图1 通过采用新的材料/工艺组合方案，复合材料的备胎仓又一次向前迈进了一步，并在2011款奥迪A8豪华型轿车上得到了应用（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

一种采用全新方案生产的复合材料备胎仓首次被用于2011款奥迪A8豪华型轿车上，它在“功能集成”和“质量减轻”方面达到了新的水平。气辅注塑成型技术使得在一次性注射成型中生产出这种一体化的“热塑性复合材料/金属”混杂材料的部件成为可能。

在大多数乘用车的行李箱处都有一个凹形空间，用于存放备用轮胎、千斤顶和十字扳手等。按照传统的生产方法，这一凹形空间通常由压制钢板构成，近些年来铝也得到了大量使用。通常，这种像盆一样的备胎仓又大又重，它还在车体结构和抗冲安全性方面发挥着作用。由于暴露于诸多元素之下，其底部易于腐蚀，因而向“复合材料/金属”方向演变就成为该部件的完美选择。

图2 作为奥迪与voestalpine塑料解决方案公司的工程师们3年通力合作的成果，这种复合材料备胎仓模块的独有特点是包含了两条气体通道，并呈现出狭长的X形，从而将部件一分为二。在成型的早期阶段，惰性气体被泵入模具中以形成气体通道，从而迫使材料由部件中轴线向两侧移动，同时还增加了刚性并减轻了重量。另一独特之处在于采用了薄的穿孔铝条，它是在注射循环过程中被嵌入成型到部件中，并由前到后将部件一分为二。该铝条确保了汽车电池组的稳固性，并以机械锁扣的方式与白车身相连接

的确，在一些选择性汽车平台上，欧洲和亚洲的汽车制造商们在此方面的转变已有近20年的历史。起初，这种用于汽车的“复合材料/金属”备胎仓的年产量并不高，大约每年15万或更低。与“金属盆”相比，这种“复合材料盆”较低的模具成本对OEM们具有较大的吸引力。随着经验的增加，他们的信心也逐渐增强，由此而使得应用于汽车的“复合材料盆”达到了中等规模的产量（大约每年15万～30万），今天的OEM们甚至在考虑实现更高的产量。

图3 步骤1a：原材料：长的穿孔铝条（嵌入物）被送达voestalpine工厂中（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

近来，随着一种新的材料/工艺组合方案的实施，复合材料的备胎仓取得了重大进展，采用这种全新方案的复合材料备胎仓首次被用于奥迪公司（位于德国英戈尔施塔特）的2011款奥迪A8豪华型轿车上。这可能是首个在备胎仓上完美地采用了短玻纤增强热塑性粒料的成功案例，而且据说该应用在“功能集成”和“质量减轻”方面达到了新的水平。

图4 步骤1b：原材料：朗盛公司提供了以流动性增强的聚酰胺（PA6）为基材的短玻纤增强复合材料粒料（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

这种用于奥迪车的 “盆”结构是一种混杂材料的部件，它由60%短玻纤增强材料和流动性进一步提高的聚酰胺树脂（德国朗盛公司的Durethan BKV 60）与一个穿孔的长铝条共同模塑成型，该混合部件采用了voestalpine塑料解决方案公司（位于荷兰Putte）的气辅注塑成型技术，从而在一次性注射中生产出了一体式的“盆”结构。

图5 步骤2：这些螺纹嵌件（2x3 M6）是在两次注塑循环之间，由机器人放入模具中，其作用是将备胎仓固定到汽车底盘上（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

这一坚韧的“盆”仅重9 kg，却能额外承载70 kg重的部件，包括：一个完整的备用轮胎、一个电池组、一个车用千斤顶、一台空气悬挂系统压缩机以及其他的电子控制单元（ECUs）等，其承载量是其重量的7倍。它将原来钢结构的15个组成部件减少到只有一个，而且减少了70%的资金投入，同时降低了部件成本和30%的部件质量，而所有这些，都以不牺牲该部件的安装方便性为前提。此外，据说该部件质量的降低还使得每年CO2的排放量减少了499 kg。

图6 步骤3：在开始注塑前，一名技师在检查设定在注塑机控制面板上的工艺参数（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

从背后的故事开始

在该应用中，从金属向复合材料的转变为汽车制造商、轮胎集成商甚至消费者都带来了好处。特别是较低的模具费用，为小产量或者是小众汽车的制造带来了巨大的诱惑力。由于该部件质量通常可降低30%～50%，因而提高了燃油经济性。而二次操作（比如底涂和喷漆）也可被减少或取消，同时系统成本平均可降低20%左右。此外，由塑料带来的更高的设计灵活性以及对各种零部件的整合，使得复合材料备胎仓的环境友好性更好且存储空间更大，不仅如此，还能够在不增加加工费用的情况下，在行李箱处占据更少的包容空间。众所周知，由于聚合物材料所特有的声阻性能，赋予了复合材料备胎仓进一步降低的NVH值。这种安静的驾乘环境，尤其为豪华车平台带来了实实在在的价值。当然，它还消除了金属部件因氧化而导致的生锈和电化腐蚀问题，并且复合材料提供了良好的抗凹痕性。当发生后部或侧面撞击时，复合材料备胎仓还提高了能量管理效率。这种向复合材料方向的转变，也为汽车的制造流程带来了一些好处。由于大多数的复合材料备胎仓不能够承受电泳涂装工艺的高温烘烤，因此不能像金属部件那样过早地被组装到白车身上，从而使操作工人更便于接近此区域的线路和其他零部件。颇具有讽刺意味的是，后安装这种备胎仓，还减少了组装生产线所需要的空间和成本，这是因为取消了通常用于处理金属备胎仓中电泳工艺孔的一个工艺站。而且在许多工厂中，用于安装挡风玻璃的机器人也可用来安装这种复合材料的备胎仓，这是因为这两种部件可以使用同样的粘合剂。

图7 步骤4：打开的注塑机显示出了模具型腔的一面，此时X形的气道清晰可见（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

许多年来，从片状模塑料（简称“SMC”）的模压成型开始，已有许多不同的复合材料和加工工艺得到了试用。为了进一步降低重量和成本，以及提高生产效率，备胎仓的生产技术走向了玻璃纤维毡热塑性塑料（简称“GMT”）的模压成型，然后是直接长纤维增强热塑性塑料（简称“D-LFT”）的模压成型，之后又是粒状长纤维增强热塑性塑料的注射成型，而所有这些都以聚丙烯为基材。在实际应用中，每一种复合材料都显示出了各自的优势和面临的挑战。

图8 步骤5：沿模具中心面从注塑机顶部向下看，可以看到已放入模具中的螺纹嵌件和穿孔铝条（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

一方面，SMC耐用、防锈且相对易于喷涂，该材料还显示出了高刚性、高强度，以及在电泳涂装中良好的热稳定性和化学稳定性，因此能够在制造流程的早期直接被安装到白车身上。与所有的复合材料一样，SMC为零部件的整合带来了机遇，同时可通过模内设计来增加功能性，并降低整体模具成本。然而，另一方面该材料又表现出了不如热塑性塑料的抗破损性，发生撞击时易于破碎。虽然SMC比铝或钢要轻，但在目前已经使用的复合材料中，它却是最重的。

图9 步骤6：打开注塑机，可以看到仍留在模具中成型好的部件，它将由机器人取走（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

GMT更轻，且加工速度比SMC更快，这是因为它无需等待交联过程。为了减轻重量以及减少断面厚度，备胎仓的设计者们可以在一些要求更高力学性能的区域，有选择性地加入单向玻璃纤维以及织物增强材料。GMT比SMC或金属的抗破损性更高，并拥有优越的抗冲击性。但由于是以半成品片材方式被销售，因此GMT是一种相对昂贵的选项。

图10 步骤7：脱模后的部件将被放到车间地板上进行模后修整，同时，一台机器人将铝条和螺纹嵌件放入模具中以准备下一次注射成型（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

D-LFT和粒状LFT同样参与了市场竞争。它们有助于降低部件成本，但通常会增加重量，这主要是由于断面厚度的增加以及（或者）采用了铝或钢的加强件以提高刚性。所有以聚丙烯为基材的热塑性塑料不具备电泳涂装工艺所要求的热稳定性，因此采用这种材料的备胎仓是在汽车制造流程的后期进行安装的。这种材料还非常难以喷涂。但幸运的是，整体上色（通常是基础的黑色）消除了对这一操作的需求。

图8 步骤8：脱模后的备胎仓在进入打印“底涂有效期”工作站前，先被放到一个转盘上，接受等离子处理，然后在其底部涂底漆（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

作为奥迪工程开发团队与voestalpine塑料解决方案公司3年密切合作开发的结果，奥迪A8的备胎仓模块呈现了许多独特的设计风格，从而缓解了其他材料与工艺组合方案的消极因素，并于2010年底获得了SPE中欧地区“第十三届汽车创新奖”的车身外饰类奖项。其最突出的设计特性是采用了两条大的呈X形分布的气道，从而将部件一分为二（从汽车的驾驶员侧一直延伸到乘客室侧）。这两条通道是在成型的早期阶段形成的，此时惰性气体（氮）被泵入到模具中以形成管状通道。该气体辅助工艺不仅可使材料以不同于实体注射的方式，由中轴线向两侧移动，而且增加了刚性并减轻了重量。作为对安全性的进一步加强，在注射循环过程中，一个穿孔铝条被嵌入成型到部件中，它将备胎仓的宽度一分为二。在严重的撞击事件中，该铝条可约束电池组使其保持在位。

图9 步骤9：接着，将部件送入蒸发箱中，底漆中的挥发物在此被蒸发掉。短暂停留后，部件被移送到下一工位上（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

开发部件

作为奥地利钢铁集团奥钢联（voestalpine）的一个部门，voestalpine塑料解决方案公司精通于结构和半结构注射及模压塑料部件的设计与制造，并在塑料/金属混杂材料（简称“PMHs”）技术方面拥有专知，如奥迪A8的备胎仓模块就采用了该技术。该公司为欧洲领先的汽车和卡车客户，以及太阳能、移动工具和工业包装市场提供产品。对于该开发团队而言，其最初的目标包括：实现部件的整合、增强功能的一体化以及降低重量和成本。然而，奥迪的工程开发团队还希望这种复合材料的备胎仓能够提供更大的抗扭刚性、抗拉刚性和抗弯刚性，以补偿铝材料的备胎仓被复合材料的备胎仓取代时，白车身后部的刚性损失。

图10 步骤10：向备胎仓的底部施加粘合剂（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

“这要求我们必须提高模块的刚性，同时减轻重量并降低成本。” Voestalpine塑料解决方案公司的项目开发经理Frank Voge回忆说，“我们与材料供应商、设计公司、防真模拟公司以及模具制造商一起，用了大量时间去评估不同的材料和工艺组合方案，以确定哪一种方案能够最有效地满足我们的目标要求。”

图11 步骤11：备胎仓被放到工作台上，将吸音垫压入涂有粘合剂处，使其粘接到备胎仓上（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

这个过程包括一些试验设计工作和许多模拟工作，以便于设计人员充分了解多样化的选择方案，这包括：玻璃纤维毡和玻璃纤维粗纱，以及钢嵌件等。而加工方面则涉及了模压成型、水辅注射以及其他成型方法。尽管热固性塑料也是考察的对象，但Voge指出，热塑性塑料能为功能的集成带来更多的机会。显然，聚丙烯被排除在外，这是因为其弹性模量低于聚酰胺。“最后，能够在刚性、质量和成本方面为我们带来最佳组合优势的解决方案，就是采用气辅注射成型技术生产玻纤增强聚酰胺部件。”

图12 步骤12：准备发运的最终部件（图片来自voestalpine塑料解决方案公司）

“气辅注射成型技术允许我们在一些关键部位有选择性地增加刚性并达到减轻重量的目的。” Voestalpine塑料解决方案公司负责奥迪项目的经理Jeroen Dictus说，“当然，注射成型对于部件的整合以及功能的增加历来都是最好的方法，因为它允许从一开始就将许多特性设计进来，而这是金属冲压根本不可能实现或者模压成型难以实现的。”注射成型还允许公司在成型中使用多种嵌件，包括：支撑肋、托架和安装用的固定件等，从而为固定和模后组装提供了方便。“通过选用高含量的短玻纤增强热塑性塑料而非低含量的长玻纤或连续玻纤增强塑料，我们能够成型出更为复杂的部件，材料能够恰当地充满模具而不存在任何喂料瓶颈问题。”他说。

Dictus表示，PA6能够生产出强韧的部件，它拥有高疲劳强度以及比聚丙烯所能允许的尺寸更薄的名义壁厚。此外，它还拥有良好的抗磨损性和更低的NVH值。而聚合物材料所带来的极出色的表面质量，还为喷涂提供了便利。不仅如此，该材料还拥有一个高于聚丙烯的连续使用温度范围，即80℃。

由于该部件从一开始就被设计为采用气辅注射成型工艺而非传统的实体注射工艺，因而无需中间的原形模具，这使得该项目的成本得以降低，并有助于开发周期的向前推进。该团队首先使用一副铝制气辅注塑模具来验证这一设计概念，然后很快投入了一副P20钢的模具，用于批量化的生产。

“从一开始就以‘用于气辅注射成型’为出发点来设计模具是比较合理的。” Voestalpine塑料解决方案公司的销售经理 Michiel Nieuwenhuize说，“基于这种方法，设计中只使用了两个阀式浇口，而通常成型同样尺寸和复杂程度的部件则需要23个浇口。实际上，气体通道所发挥的作用，犹如大型的热流道，或者说促进了材料的流动，防止在注射成型的填充阶段材料过早冷凝。”

每一个大型阀式浇口都装有针式密封热流道嘴尖。生产该部件的关键点在于，要在注射成型的保压阶段，确保惰性气体不能从气体通道中返回，而是进入到注射单元的料筒中。通过模拟多种填充方式，该团队还发现，气道和热咀位置对于确保均匀冷却以及在成型过程中控制好气道壁厚具有决定性的作用。如果气道或热咀稍有偏移，就会立即产生不均匀的气道壁厚断面，或者在熔体凝固前部件没有完全充满，从而出现短射问题。

基于复杂的形状以及设计中高度集成的多种功能，该备胎仓的设计以拥有诸多的凹凸结构、通孔和其他极端设计特色为特点，从而对模具的开模提出了挑战，要求模具要设有滑块结构。实际上，由Simoldes A?os公司（位于葡萄牙的Oliveira de Azeméis）制造的生产用模具配有6个液压滑块和2个机械滑块，这对于适应部件的凹凸结构设计是非常必要的。在6个液压滑块中，有两个很特别，这是为了确保机器人能够在每一次注塑循环前，在这两个滑块的上部，直接以一定的角度自动地将螺纹嵌件（用于将备胎仓安装到底盘上）放到指定位置。成型用的设备是一台克劳斯玛菲的2 700 t注塑机。由于加工温度高（这要归功于朗盛高流动级别的PA6树脂），因此尽管玻纤含量高，但仍然生产出了表面质量出色的部件。

混杂增强的效果

用于稳固电池组的冲压穿孔金属铝片是被嵌入成型到备胎仓中的。在成型过程中，这一长849 mm、宽120～140 mm以及深度达289 mm的金属嵌入物，与复合材料之间形成了机械式连接。熔融的聚合物流入嵌件孔中，部分地包封其断面，形成了数个必要的肋结构，以防止薄的金属铝片在载荷下发生变形。这种结构是朗盛早于20世纪80年代晚期为欧洲的汽车行业创新的一种专有技术。这种PMH混杂材料系统充分利用了各种技术优势，提供了出色的抗弯曲、抗压缩和抗扭载荷性能（实现了力在材料系统之间的最佳转移），以及高吸能性、尺寸稳定性和低重量。它还进一步整合了各种部件，减少了组装步骤并提高了设计效率和自由度。朗盛开发了一种方法，通过设计几个特殊的锁扣来连接多层冲压钢板，从而实现了载荷由一个冲压钢板向另一个冲压钢板的转移，取消了焊接工序。当然，这一方法无需用于备胎仓上。

对于这种冲压金属片，该开发团队遇到的一大难题是确保其被置于部件中的指定位置而不移动。在早期试验阶段，要保证铝条在熔体填充过程中稳定不动是一件困难的事情，这是因为注射压力太高（达27 000 kN/m2），而且当熔体到达模具的复杂部位时，其前锋会出现湍流。为确保铝条的可靠定位，该开发团队在模内另外采用了锁扣装置以确保铝条固定在位。该开发团队面临的另一个难题是，如何确定铝条上孔的大小和位置，它们的几何结构对于确保获得足够高的粘接以避免出现脱层至关重要。经过多次试验后，该开发团队确定了最终设计方案。

在自动化的模后操作中，采用了一种使用寿命长的底漆，同时拧上了4个M8的固定螺钉并放入了一个吸音垫，之后，此处将安放奥迪的空气悬挂系统压缩机。由此，voestalpine塑料解决方案公司减少了需要在其工厂完成的二次修整工序，从而最大程度地提高了奥迪公司的组装效率。该备胎仓模块以一个完整的部件被送达主机厂的装配车间以等待安装，其与电泳涂装后的白车身之间的连接依靠的是粘合剂和机械锁扣。实际上，在汽车组装阶段，靠备胎仓侧壁上的铝条两端，是通过螺钉与白车身联接的，以便创造一条通往地面的路径，防止静电的产生。此外需要说明的是，热塑性的基材在使用后可回收利用。