從椰子殼到3D打印 新材料新工藝涌入汽車領(lǐng)域

福特公司采用3D打印方法研制的模擬生物過程的泡沫

在最近舉行的2016年紐約國際車展上，各大汽車展商為人們獻(xiàn)上了一場豐富的視覺和思想盛宴，挑戰(zhàn)了人們對高速度和高科技的想象力，也展示了汽車工業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

美國趣味科學(xué)網(wǎng)站在日前的報道中，列舉了如下三大趨勢：更輕質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車的多個零部件；3D打印技術(shù)為汽車工業(yè)添磚加瓦；一大批新型材料洶涌襲來。

　　

碳纖維復(fù)合材料：無所不在

從特斯拉到谷歌，從福特到豐田，在過去一年間，汽車制造商們通過各種技術(shù)和思想創(chuàng)新，盤踞了報紙的頭條位置：有些制造商致力于讓自動駕駛汽車走進(jìn)現(xiàn)實生活，有些制造商則通過新型輕質(zhì)氣電混合車讓混合動力汽車漸入佳境。即便在低端市場，自動停車和車道偏移警示系統(tǒng)目前都已成為很多高銷量車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。

但在這一片花團(tuán)錦簇、歌舞升平中，現(xiàn)代汽車使用的新型材料被忽略了，其中聲名最顯赫的當(dāng)屬超堅固的碳纖維復(fù)合材料。的確，高性能汽車，不管是賽車、超級跑車還是馬力增強(qiáng)了的家用車，為了獲得最高的速度和加速度，都需要降低重量。

去年，汽車廠商紛紛在超級跑車中使用碳復(fù)合零件，主要目的是為了讓汽車更輕，外觀更靚麗，這一點也得益于碳復(fù)合材料本身極富吸引力的外表。今年，這一點也很明顯。比如，瑞典超級跑車制造商科尼塞格（Koenigsegg）綜合最大功率達(dá)1500馬力的首款混合動力車型Regera，其車輪就由碳纖維復(fù)合材料制成。與目前很多高端汽車輪胎使用的輕質(zhì)鎂合金相比，碳纖維復(fù)合輪胎重量更輕。對操控汽車來說，減少輪胎重量比減少車體質(zhì)量的影響更大。更輕質(zhì)的車輪能更好地貼近路面，產(chǎn)生更好的抓力。在未來的車型中，越來越多汽車制造商將在超級跑車上使用復(fù)合材料，并最終過渡到大規(guī)模制造的車型上。

在去年的車展上，碳纖維零件已有不少：后視鏡外殼、前后擴(kuò)散器、內(nèi)部裝飾件、導(dǎo)流板等。但在今年的車展上，大量汽車開始在其車身面板或底盤上使用碳復(fù)合材料，包括謳歌NSX（AcuraNSX）超級跑車、FordGT和寶馬i8的車體都是完全由碳纖維復(fù)合材料制成。另外，電動汽車為了增加每次充電后的駕駛里程，也迫切需要降低車的重量，因此，包括寶馬i8或特斯拉ModelS在內(nèi)的高端電動汽車可能很快也會采用碳纖維復(fù)合材料制造的車胎。

另一個少人問津的碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域是儲氫裝置，例如豐田Mirai燃料電池汽車用的氫罐。碳纖維復(fù)合材料氫罐通過在一根管子周圍包裹碳纖維制成，其能承受更高的壓力，因此能存儲更多氫氣，從而能提高汽車的行駛里程數(shù)。

　　

3D打印革新：一切皆有可能

目前，傳統(tǒng)制造方法一般用于制造批量生產(chǎn)的零件，擁有非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件很難用此類方法制造。

但最近，科學(xué)家們在3D打印領(lǐng)域取得的進(jìn)步消除了一些制造更復(fù)雜零件的壁壘，比如，這一技術(shù)可用來制造受生物過程啟發(fā)的結(jié)構(gòu)，而采用其他制造方法無法做到這一點。因此，借助3D打印技術(shù)，我們能大批量制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的精密零件。

在2016年紐約國際車展上，福特公司展示了其用3D打印機(jī)制造出來的復(fù)雜泡沫結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法無法大規(guī)模制造出如此完全一樣的泡沫，因為每個泡沫結(jié)構(gòu)都由成千上萬個小泡組成。福特還展示了很多3D打印模型，例如進(jìn)氣管、橫拉桿等。此外，3D打印也使快速制模成為可能，用3D打印方法制造出的模具可用于傳統(tǒng)的設(shè)備制造中。

對于產(chǎn)量少的汽車來說，采用3D打印方法打印出可直接使用的零件尤其有用，因為此類汽車的主要成本是設(shè)計和原型開發(fā)，借助3D打印技術(shù)，可大大降低此類過程的成本�，F(xiàn)在，包括專門制造飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件的通用電氣航空部和專門生產(chǎn)浴室水龍頭的美國標(biāo)準(zhǔn)公司在內(nèi)的多家公司，都在借助3D打印技術(shù)。

未來材料：“不起眼”到受青睞

除此之外，在2016年紐約國際車展上，很多汽車制造商開始使用一些“不起眼”的材料，如天然纖維和可再生材料等。業(yè)內(nèi)人士稱，用玉米殼、洋麻、大麻類植物、椰子殼以及棉絲等天然纖維制造的復(fù)合材料很有可能成為未來的汽車用復(fù)合材料。

盡管此類復(fù)合材料可能看起來平淡無奇，沒有什么“未來主義”的光環(huán)，但其實，與高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料相比，其量產(chǎn)和應(yīng)用面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。另外，這些天然材料不容易與塑料結(jié)合，這使兩者的混合變得困難且使零件的強(qiáng)度降低。

在今年的車展上，福特公司在天然復(fù)合材料和可回收復(fù)合材料的研制方面取得了巨大成功，一些由這些材料制造的零件已經(jīng)進(jìn)入最終制造階段。比如，用洋麻纖維復(fù)合材料取代福特翼虎傳統(tǒng)的注射成型塑料內(nèi)模板可節(jié)省大約30萬磅油基材料，并將零件的重量降低25%。更特別的是，福特公司目前甚至在嘗試使用廢棄的美國鈔票來制造復(fù)合材料。

擁有天然纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料除了隔熱和隔音效果更好外，還能降低汽車的質(zhì)量，耐磨損性能更強(qiáng)。此外，使用這些材料對環(huán)境的好處也很多：這些材料本身具有可再生性，而且它們也能減少用于制造塑料的石油消耗


來源：科技日報