行业关注轻量化产业发展现状与技术解析

【行业关注】轻量化产业发展现状与技术解析

汽车轻量化是未来汽车行业发展方向之一，特别是对于时下发展迅速的新能源汽车而言，重量的减轻直接意味着续航里程的增加。研究表发现，对纯电动汽车而言，整车重量降低10kg，续驶里程可以增加2.5km。所以越来越多的整车、零部件厂都开始重视轻量化。

一、轻量化技术实现汽车轻量化的主要途径有三种：一是使用轻量化材料；二是优化结构设计；三是采用先进的制造工艺。国内外车企纷纷从这几方面入手，推动电动汽车轻量化发展，并取得了一定成绩。

1）全新制造工艺减少零部件数量碳纤维的应用将会带来一场革命，其原因在于碳纤维在汽车上的应用改变了传统汽车的设计思想、开发流程及制造工艺。碳纤维材料是可设计的，其零件工艺是多样化的，未来碳纤维应用于汽车没有标准化的材料，整个车和零件的开发过程就是材料开发过程，也是工艺开发过程。

铝型材的三维弯曲、钢铝焊接以及碳纤维零件的成型是目前面临的全新工艺。采用新工艺可大大减少零部件使用数量，实现轻量化目标。其中，碳纤维总成的方式已取得突破性进展。在兰博基尼Sesto Elemento的项目中，将前围、地板、后围集成为一个整体式座舱，取代了传统结构的48个零件，把零件分为4—6大片，成型之后直接粘接，工艺简单，减重效果突出。整备质量在加注燃料和其它液体之前只有960 公斤。

2）结构优化提高材料利用率汽车车身结构轻量化采用结构优化设计方法，可以在保证车身结构性能要求的前提下，提高材料的利用率，减少冗余的材料，而

达到车身结构轻量化的目的，结构优化主要包括尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。拓扑优化作为结构优化的一种，不同于车辆构件的尺寸优化和形状优化，是对布局和节点联接关系进行优化，使结构的某种性能指标达到最优化。汽车厂在新车开发时，公司决策层会给出一个整车定义，包括车多大多重，涉及到成本控制，同时希望车达到什么性能。拓扑优化能够在给定设计空间，给定设计重量、设计性能的约束下，迅速得到一个布局和节点联接基本判断，为设计人员提供结构质量最轻、性能最优的力学传递路径方案。3）应用碳纤维复合材料减重显著高强度钢和铝合金都可以在一定程度上实现车身减重，而汽车用工程塑料和复合材料则对车体的减重最为明显，由此成为汽车轻量化的首选用材。发达国家已将汽车用塑料量的多少作为衡量汽车设计和制造水平的一个重要标志。2015年，我国车用塑料的用量已经达到1046万吨，而且呈逐年上升的趋势。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点。在复合材料中，碳纤维复合材料的应用一直备受瞩目。选用碳纤维增强复合材料制作结构件、覆盖件，可减轻质量达30%左右，对于比燃油车更需要轻量化的新能源汽车，碳纤维增强复合材料有更大的应用潜力，在未来汽车轻量化中将会起到举足轻重的作用。宝马i3在碳纤维复合材料的应用方面取得了令人瞩目的成绩，是第一款实现量产的采用碳纤维车身设计的车辆，其整备质量仅为1224kg，比设计之初减轻了250-350kg，很大程度上弥补了电池增加的重量。目前，北美汽车轻量化材料是全球最大的市场。预计该地区的年复合增长率约为5.6%，在2021 年达到362.3 亿美元。欧洲是全球第二大市场。未来，亚太地区轻量化材料市场将是这个行业中发展最快的地区。碳纤维复合材料（CFRP）是汽车工业轻量化道路上的主要材料之

一。但由于碳纤维及其复合材料的高成本限制了其在汽车轻量化领域的大规模应用。目前，商业级的碳纤维主要为PAN基碳纤维，其高成本问题主要集中在较高的PAN 原丝生产成本（占总成本的51%）和较长的生产流程。因此，降低车用CFRP成本的主要路径是降低碳纤维原丝成本，寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。目前国外碳纤维生产商已经致力于开发低成本碳纤维制造技术，并寻求PAN以外更低成本的原料来制备碳纤维。日本三菱和东丽公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表，美国也已开发出先进的碳纤维制备技术。在低成本原料方面，美国、日本等碳纤维主要制造国家已经开发出包括聚烯烃类聚合物、木质素纤维素、电纺酚醛纤维、辐射丙烯酸等在内的低成本代替材料。除纤维成本外，车用复合材料最大的挑战是汽车行业高效率的生产预期，其中成型树脂是决定复合材料生产效率的最主要影响素之一。由于优异的粘合强度和模量、耐蠕变性、高韧性和良好的抗疲劳性能，环氧树脂通常是汽车复合材料生产商的首选。通过研究和开发“瞬间固化”（能够流动和彻底浸润纤维预制件，并在5 min之内固化）的环氧树脂及其配套的预成型和成型设备，从而开发高效、低成本的复合材料生产技术，已经成为降低车用复合材料成本的主要手段之一。德国：是当前汽车轻量化材料占比最高的国家，其次是美国和日本。德国汽车工业十分发达，在新材料工业和机械制造领域聚集了世界上最优秀的几个生产企业，具有推动汽车轻量化得天独厚的优势；其次，美国豪华品牌车型也较多，且电动汽车发展很快；日本是在碳纤维方面属全球首位，以东丽公司为代表，目前该公司全球遥遥领先；中国轻量化起步较晚，技术和应用程度都落后于德美日等发达国家。但是随着新能源汽车的发展，材料轻量化正在加速进行中。美国：美国虽然高端豪华品牌车

型也较多，但是美国汽车行业对于新型轻量化材料的热衷主要来源于新能源汽车的发展以及排放和能耗的压力，代表企业是特斯拉、GM、福特等。特斯拉目前的Model S 和Model X 在车身和底盘上基本都采用了铝合金和其他复合材料，而GM 的高端品牌凯迪拉克在近两年的新车型中也开始采用钢铝复合车身结构，比如凯迪拉克CT6，福特则是将铝合金车身首先搭载在F150 这类高端皮卡车型上。日本：目前日本汽车企业轻量化材料的使用也主要是集中在一些非结构件上，比如铝合金的发动机罩、塑料的翼子板和尾门等，还有就是底盘和发动机的一些铸铝件。其中代表企业是丰田的雷克萨斯和本田阿库拉。随着2020年全球的能耗和排放政策的越发严格，预计到2020年，日本汽车企业轻量化材料在底盘和车身中的占比会赶上美国，达到20%左右。中国：中国汽车轻量化起步不足十年，借助新能源汽车崛起契机，对发达国家呈现赶超之势。汽车轻量化已经从分散化、高端化、单一化的1.0 时代走向集约化、普及化、多元化的2.0时代。轻量化的发展受到智能网联、节能减排、性能提升等多重需求牵引，通过全产业上下游深度合作，在轻量化材料应用、制造工艺、结构优化、零部件研发领域多面发力，使轻量化应用车型更加普及，其中新能源汽车细分市场将有望率先取得突破。目前，不少车企不仅与汽车零部件供应商合作，还与碳纤维材料制造商建立合作关系以为其开发专用的新型碳纤维产品。如日产汽车、本田汽车与东丽公司联手开发汽车车体用新型碳纤维材料，赢创同江森自控、雅各布塑料、东邦特纳克斯公司共同研发碳纤维增强塑料轻质材料，东丽与戴姆勒达成共同研发协议为梅赛德斯-奔驰研发碳纤维复合材料部件等。2017年日本东丽、三菱、帝人，美国赫氏等碳纤维行业巨头动作频频，布局覆盖航空航天、汽车轻量化等未来主要应用市场。日本东丽工业株式