图1 低成本的混合体系制造技术采用热铆接以及超声波焊接的方法将塑料和金属连接在一起

塑料-金属混合材料正在迅速取代钢材料被用于制造汽车的前端模块。现在，越来越多的加工方法被开拓出来并用于这种混合材料部件的生产上。其中，由Bayer首创的包覆成型技术已为很多厂商所采用。

所谓“塑料-金属的混合成型”实际上是将薄钢片和玻纤增强热塑性塑料整合到一起以制成一个完整的承重部件。2004年，北美地区的许多新型小汽车和卡车上就出现了这种由塑料-金属混合成型的承重部件，由此而打开了塑料-金属混合材料在其他承重汽车部件方面应用的大门。例如，塑料-金属混合材料可以被更多地用于仪表板、保险杠的横梁、门舱、后挡板等汽车部件上，此外还可应用于很多非汽车行业领域中，如设备外壳、自行车架等。

在汽车前端模块由钢制构件向混合组件转化的过程中，Bayer无疑是技术的领导者。自1996年以来，Bayer已获得了专利的注塑包覆成型方法就一直为Volkswagon、Audi、Nissan、Ford等汽车的零部件供应商所采用。2004年在北美地区，这种技术还出现在包括一些轻型卡车在内的10种最新应用平台上。现在，Rhodia Engineering Polymers、Dow Automotive和BASF Performance Polymers等公司已经在这种塑料-金属混合材料应用领域展开了商业竞争。

据俄亥俄州阿克伦城的一家专注于市场研究的公司——Eller公司的Bob Eller先生介绍，在制造半结构汽车部件的应用中，塑料-金属混合材料体系与直接复合的长纤维聚丙烯复合材料展开了激烈的竞争。他说，全塑复合材料在降低重量和成本方面比混合材料体系更有发展潜力，但在功能整合以及改进部件结构方面，这两种材料都有优势。

随着全塑汽车部件应用的不断推进，塑料-金属混合体系将在更高性能的应用领域开拓市场。在美国，防侧撞法规的推出为塑料-金属混合材料在高性能部件上的应用提供了机会。

图2 Bayer发明了一种塑料-金属的组合方法，先在2个或多个金属片上冲出成行排列的孔，然后用尼龙进行包覆成型

拓宽塑料-金属混合体系的应用范围

Bayer开发的塑料-金属混合材料技术说明了这样的事实，即增强开口部分，U形钢制冲压片的侧向支撑作用可在很大程度上提高部件的承重强度。将经冲压制成的带有钟形通孔的金属嵌件放进注射模具中，用30％的短玻纤增强尼龙6进行包覆成型，可制得交叉肋形的支撑构件。金属和尼龙的结合是由于尼龙熔融后渗入通孔中形成“铆钉”，构成力学联动装置。由于注塑机只在一个方向开启，所以Bayer的塑料-金属混合材料技术最初仅适用于具有交叉肋形的二维结构部件。但来自Bayer的消息称，如今他们已开发出了新的技术，可用于具有多方向肋结构的部件。

虽然Bayer的混合材料结构件有开口，但其弯曲强度、轴向强度和扭转强度均好于许多闭合的结构，如盒式结构件。利用Bayer的技术，金属冲压片的壁厚和重量不仅可以被减少40％～60％，而且具有很好的承重强度。在奥迪A6的前端模块和福特Focus的格式增强体系中，该技术的应用带来了明显成效，至少降低了10％的成本和重量。

混合材料体系的最新进展是模内成型装配。即2个或更多的、带有排列成行的孔的金属片被自动地置于模具内并校准好通孔，然后用尼龙进行包覆成型，最终形成一个部件。据Bayer介绍，这能降低前端、门组件及窗口调节器的装配成本。

据说目前在美国，“盒式”车门模块虽然不具备足够强的承重能力，但通过对部件的集成则显示出了塑料-金属混合材料在成本方面的优势。现在新的趋势是，众多的部件，如声控和温度控制部件等都将被集成在空间不大的车门模块中。此外，对车门模块框架采用新的设计结构也为市场所认可，即该框架的设计是利用侧旁的接合线长条把内门和外门连接起来。这些都将有利于塑料-金属混合材料的发展。

Tier One的一家供应商，位于德国Coburg的Brose公司每年都要装配大约一亿个用于车门模块、座位调节器及窗户调节器的组件，这些组件一般是由很多廉价的钢制部件构成。据该公司介绍，目前他们正在探索在一些特殊的应用中使用塑料-金属混合材料，并已经设计出了一种由混合材料制作的窗户调节器实验模型。由于该模型是一个整体的组件，因此减少了二次加工工序。然而，这种对部件的集成带来的不利因素是，不便于对原有设计进行重新调整以及对一些复杂部件进行修理，这一缺点阻碍了塑料-金属混合材料的广泛应用。

不同的汽车防侧撞要求使得塑料-金属混合材料在仪表板横梁方面的应用难度增大。虽然市场需求倾向于对低成本、单一材料的应用，但塑料-金属混合材料仍将会占有一席之地。

图3 塑料－金属混合材料正在从汽车领域的应用拓展到其他市场，例如运动器材和自行车架

不同的方法

来自Dow Automotive的消息说，大量的试验证明，去年在大众汽车前端模块的模型应用中引入的混合材料体系具有很强的粘合性能，因此目前大众已经采纳了Dow的系统，并将其应用于两款2006欧版车型的前端部件中。

利用专有的低能量表面粘结剂（LESA），Dow将玻纤增强聚丙烯与金属粘结在一起。这种丙烯酸－环氧体系的粘结剂不需要对聚丙烯进行预处理。这种粘结剂能产生持续的耦合作用，并能最大程度地降低应力集中。目前，该体系已被应用于高速机器人中。

Dow最新的粘结剂牌号是74030。该产品在硬度方面做了适当的下调，以使韧性得到最大程度的提高（伸长率达到60％），同时，粘结力也得到了提高，并加快了固化速度。据介绍，这种粘结剂起着缓冲和吸收层间压力的作用。

利用Dow的塑料-金属混合材料技术能够制出承重能力较大的封闭型构件，盒式的轮廓为混合物部件的多功能化开辟了道路，譬如把气囊直接安装在IP梁上或者把空气或水循环体系嵌入到门组件中。

Rhodia汽车业务全球总裁Eric Noyrez先生介绍说，成型塑料-金属混合部件一般需要使用配套的机械、加工手段和原材料，这就使其比单一材料制得的部件成本更高。因此，对特殊部件的最优化设计显得极为重要。目前Rhodia已经开发出了一系列的混合组件技术，这些技术均以增强尼龙材料为基础，且不具有专利权限，同时能提供不同级别的性价比。

其中一种技术为金属的包覆成型（MOM）。在南美，该技术曾在2004轻型卡车的前端模块制造中得到了应用。该金属包覆成型技术的特点是，将钢冲压片置于注射模腔内，通过压缩的方法使增强尼龙层包裹在钢片上。然后采用高速、自动化的方法，如超声波技术，使尼龙部件被焊接在金属嵌件的塑性表面上，最后得到的是具有连续的接合线和承重强度较高的封闭型构件。这种核壳结构具有防尘作用，并允许将诸如电缆、空气或水通道等整合进来。

Rhodia还利用气辅或水辅注射的方法，将一种更硬更薄的尼龙表层用于金属包覆成型的部件中。这种方法虽然增加了成本，但提高了承载强度，优化了整体功能。据说，这种方法在前端模块、刹车踏板和车门把手等方面具有应用潜力。

目前，Rhodia正在试图进一步降低塑料－金属组合件的成本。其方法是，采用带冲压孔的U型钢片，尼龙部件被单独模塑成型，利用热桩来锁住钢片上的冲压孔，并通过超声波焊接或热打桩的方法来生成铆接端，以将塑料和金属粘结起来。

一年前，BASF引进了所谓的“金属轴环”（metal-collar joining）连接方法,即在金属片上冲压出5mm直径的轴环，然后用冷压的方法将金属部件压入模塑成型的30％玻纤增强的尼龙6或尼龙66部件中。轴环的截槽使金属和塑料被锁定在一起，而轴环的位置是可以改变的。

据介绍，“金属轴环”连接方法最初在商业上的应用是汽车的前端组件以及其他汽车部件。与包覆成型相比，“金属轴环”连接方法的优势在于尼龙部件的单独注射成形可制得具有三维交叉肋形的封闭构件，并增大了扭转强度。BASF宣称，这一技术具有更好的尺寸稳定性和更低的金属回弹性，同时废品率也很低。