LFT-D汽车后地板的设计与应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Abstract：Traditional passenger car rear floor is made from stamping parts by tailor- welding, which brings problems such as heavy weight, high cost in tooling and low corrosion resistance. To solve this issue, LFT- D compression molding technology is used for lightweight design rear floor of a HFCV (Hydrogen Fuel Cell Vehicle). Stiffener and a platform layout are added to meet the requirements of stiffness, strength, stacking and storage. Meanwhile functional integration is achieved by integrating damping mat and 2 mounting brackets. The rear floor is bonded with BIW (Bady In White) by polyurethane adhesive and 4 bolts. Results of analysis show that compared with stamping parts, stiffness of LFT-D rear floor is better. Under the same order, its modal is slightly lower than stamping parts, but meets the use requirements. Experiment results indicate the LFT-D part meets service requirements with a weight reduction of 2.27 kg; moreover, its cost is also lower with a low-volume production within 100,000 units.
2021 年第 7 期
Байду номын сангаас汽车工艺与材料
Automobile Technology & Material
2021 No.7
LFT-D 汽车后地板的设计与应用
刘鉴锋 薛军 徐希宇 李永祥 耿富荣
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）
摘要：传统的乘用车后地板由钣金冲压件拼焊而成，质量大、模具工装成本高、耐腐蚀性差。为解决这一
螺杆机，同时导入连续纤维粗纱，后者在螺杆作用 下 被 剪 断 、分 散 ，并 与 熔 融 料 混 合 均 匀 。 该 机 组 中，第 1 台为普通的双螺杆挤出机，螺杆长径比（L/ D）大、转速高、剪切作用强烈；第 2 台双螺杆挤出 机 的 螺 杆 长 径 比（L/D）较 小 、转 速 低 、对 纤 维 的 剪 切 较 为 柔 和 ，有 利 于 保 持 纤 维 长 度 。 另 一 种 是 单 阶 双 螺 杆 挤 出 机 配 混 挤 出 工 艺 ，比 较 有 代 表 性 的 是德国 Coperion W & P 公司的技术方案，其生产线 如图 2 所示 。 [2] 该方案的突出特点是仅需 1 台双螺 杆 挤 出 机 完 成 聚 合 物 塑 化 混 炼 及 纤 维 剪 断 、配 混 工作。
聚合物
改性剂、添加剂 一阶挤出机
纤维束
二阶双螺杆挤出机
LFT-D 坯料
模压成型
图 1 双阶双螺杆挤出机配混挤出工艺[1]
长纤维
压机
失重喂 料称 电机
真
空 泵
机头切刀
机械手 输送带
图 2 单阶双螺杆挤出机配混挤出工艺[2]
与 片 状 模 塑 料（Sheet Molding Compound， SMC）、玻璃纤维毡增强热塑性塑料（Glass Mat rein⁃ forced Thermoplastic，GMT）和长纤维增强热塑性塑 料 造 粒 技 术（Long Fiber reinforced Thermoplastic Granules，LFT-G）相比，LFT-D 技术具有以下优势。
视界
刘鉴锋 等：LFT-D 汽车后地板的设计与应用
· 13 ·
来 汽 车 定 制 化 、多 样 化 、更 新 快 的 趋 势 。 另 一 方 面，近年来复合材料低成本化技术逐渐得以发展， 规 模 化 应 用 也 初 见 端 倪 ，逐 年 下 探 的 成 本 为 复 合 材料的应用带来了更多机遇。
以某款氢燃料电池乘用车的钣金后地板为研 究 对 象 ，选 取 LFT- D 在 线 模 压 技 术 进 行 替 代 设 计。从材料选择、结构设计、性能分析和试验验证 4 个方面，阐述满足轻量化及性能目标的汽车复材 件开发过程。
a.直接选用树脂粒料和纤维粗纱进行生产，省 去了半成品的制造、物流和仓储成本（图 3[3]），更具 经 济 性 。 据 统 计 ，生 产 大 型 零 件 ，LFT-D 方 案 比 GMT 方案成本降低 40% ~50%，比 LFT-G 方案成本 降低 30% ~40% ； [4]
b.只有 1 个加热过程，节能环保，且有利于保 持树脂性能；
Key words: LFT-D, Lightweight, Functional integration
1 前言
在节能、环保的要求下，轻量化成为汽车工业 的 发 展 趋 势 。 新 材 料 应 用 、结 构 优 化 设 计 以 及 先 进制造工艺是实现汽车轻量化的 3 个重要途径，其 中又以新材料的应用最为有效。塑料及树脂基复 合 材 料 ，具 有 密 度 小 、比 强 度 和 比 模 量 高 、耐 腐 蚀 等 特 点 ，而 且 设 计 自 由 度 大 、集 成 性 好 ，可 获 得 显 著 的 轻 量 化 效 果 ，目 前 已 在 汽 车 半 承 载 件 、承 载
件 、覆 盖 件 和 功 能 件 上 得 到 应 用 。 欧 美 发 达 国 家 已 大 量 选 用 复 合 材 料 进 行 汽 车 零 部 件 开 发 ，而 我 国在该领域还有不小的差距。
复 合 材 料 件 的 成 本 高 于 钣 金 件 ，严 重 制 约 了 其 在 汽 车 上 的 应 用 。 随 着 经 济 和 技 术 的 发 展 ，市 场 需 求 日 益 多 元 化 、个 性 化 ，汽 车 制 造 业 往 多 品 种 、小 批 量 和 定 制 化 生 产 的 方 向 发 展 。 复 合 材 料 件 的 模 具 、工 装 和 设 备 投 资 成 本 比 钣 金 件 的 要 低 得多，特别适合搭载在小批量车型上，更能适应未
作者简介：刘鉴锋（1989—），男，工程师，硕士学位，研究方向为复合材料汽车轻量化设计与应用。 参考文献引用格式： 刘鉴锋，薛军，徐希宇，等. LFT-D 汽车后地板的设计与应用[J].汽车工艺与材料，2021（7）：12-18. LIU J, XUE J, XU X, et al. Design and Application on LFT-D Automotive Rear Floor [J]. Automobile Technology & Material, 2021(7): 12-18.
车 工 业 发 达 国 家 已 将 LFT-D 技 术 投 入 产 业 化 应 用，宝马、奔驰、Smart、大众等车企选用该技术制造 底护板、前端模块、备胎舱、后掀背门内板、备胎箱
盖板等汽车零部件。在国内，2010 年上海耀华大 中 新 材 料 有 限 公 司 从 Dieffenbacher 引 进 了 1 条 LFT-D 自动化生产线；华东理工大学[6]、福建海源 机械、北京机科国创、江苏诚盟装备等公司则自主
c.适合多种热塑性树脂（PP、PA6、PA66、ABS、 PET 等）和纤维（玻璃纤维、碳纤维、亚麻纤维、麻
· 14 ·
汽车工艺与材料
第7期
纤维、人造纤维等）；
添加剂+聚合物
传统工艺 SMC/GMT/LFT-G
纤维
半成品制造
产品制造
添加剂+聚合物
LFT-D 工艺
纤维
产品制造
在线 回收
图 3 LFT-D 与 SMC、GMT、LFT-G 工艺对比[3]
d.纤维种类、纤维含量、树脂和助剂可根据需 要灵活调整，不再受制于半成品供应商；
e.边角废料可在线回收利用，降低能耗，减少
污染；
f.效率高，适合大批量生产。
德国 Dieffenbacher 在 LFT-D 技术基础上发展 出使用单向带、织物等定向增强的 Tailored LFT 复 合成型工艺[5]，以及免喷漆可视表面技术。欧美汽
问题，选取 LFT-D 模压技术对某氢能源乘用车后地板进行轻量化设计。通过加强筋、平台等结构的布置，满
足刚度、强度及堆垛仓储要求。同时集成阻尼垫及 2 个安装支架，实现功能整合。后地板与白车身的连接通
过聚氨酯胶粘剂和 4 个螺栓安装点实现。分析结果表明，该 LFT-D 零件的刚度性能优于钣金件；同阶次下，模
态略低于钣金件，但满足使用要求。试验结果表明，该 LFT-D 零件满足使用要求并减重 2.27 kg，在小批量生
产下（1×105 辆以内）成本低于钣金件。
关键词：LFT-D 轻量化 功能整合
中图分类号：U463.82；U465.6
文献标识码：B
DOI: 10.19710/ki.1003-8817.20200495
2 LFT-D 技术的特点及发展现状
长纤维增强热塑性复合材料直接在线成型技 术（Long Fiber reinforced Thermoplastic in Direct pro⁃ cessing，LFT- D）可 分 为 在 线 注 射 成 型（LFT- D- In⁃ jection Molding）和在线模压成型（LFT-D-Compres⁃ sion Molding），本文特指在线模压成型技术。LFTD 生产线主要由挤出、输送和成型 3 部分组成。挤 出 部 分 一 般 由 树 脂 粒 料 喂 料 系 统（含 储 料 仓 和 自 动补料设备、失重式计量秤、自动上料系统）、螺杆 挤出机组、连续纤维导入系统组成；输送部分包括 保 温 输 送 机 、工 业 机 器 人 、专 用 夹 具 ；成 型 部 分 包 括模具和液压机。树脂粒料、助剂按配比计量后， 连续喂入到螺杆挤出机中熔融并混合均匀。连续 纤维粗纱经预热、分散后，在挤出机螺杆的旋转作 用下被带入机筒，在螺杆的剪切作用下被剪断，并 与熔融料混合均匀。熔融料经模口挤出并被计量 切割，随后经过保温输送机，由工业机器人或工人 送 至 模 具 中 模 压 成 型 。 在 挤 出 混 炼 过 程 中 ，螺 杆 对纤维的剪切作用越强，分散效果越好，但对纤维 的 损 伤 会 更 严 重 。 通 过 挤 出 机 螺 杆 、机 筒 的 优 化 设计，控制剪切作用，在充分分散的前提下减少对 脆性纤维的磨损，获得较长的纤维保留长度，是高 性能 LFT-D 技术的关键所在。
Design and Application on LFT-D Automotive Rear Floor
Liu Jianfeng, Xue Jun, Xu Xiyu, Li Yongxiang, Geng Furong
（Automotive Engineering Institute of Guangzhou Automotive Group Co., Ltd., Guangzhou 511434）
美国 CPI 公司（Composite Products Inc.）在 1989 年率先开发出 LFT-D 模压成型技术并于 1991 年实 现商业化，其工艺选用了 2 台单螺杆挤出机。目前 LFT-D 工艺主要有 2 条技术发展路线。一是以德 国 Dieffenbacher 公司为代表的双阶双螺杆挤出机 配混挤出工艺（图 1[1]）。树脂粒料、助剂先在第 1 台双螺杆机中高速混炼，然后熔融料进入第 2 台双
2021 年第 7 期
Байду номын сангаас汽车工艺与材料
Automobile Technology & Material
2021 No.7
LFT-D 汽车后地板的设计与应用
刘鉴锋 薛军 徐希宇 李永祥 耿富荣
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）
摘要：传统的乘用车后地板由钣金冲压件拼焊而成，质量大、模具工装成本高、耐腐蚀性差。为解决这一
螺杆机，同时导入连续纤维粗纱，后者在螺杆作用 下 被 剪 断 、分 散 ，并 与 熔 融 料 混 合 均 匀 。 该 机 组 中，第 1 台为普通的双螺杆挤出机，螺杆长径比（L/ D）大、转速高、剪切作用强烈；第 2 台双螺杆挤出 机 的 螺 杆 长 径 比（L/D）较 小 、转 速 低 、对 纤 维 的 剪 切 较 为 柔 和 ，有 利 于 保 持 纤 维 长 度 。 另 一 种 是 单 阶 双 螺 杆 挤 出 机 配 混 挤 出 工 艺 ，比 较 有 代 表 性 的 是德国 Coperion W & P 公司的技术方案，其生产线 如图 2 所示 。 [2] 该方案的突出特点是仅需 1 台双螺 杆 挤 出 机 完 成 聚 合 物 塑 化 混 炼 及 纤 维 剪 断 、配 混 工作。
聚合物
改性剂、添加剂 一阶挤出机
纤维束
二阶双螺杆挤出机
LFT-D 坯料
模压成型
图 1 双阶双螺杆挤出机配混挤出工艺[1]
长纤维
压机
失重喂 料称 电机
真
空 泵
机头切刀
机械手 输送带
图 2 单阶双螺杆挤出机配混挤出工艺[2]
与 片 状 模 塑 料（Sheet Molding Compound， SMC）、玻璃纤维毡增强热塑性塑料（Glass Mat rein⁃ forced Thermoplastic，GMT）和长纤维增强热塑性塑 料 造 粒 技 术（Long Fiber reinforced Thermoplastic Granules，LFT-G）相比，LFT-D 技术具有以下优势。
视界
刘鉴锋 等：LFT-D 汽车后地板的设计与应用
· 13 ·
来 汽 车 定 制 化 、多 样 化 、更 新 快 的 趋 势 。 另 一 方 面，近年来复合材料低成本化技术逐渐得以发展， 规 模 化 应 用 也 初 见 端 倪 ，逐 年 下 探 的 成 本 为 复 合 材料的应用带来了更多机遇。
以某款氢燃料电池乘用车的钣金后地板为研 究 对 象 ，选 取 LFT- D 在 线 模 压 技 术 进 行 替 代 设 计。从材料选择、结构设计、性能分析和试验验证 4 个方面，阐述满足轻量化及性能目标的汽车复材 件开发过程。
a.直接选用树脂粒料和纤维粗纱进行生产，省 去了半成品的制造、物流和仓储成本（图 3[3]），更具 经 济 性 。 据 统 计 ，生 产 大 型 零 件 ，LFT-D 方 案 比 GMT 方案成本降低 40% ~50%，比 LFT-G 方案成本 降低 30% ~40% ； [4]
b.只有 1 个加热过程，节能环保，且有利于保 持树脂性能；
Key words: LFT-D, Lightweight, Functional integration
1 前言
在节能、环保的要求下，轻量化成为汽车工业 的 发 展 趋 势 。 新 材 料 应 用 、结 构 优 化 设 计 以 及 先 进制造工艺是实现汽车轻量化的 3 个重要途径，其 中又以新材料的应用最为有效。塑料及树脂基复 合 材 料 ，具 有 密 度 小 、比 强 度 和 比 模 量 高 、耐 腐 蚀 等 特 点 ，而 且 设 计 自 由 度 大 、集 成 性 好 ，可 获 得 显 著 的 轻 量 化 效 果 ，目 前 已 在 汽 车 半 承 载 件 、承 载
件 、覆 盖 件 和 功 能 件 上 得 到 应 用 。 欧 美 发 达 国 家 已 大 量 选 用 复 合 材 料 进 行 汽 车 零 部 件 开 发 ，而 我 国在该领域还有不小的差距。
复 合 材 料 件 的 成 本 高 于 钣 金 件 ，严 重 制 约 了 其 在 汽 车 上 的 应 用 。 随 着 经 济 和 技 术 的 发 展 ，市 场 需 求 日 益 多 元 化 、个 性 化 ，汽 车 制 造 业 往 多 品 种 、小 批 量 和 定 制 化 生 产 的 方 向 发 展 。 复 合 材 料 件 的 模 具 、工 装 和 设 备 投 资 成 本 比 钣 金 件 的 要 低 得多，特别适合搭载在小批量车型上，更能适应未
作者简介：刘鉴锋（1989—），男，工程师，硕士学位，研究方向为复合材料汽车轻量化设计与应用。 参考文献引用格式： 刘鉴锋，薛军，徐希宇，等. LFT-D 汽车后地板的设计与应用[J].汽车工艺与材料，2021（7）：12-18. LIU J, XUE J, XU X, et al. Design and Application on LFT-D Automotive Rear Floor [J]. Automobile Technology & Material, 2021(7): 12-18.
车 工 业 发 达 国 家 已 将 LFT-D 技 术 投 入 产 业 化 应 用，宝马、奔驰、Smart、大众等车企选用该技术制造 底护板、前端模块、备胎舱、后掀背门内板、备胎箱
盖板等汽车零部件。在国内，2010 年上海耀华大 中 新 材 料 有 限 公 司 从 Dieffenbacher 引 进 了 1 条 LFT-D 自动化生产线；华东理工大学[6]、福建海源 机械、北京机科国创、江苏诚盟装备等公司则自主
c.适合多种热塑性树脂（PP、PA6、PA66、ABS、 PET 等）和纤维（玻璃纤维、碳纤维、亚麻纤维、麻
· 14 ·
汽车工艺与材料
第7期
纤维、人造纤维等）；
添加剂+聚合物
传统工艺 SMC/GMT/LFT-G
纤维
半成品制造
产品制造
添加剂+聚合物
LFT-D 工艺
纤维
产品制造
在线 回收
图 3 LFT-D 与 SMC、GMT、LFT-G 工艺对比[3]
d.纤维种类、纤维含量、树脂和助剂可根据需 要灵活调整，不再受制于半成品供应商；
e.边角废料可在线回收利用，降低能耗，减少
污染；
f.效率高，适合大批量生产。
德国 Dieffenbacher 在 LFT-D 技术基础上发展 出使用单向带、织物等定向增强的 Tailored LFT 复 合成型工艺[5]，以及免喷漆可视表面技术。欧美汽
问题，选取 LFT-D 模压技术对某氢能源乘用车后地板进行轻量化设计。通过加强筋、平台等结构的布置，满
足刚度、强度及堆垛仓储要求。同时集成阻尼垫及 2 个安装支架，实现功能整合。后地板与白车身的连接通
过聚氨酯胶粘剂和 4 个螺栓安装点实现。分析结果表明，该 LFT-D 零件的刚度性能优于钣金件；同阶次下，模
态略低于钣金件，但满足使用要求。试验结果表明，该 LFT-D 零件满足使用要求并减重 2.27 kg，在小批量生
产下（1×105 辆以内）成本低于钣金件。
关键词：LFT-D 轻量化 功能整合
中图分类号：U463.82；U465.6
文献标识码：B
DOI: 10.19710/ki.1003-8817.20200495
2 LFT-D 技术的特点及发展现状
长纤维增强热塑性复合材料直接在线成型技 术（Long Fiber reinforced Thermoplastic in Direct pro⁃ cessing，LFT- D）可 分 为 在 线 注 射 成 型（LFT- D- In⁃ jection Molding）和在线模压成型（LFT-D-Compres⁃ sion Molding），本文特指在线模压成型技术。LFTD 生产线主要由挤出、输送和成型 3 部分组成。挤 出 部 分 一 般 由 树 脂 粒 料 喂 料 系 统（含 储 料 仓 和 自 动补料设备、失重式计量秤、自动上料系统）、螺杆 挤出机组、连续纤维导入系统组成；输送部分包括 保 温 输 送 机 、工 业 机 器 人 、专 用 夹 具 ；成 型 部 分 包 括模具和液压机。树脂粒料、助剂按配比计量后， 连续喂入到螺杆挤出机中熔融并混合均匀。连续 纤维粗纱经预热、分散后，在挤出机螺杆的旋转作 用下被带入机筒，在螺杆的剪切作用下被剪断，并 与熔融料混合均匀。熔融料经模口挤出并被计量 切割，随后经过保温输送机，由工业机器人或工人 送 至 模 具 中 模 压 成 型 。 在 挤 出 混 炼 过 程 中 ，螺 杆 对纤维的剪切作用越强，分散效果越好，但对纤维 的 损 伤 会 更 严 重 。 通 过 挤 出 机 螺 杆 、机 筒 的 优 化 设计，控制剪切作用，在充分分散的前提下减少对 脆性纤维的磨损，获得较长的纤维保留长度，是高 性能 LFT-D 技术的关键所在。
Design and Application on LFT-D Automotive Rear Floor
Liu Jianfeng, Xue Jun, Xu Xiyu, Li Yongxiang, Geng Furong
（Automotive Engineering Institute of Guangzhou Automotive Group Co., Ltd., Guangzhou 511434）
美国 CPI 公司（Composite Products Inc.）在 1989 年率先开发出 LFT-D 模压成型技术并于 1991 年实 现商业化，其工艺选用了 2 台单螺杆挤出机。目前 LFT-D 工艺主要有 2 条技术发展路线。一是以德 国 Dieffenbacher 公司为代表的双阶双螺杆挤出机 配混挤出工艺（图 1[1]）。树脂粒料、助剂先在第 1 台双螺杆机中高速混炼，然后熔融料进入第 2 台双