前言

汽車研究中心（CAR）受到加拿大創(chuàng)新、科學和經(jīng)濟發(fā)展部（ISED）的邀請，編制了汽車行業(yè)開發(fā)和驗證技術路線圖白皮書。路線圖提供了對從當前到2030年以后整個行業(yè)的技術趨勢的廣泛理解。本白皮書綜合了針對ISED進行的技術路線圖項目的結(jié)果，并進一步解釋了與預測技術和制造趨勢相關的挑戰(zhàn)和關注點。輕型汽車材料與制造工藝是該白皮書的重要組成內(nèi)容，對指導汽車輕量化技術的實施具有指導意義。

1 材料和制造技術

具有更好性能特點的新材料由于各種原因被引入車輛，但主要用于提高耐撞性，噪音和振動，總體成本和燃油經(jīng)濟性。預計提高燃油經(jīng)濟性的監(jiān)管壓力將加速將輕質(zhì)材料引入車輛的進化速度。

為了了解車輛中當前的材料技術和未來材料趨勢，本白皮書介紹了由廣泛的跨公司研究和各行業(yè)專家的意見以及汽車研究中心（CAR）的初步研究確定的材料和制造技術路線圖，來自九家汽車制造商的調(diào)查數(shù)據(jù)。這份調(diào)查數(shù)據(jù)包括42輛2015/2016年車型，涵蓋四個車型（轎車，CUV，SUV，輕型卡車）。這42款車型約占美國輕型車銷量的50%。該調(diào)查要求詳細記錄當前所用材料的使用情況，形成技術以及在每輛被調(diào)查車輛的20個部件上加入技術。汽車制造商對所選組件中材料技術使用量減少5%，10%和15%車輛質(zhì)量的意見也被查詢。CAR于2016年發(fā)布了這項研究的結(jié)果.2為了驗證結(jié)果，來自具有150年以上工作經(jīng)驗的不同公司和組織的材料專家應邀參加為期半天的圓桌討論。

2 目前汽車行業(yè)輕量化技術現(xiàn)狀

產(chǎn)品工程師嘗試在正確的地方處理正確材料的理念。圖1顯示了主要結(jié)構(gòu)部件當前最常用的材料。理論上講，如果汽車零部件在市場上可買到，可用現(xiàn)有技術制造并滿足性能要求，則可用該材料制造汽車零部件。

圖1 當前車隊主要結(jié)構(gòu)件常用材料Source：CAR Research

然而，設計師不能使用所有可用的材料，因為它們一般會受到實際限制、例如供應鏈、基礎設施、成本、可修復性和環(huán)境等。圖2顯示了14種主要車輛部件中的當前材料組合結(jié)構(gòu)。

圖2 當前42個批量生產(chǎn)車型材料應用組合Source：CAR Research

當前車輛主要是一些使用鋁的鋼結(jié)構(gòu)框架。鋼的等級范圍從270兆帕（Mpa）拉伸強度到熱成形硼鋼的1500MPa加拉伸強度。鎂合金和聚合物復合材料主要用于高端車輛。目前主要的制造技術是冷沖壓，但高強度鋼很難冷成形。隨著熱量增加材料的延展性、熱沖壓的使用也在增加，這有助于形成復雜的形狀而不會開裂。對于塑料和碳纖維復合材料部件來說，注塑和樹脂傳遞模塑是當前最常見的生產(chǎn)技術。

3 美國汽車輕量化材料應用發(fā)展

減少碳排放的監(jiān)管壓力和改善性能的競爭是改變車輛材料組合的驅(qū)動因素。汽車制造商正在尋找具有更高強度重量比的材料，以減輕重量，同時提高性能。CAR研究表明，到2025年，美國車隊將通過在車身結(jié)構(gòu)中更多地使用鋁來實現(xiàn)5%的整備質(zhì)量降低，內(nèi)飾也是最近輕量化的焦點。

圖3顯示了2010?2040年美國車隊的材料組合變化情況。專家們認為，沒有哪一種材料在輕量化競賽中獲勝。重量和性能優(yōu)化的車輛將具有混合材料車身結(jié)構(gòu)。最近推出的車輛已經(jīng)經(jīng)歷了這種轉(zhuǎn)變，這些車輛使用針對汽車每個區(qū)域定制的材料，以同時提高駕駛動態(tài)特性、燃油經(jīng)濟性和駕駛室低噪音。

圖3 美國車隊材料分布（2010到2040）

新的制造技術也在推進，以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)所需的速度和成本效益。鋼的熱成形已經(jīng)用于高產(chǎn)量部件，隨著對超高強度鋼的需求的增加，到2025年將達到成熟（見圖4）。技術的成熟度是一個取決于車輛流程的主觀術語。廣義而言，成熟的技術可用于批量生產(chǎn)的車輛（每年的產(chǎn)量超過10萬臺），具有多種產(chǎn)品應用，并且可以從具有全球供應能力的多個供應商處獲得。增材制造也被稱為3D打印，是一項革命性技術，有可能改變工具和模具業(yè)務，但在成本或周期時間方面還不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

新材料帶來新的挑戰(zhàn)。加入不同材料并不容易，并且由于熔點差異，有時不可能使用傳統(tǒng)的電阻點焊。連接技術（如粘合劑和先進緊固件）將在實現(xiàn)優(yōu)化的混合材料結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮重要作用，因為能夠連接不同材料的任意組合（圖5）。

圖4 2015到2035年新制造工藝技術將促進增長Source：NHTSA;CAR Research

圖5 到2030年連接工藝技術發(fā)展趨勢Note：LW=Lightweighting Source：CAR Research,Lucintel

4 汽車工業(yè)發(fā)展機遇和威脅

在全球各國政府正在制定相關法規(guī)來控制汽車排放，以應對氣候變化。這是增加輕質(zhì)材料使用量的主要動力。為了保持競爭力，汽車制造商每年都會在車型中增加內(nèi)容?例如改進的信息娛樂功能、駕駛員輔助傳感器、增加的腿部和貨艙空間等。CAR的研究表明，到2025年，美國車隊重量的5%左右將被添加到每輛車上，以提高安全性和性能，包括智能駕駛、性能改進、降低排放、動力電動化等，例如為實現(xiàn)自動駕駛功能，每輛車將增加200至300磅的重量。

圖6 快速引入新材料需要面臨的挑戰(zhàn)Source：CAR Research

為了維持或提高性能和燃油經(jīng)濟性，額外的用戶需求和安全內(nèi)容所增加的重量需要在其他地方抵消。此外，隨著電動動力總成的趨勢日益增加，內(nèi)燃機（ICE）和電池組之間的重量差異會影響車輛重量目標。實際上，電池電動車（BEV）需要比ICE輕得多才能獲得足夠的行駛里程。對BEV的監(jiān)管推動以及不斷提高的客戶期望將增加輕量化材料進入車輛的速度。

在制造環(huán)境中使用多種材料并非易事。除了連接技術之外，電鍍腐蝕和熱管理是工程師在設計混合材料車身結(jié)構(gòu)車輛時面臨的兩個主要問題。盡管工程師更關心技術挑戰(zhàn)，但采購和制造業(yè)高管更關心新材料的成本和潛在的供應鏈風險。較新的制造技術，如增材制造、樹脂傳遞模塑、薄壁壓鑄等尚未成熟。這些技術的周期時間較長，以及需要在全面批量生產(chǎn)中解決的質(zhì)量問題。圖6列出了汽車工業(yè)面臨的新材料和混合材料裝配面臨的主要挑戰(zhàn)。

6 覬覦未來

汽車制造商以及硅谷的新成員正在投資自動化汽車技術。自動車輛可能會導致新的商業(yè)模式、保險結(jié)構(gòu)和新的移動模式，這些模式將影響車輛設計以及材料組合。美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）估計，94%的撞車事故的關鍵原因是駕駛員。如果可以用自動化取代人的駕駛員，則可以避免許多車禍，避免交通事故死亡，這將使車輛設計師靈活地減小車輛碰撞結(jié)構(gòu)并使用較輕的材料。

另一項需要監(jiān)控的技術是3D打印，目前主要用于原型零件的快速生產(chǎn)，但如果縮短周期時間和降低設備成本，未來看起來會更加光明。在材料方面，鋼鐵行業(yè)正在投資開發(fā)高延伸率的高強度鋼。由于潛在的成本差異，這些“第三代鋼材”可限制使用其他輕質(zhì)材料，并且由于汽車制造商更多地投資于鋼鐵工業(yè)。其他不確定因素包括聚合物復合材料的成本、圍繞不同粘合技術的創(chuàng)新以及可改變本白皮書中展示的路線圖的燃油經(jīng)濟性。