热塑性复合材料：风景

由位于 Les Châtelliers-Chateaumur 的 Webasto SC 领导的法国团队开发了一种新型固定玻璃卷帘天窗模块，该模块首次使用热塑性复合导轨代替传统的铝制导轨。首先在 Groupe Renault (Boulogne-Billancourt) 生产的多款多用途车辆 (MPV) 上进行商业化，这一变化减轻了重量、成本和工具，消除了硬件和多个加工步骤，简化了装配线安装，降低了操作噪音并节省了 13乘员与天窗玻璃面板之间的额外净空高度 (mm)。

在欧洲很常见，但在北美并不常见，卷帘天窗模块通常用于覆盖固定玻璃车顶系统——通常是大型全景车顶，几乎跨越了车辆车顶线的整个宽度和长度。部署后，它们的功能与北美车辆上的刚性遮阳篷的功能大致相同，可阻挡过多的阳光并抑制风和雨的噪音。它们由一种薄而遮光的织物组成，可以沿着电动轨道展开和展开，然后再次绕着位于车顶后部车顶内衬下方的主轴卷起。

传统天窗总成

汽车行业历来使用铝制导轨将天窗的卷帘模块连接到白车身 (BIW) 车顶结构，特别是在大型透明固定玻璃天窗系统的情况下，通常几乎跨越整个长度和车顶的宽度。这些导轨安装在车顶的驾驶员侧和乘客侧，在卷帘天窗系统上具有双重作用，因为它们形成滑动表面，当卷帘卷起时，电动织物卷帘沿该滑动面移动以允许更多光线进入车辆内部，或当它被部署以减少光线时。与北美常见的刚性遮阳篷不同，当卷帘遮阳篷收回时，它在车顶内衬下占用的空间很小，车辆乘员无法看到，但仍提供与太阳相同的隔热和防风雨隔音效果刚性遮阳篷可以。

铝轨的传统制造工艺从恒定截面的铝型材开始，需要劳动密集型、多步骤的铣削和精加工工艺才能实现钢轨的复杂形状：

• 定长剪裁，
• 通过冲压和冲压形成小褶皱，
• 塑造曲线，
• 加工/铣削无法通过冲压工具预成型的复杂形状（需要一套工具/操作和每一步后的质量控制检查），
• 黑色或本色阳极氧化导轨，
• 以及组装电缆夹、螺旋电缆夹、定心/定位销和螺母。

每个乘用车品牌和型号都使用略微不同的形状和长度导轨，因此天窗制造商必须在给定天窗模块的生产过程中生产和库存大量库存。当添加新车型时，除非车辆与现有车型的天窗系统模块共享通用部件，否则需要全新的工具。

铝制导轨不仅在天窗制造商的生产过程中是劳动密集型的，而且在车辆装配厂的安装过程中也是如此。传统上，导轨通过螺钉手动固定到 BIW。然后天窗模块穿过挡风玻璃舱并从底部装入车顶的开口中，操作员将其固定在最近安装的导轨上。最后，玻璃车顶本身通过结构粘合剂粘合到汽车顶部，密封天窗模块和机舱内部。

尽管铝轨代表了已知的成熟技术，但它们也有缺点。首先，铝是一种昂贵的原材料，比钢更难弯曲成复杂的形状。另一方面，为了保护环境，用于防止腐蚀的阳极氧化化学品的处理是一项重大的额外成本。如上所述，制造过程漫长而复杂，其模具成本高。此外，增加功能的努力需要使用通过额外组装步骤应用的额外硬件。

新的铁路概念

基于在尺寸更小得多的移动玻璃天窗系统上天窗框架从铝到复合材料的其他成功转换，伟巴斯特的一个团队决定进行一项研究，看看卷帘天窗系统上更大的侧轨是否也可以转换为复合。 （前后横梁已经在此类系统上转换为复合材料——通常是玻璃纤维增​​强聚丙烯 (GR-PP)。）目标是增加功能、减少制造步骤、零件数量、成本和零件重量，但仍满足 OEM 性能要求。

该团队首先研究了导轨的功能和运行条件，并确定了导轨最关键的特性，即它们能够以相同的力沿着轨道路径从前到后和从左到右促进电动遮阳篷的平稳移动.为了实现这一点，轨道需要精确的几何形状和沿其整个长度的恒定横截面，可能大于一米。此外，导轨必须具有足够的结构，以提供与其他天窗/模块组件的安全连接，包括前后天窗横梁和车顶结构本身、电机机构、车顶玻璃和顶篷。为满足 OEM 要求，电动遮阳篷必须在低滑动噪音水平下运行，以降低机舱内部的噪音/振动/粗糙度 (NVH)。

对常用汽车复合材料的扫描很快就排除了那些具有热固性基质和偏爱热塑性塑料的材料。与热塑性复合材料相比，那些被热固性材料浸湿的材料往往密度更高，成型周期更慢，并且需要更多的成型后整理。此外，可重熔热塑性塑料在顶部和底部导轨之间提供了无粘合剂和无紧固件的组装选项，并极大地简化了报废回收。此外，热固性塑料引发了对可能的雾化和挥发性有机化合物 (VOC) 排放的担忧，欧盟对车辆内饰进行了严格监管。

由于 OEM 要求极其严格的尺寸控制——特别是为了避免翘曲，这会阻碍遮阳板的平稳运行——聚酰胺、聚丙烯 (PP) 和热塑性聚酯被淘汰。由于铝制导轨需要润滑脂才能实现遮阳功能的平稳运行，而且 Webasto 工程师还不确定复合导轨是否需要润滑剂，因此聚碳酸酯由于其耐化学性差和应力开裂倾向而被淘汰。由于天窗的 110°C 热要求，丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 被拒绝。

伟巴斯特团队此前曾将玻璃纤维增​​强苯乙烯马来酸酐/ABS（GR-SMA/ABS）用于活动玻璃天窗框架，因此将注意力集中在这种材料上，该材料已在汽车行业使用了数十年的仪表板基材。 GR-SMA/ABS 密度低、坚硬且坚固，在很宽的温度和湿度范围内具有极低的翘曲和低变形。因为它是无定形的，所以不用担心模具后结晶和收缩。此外，它可熔融再加工，焊接性好，其马来酸酐组分确保与各种基材的高粘合强度，包括用于将玻璃屋顶连接到天窗模块的聚氨酯结构粘合剂。

Webasto 求助于其 GR-SMA/ABS 树脂供应商 Polyscope Polymers BV（荷兰格伦），以推荐可行的牌号。 Polyscope 提供了两种可能性——15%-GR XIRAN SGH30EB 和 30%-GR XIRAN SGH60EB——然后在 Webasto 进行小规模实验室测试。 30%-GR 等级更硬，但不需要其更高的 E 模量来确保防晒霜的平稳运行。测试表明 15%-GR 等级将满足机械性能目标，因此团队选择使用这种材料，不仅用于左右侧轨，还用于前横梁。后横梁保持在GR-PP。

下一个决定是使用什么工艺来生产导轨。最初考虑采用型材挤压，因为它可以生产空心和实心形状，并且在功能上类似于用于生产铝型材的工艺。这也是一个连续过程，速度足以满足生产要求，但其工具成本相对较低。不幸的是，研究人员担心挤压不会从纤维增强树脂中产生足够光滑的内表面，使遮阳篷能够沿着轨道平稳安静地移动。此外，该过程将限制在整个轨道长度上更改轮廓几何形状的能力，以在后处理步骤中加入更多功能集成，而无需添加硬件（例如额外的销钉和夹子）。

考虑的另一个过程是注塑成型，它可以快速、精确地生产出非常复杂的 3D 结构，具有光滑的饰面和高度的美感，并具有出色的可重复性和再现性 (R&R)。此外，它还允许模制孔、切口、卡扣甚至夹子，从而减少二次加工。

对于目标应用，缺点是注塑成型无法在单个步骤中生产出中空结构（需要将每个导轨分为两部分进行成型，然后再连接。）此外，模具成本很高。

该团队决定采用注塑成型，目标是将多个部件集成到一个家庭工具中，以降低工具成本。

概念验证

随着基本概念看起来很有希望，开发团队扩展到包括 OEM Groupe Renault 和成型商 ARRK-Shapers（法国 La Séguinière）。目标是为 2016 款雷诺 Scenic（五座）和 Grand Scenic（七座）多用途车辆 (MPV) 上的固定式玻璃卷帘天窗模块设计复合导轨系统。团队决定将每条轨道设计为包括高度的功能集成，左右两侧的轨道之间具有镜像对称，并且设计能够同时容纳标准（轿车/轿车/五人座）和长（旅行车/庄园）汽车/七人座）车型。团队设计的各个方面现已获得三项专利。

为了保持模具成本可控，团队优化了模具设计，允许左右导轨的顶部和底部，前横梁，以及连接到后GR-PP横梁的三块粘合接口（单独成型）在每个循环中生产。另一个节省成本的步骤是 ARRK-Shapers 使用模块化块（插入/移除以运行长导轨和短导轨版本）而不是昂贵的工具滑块。为了在大型系列工具中成型所有八个 GR-SMA/ABS 部件，需要一台锁模力为 1,500 kN 的注塑机。上、下轨选用超声波焊接，设计制作专用装配夹具。

原型设计和测试阶段使团队能够完成轨道设计、预测生产挑战并确保零件通过雷诺的验证测试，其中包括：

• 10,000 个生命周期的耐久性测试。
• 在 -20°C 至 110°C 的温度范围内、95% 的相对湿度 (RH) 下进行三轴振动测试。
• 温度从 85°C 到 -20°C 再到 50°C，相对湿度为 95% 到 110°C。
• 粘接后的剥离强度和剪切强度。
• 雷诺 NVH 行驶噪声测试。
• 翻转“开瓶器”测试。
• 每次测试后在 23°C 下达到至少 75 毫米/秒的卷帘操作速度。

“将挤压铝制导轨转换为天窗卷帘上的塑料解决方案的想法是 Webasto 的一个想法，并且已经获得了很长时间的专利，”Webasto 研发、成本设计、工业专家 Jacques Vivien 解释说。 “然而，直到最近，还没有任何工程塑料能够满足这一功能的严格要求。”他提醒我们，候选塑料必须满足尺寸精度要求；随着时间的推移稳定性，对温度和湿度变化的抵抗力；保持刚度和滑动能力；表现出优异的粘合性；并做到所有这些并保持成本竞争力。 “我们对选择 Polyscope 的 XIRAN SGH30EB 感到非常满意，这使该项目对所有参与者都取得了圆满成功。”

超出预期

经过两年多的制造和销售，复合导轨的性能符合预期，并在层级、OEM 和客户级别看到了许多好处。例如，ARRK-Shapers 的巧妙工具大大降低了该程序的成本。 Webasto 使用的设计比传统的铝组件具有更大的功能集成，并且选择注塑成型以单次注射创建复杂的结构，消除了硬件和模具后精加工，也降低了成本。仅铁路生产就从七步减少到两步。

在雷诺的装配厂，新的天窗系统，包括卷帘，作为一体式装置完全组装并预先测试，通过机器人连接到车顶，省去了两到三个装配步骤，并允许重新分配操作员，从而降低成本和时间更远。据报道，最初的系统成本降低了 20% 左右，但新模块的零件较少，这预计将长期降低保修成本，正如雷诺所见的百万分率 (PPM) 缺陷和更高质量所表明的那样。新复合导轨的另一个好处是 Z 轴元件堆叠减少了>13 毫米，因为整个模块直接粘合到 BIW 上，而不是传统的两到三步工艺，在此过程中导轨用螺钉将其固定到 BIW，然后将模块固定到导轨上。这不仅为工人在装配线上提供了更多的工作空间，而且还为较高的车辆乘员提供了更多的头部空间。另一个微妙的改进是在遮阳操作期间降低了 NVH，以打开或关闭两种车型的巨大日光开口。与铝一样，复合材料导轨是完全可回收的，但最初生产它们和在车辆寿命结束时回收它们所需的能源更少，可以说，这也使它们对环境更好。 （有趣的是，该团队还发现复合导轨上不需要润滑剂即可实现可靠的遮阳操作。）

“当 Webasto France 的 Jacques Vivien 第一次告诉我他正在考虑用 SMA 复合材料替换天窗卷帘模块上的铝导轨时，我认为这可能有点挑战，但值得冒险，”Henri- Polyscope 的销售和业务发展经理 Paul Benichou。 “这一创新应用被证明是技术和工业上的成功，为供应商、雷诺和雷诺的客户带来了诸多好处。”