件設(shè)計中對鋁或鋼的偏好？如果散熱是主要驅(qū)動因素，那么導熱型聚合物可能是一個很好的替代品。如果是出于剛度或強度要求，那么考慮利用長纖維熱塑性塑料技術(shù)。這些材料和技術(shù)都能很好地在以上因素方面取代金屬材料。
2. 當前的金屬汽車零部件是否受到性能問題的困擾，例如腐蝕？塑料本質(zhì)上具有抗腐蝕性，它消除了對生銹和其他形式的氧化導致金屬部件損壞的擔憂。
3. 汽車零部件是否需要昂貴或耗時的精加工過程？注塑成型的聚合物可以簡化裝配步驟，免除保護涂層和噴漆一類的二次精加工過程，從而提高生產(chǎn)效率。
工程塑料和特種復(fù)合材料因其能夠通過注塑成型，實現(xiàn)金屬般的性能，并提供設(shè)計靈活性，而越來越受到汽車業(yè)歡迎。塑料與汽車的結(jié)合為OEM廠家和汽配注塑廠商創(chuàng)造了巨大的機會，可以產(chǎn)生出卓越的產(chǎn)品，支持可持續(xù)發(fā)展目標，實現(xiàn)設(shè)計愿望，并且最重要的是提供最佳性能。
當然，并不是所有的金屬汽車零部件都適合轉(zhuǎn)換為塑料件，指出這一點同樣也是重要的。有以下三種汽車零部件非常適合以塑代鋼解決方案。
1. 需要高強、高剛度、抗沖擊或耐極端溫度的部件：
歷史上，對塑料的擔憂主要集中在它們的結(jié)構(gòu)完整性和在溫度變化下不熔化、翹曲或開裂的能力。然而，長纖維熱塑性塑料（LFT）技術(shù)解決了這些擔憂，填補了短纖維增強配方和過度設(shè)計材料之間的空白。LFT可以在廣泛的溫度范圍內(nèi)保持強度和剛度，并且與短纖維變體相比，表現(xiàn)出更好的抗沖擊和抗疲勞性。
長纖維熱塑性塑料背后的先進聚合物技術(shù)使熱塑性塑料在低于冰點的溫度下到接近200℃的范圍內(nèi)保持其強度和剛度。具體來說，即使在高剛度水平下，LFT也表現(xiàn)出色的抗沖擊性能，而且與短纖維增強材料相比，這些材料的蠕變較低。它們的抗疲勞性能也是短纖維增強聚合物的100倍，能夠承受高負荷的高機械阻力。在抗沖擊性能方面，使用相同的增強劑和基體材料，LFT配方通常比短纖維配方高出約70%，并且具有更高的剛度。
長纖維熱塑性塑料仍然提供了像短纖維聚合物那樣的注塑成型的便利，但是纖維的長度和類型（玻璃、碳等）是塑料強度、剛度和耐久性的關(guān)鍵因素。此外，長纖維在注塑零件內(nèi)形成了一種“3D網(wǎng)絡(luò)”。這個網(wǎng)絡(luò)即使在聚合物開始軟化（蠕變）時也能支撐住零件，這意味著LFT是車輛在極端溫度或壓力下承受高應(yīng)力部分的金屬組件的優(yōu)秀替代性材料。
2.導熱組件：
傳統(tǒng)來講，熱塑性塑料的固有絕緣特性限制了它們在散熱應(yīng)用中的使用。然而，工程熱塑性塑料的進步現(xiàn)在使得它們能夠有效地散熱，與金屬相比具有相似的效果，但重量卻只是其中的一小部分。因此，導熱塑料提供了卓越的性能與重量比，使其成為汽車照明和電子系統(tǒng)等應(yīng)用的絕佳選擇。
使用熱導性聚合物，熱導率可以達到20瓦特每米每開爾文（W/m·K）。這比標準熱塑性塑料高50到100倍，是鑄鋁的1/5。這些特殊塑料的典型密度為1.65-1.75g/cm3，比鋁低30-40%，提供了高性能、重量卻更輕的替代方案。
卓越的性能與重量之比，結(jié)合注塑成型的便利性、減少的次要加工步驟以及完全的設(shè)計自由度，熱導性聚合物可以在許多應(yīng)用中助力汽車工程師，外部照明就是一個范例。前照燈和后燈組件產(chǎn)生大量熱量，這會隨著時間的推移對組件造成應(yīng)力和疲勞，甚至縮短燈具的使用壽命。導熱型塑料有助于散發(fā)熱量，延長燈具的壽命，同時提供額外的設(shè)計和制造優(yōu)勢。
由于許多相同的原因，導熱塑料在電子元件、流體管理系統(tǒng)和許多其它對溫度敏感的應(yīng)用中也非常有用。
3.電導性組件：
在現(xiàn)代車輛中，管理靜電放電（ESD）或其他靜態(tài)電荷如電磁干擾（EMI）是至關(guān)重要的。在不使用傳統(tǒng)金屬組件的重量和設(shè)計限制的情況下，導電性和靜電逸散材料可以提供必要的保護。
發(fā)動機控制、電力電子設(shè)備、信息娛樂系統(tǒng)、主動安全系統(tǒng)和其他電子系統(tǒng)是現(xiàn)代車輛的標準配置。為了確保這些系統(tǒng)正常運行，必須通過屏蔽發(fā)射源或敏感組件來管理電磁干擾（EMI）。特殊聚合物在性能上可以與傳統(tǒng)的金屬組件相當，并且便于制造下一代零件。
由金屬到塑料的輕量化，對于努力達到車輛燃油效率目標的車企來說非常具有吸引力，但在實施時也要確保避開四種“坑”：
1. 選擇材料時不要猶疑過久： 在設(shè)計過程中盡早與聚合物供應(yīng)商溝通，明確所需的具體材料屬性。知識淵博的供應(yīng)商還可以展示車企可能沒有考慮過的材料可能性，無論是新配方還是添加劑或填料。
2. 考慮功能，而不僅僅是重量： 不要錯過改進零件功能或制造的機會 - 利用塑料固有的設(shè)計自由度來解決不僅僅是重量的問題。
3. 消除全用或全無的方法： 關(guān)鍵組件確實可能需要金屬來實現(xiàn)某些特性，但這并不意味著塑料完全無立足之地。塑料/金屬混合設(shè)計可以兼得兩者的優(yōu)點 - 減輕重量和結(jié)構(gòu)強度，鑲嵌成型（見下圖）是能夠使塑料和金屬一起成型的工藝，值得多多研究。
4. 停止“一換一”思維：設(shè)計師們不再尋找具有相同幾何形狀的金屬零件替代材料，而是利用額外的自由度將塑料一次成型為最終形狀。聚合物的成型方式不同，并且通過使用最佳設(shè)計實踐來優(yōu)化其固有特性。
規(guī)避了輕量化的以上這些錯誤，就將有助于汽車零部件生產(chǎn)商提高制造效率，增加零件的功能屬性，利用好混合塑料/金屬設(shè)計。
