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行业分析

让我们携手共筑汽车复合材料未来!
来源:中国国际复材展组委会  (版权所有 未经许可不得转载)  2019-08-22 13:26:12
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-8568.html       Inovev,作为一个致力于推动全球汽车行业产业链发展的权威平台,目前正与项目主办方共同组织2019年中国国际复合材料工业技术展览会(9月3日至5日,上海)的汽车主题展台,其中包括占地面积240平方米的开放式创新体验区,一整天的创新技术研讨会和 超过350项创新汽车复合材料应用的创新数据库。 此外,Inovev还开展了多项与汽车行业复合材料开发相关的研究。

                    
                                               Michel Costes                                Jamel Taganze                                   孙若晗
                                                CEO,Inovev                                   副总裁, Inovev                           中国市场经理, Inovev

       近年来,汽车行业经历了几次革命:
        - 随着中国的崛起,全球汽车市场发生了变革。
        - 随着移动服务的蓬勃发展,移动消费的方式发生了革命。
        - 技术革命(电气化,连通性,自动驾驶汽车)。
        - 决策过程的革命(政府在这个层面起了不小的作用)。
       然而,汽车产品本身至今仍处于其突变的开始阶段。
       汽车仍然是一个四轮车,带有方向盘,座椅和发动机,在一个由塑料部件包围的钢箱内。但未来20年的汽车将发生巨大变化,复合材料行业将推动这些变化!复合材料的创新将解冻车辆的设计,生产和消费模式。
       本文件将介绍这些创新将如何促进汽车行业复合材料的发展。
       让我们携手共筑汽车未来!

       乍一看,自20世纪50年代以来,对比汽车和计算机技术发展似乎是并不在同一水平线上,因为汽车从外观上几乎没有变化,而计算机则经历了几次“耳目一新”的革命。
       第一台基于真空管的计算机占地约550平方米,重约50吨,每秒执行17000次操作。 今天的智能手机,重量不到200 grs,每秒执行5万亿次操作。 很明显,与60年前相比,计算机似乎已经往前迈进了一大步。
另一方面,汽车的整体外观在过去几十年中并没有像计算机那样大幅改变。 根据1935年雪铁龙负责人皮埃尔·布朗格(Pierre Boulanger)的定义,它仍然是伞下的四个轮子:“我想要一个简单的平台,有四个轮子,四个门,四个座位,所有这些都在这把伞下。 这种车辆必须能够运送4名农民,50公斤马铃薯,配有一些置物悬架,这种悬架能够在不破坏一个鸡蛋筐的情况下越过犁过的田地。
       如果我们从复合材料领域分析汽车行业的发展过程,我们可以看到,从20世纪50年代开始,复合材料已经被汽车工业所掌握和使用。 例如,雪佛兰Corvette是一款极具代表性的美国车型,这款车型的年生产量可达10,000个单位,该车壳是由聚酯/玻璃纤维复合材料制成的。 在欧洲,当时的颠覆性车型Citroën DS在复合材料(聚酯/玻璃)中采用了其他创新技术(液压气动悬架,盘式制动器,自适应大灯......)。 20世纪70年代,法国雷诺R5是一款年产量为60万辆的量产车,采用20公斤复合材料(聚酯/玻璃)设计,用于保险杠和侧面保护,总产量为12000吨/年。 而在20世纪80年代,雷诺也使用复合材料生产Espace的全身,这是一种以每年6万辆的速度生产的MPV车型。
       但这些表象是否反映了现实?
       我们可以说汽车发展得很慢吗?
       让我们看一看。
       事实上,在过去的三十年里,汽车发生了很大的变化。
       而且近年来,变化加快了:
       政府和非政府机构的环境压力日益增加。
       全新的交通方式出现了(例如共享汽车,电动滑板车和摩托车)。
       传统车辆(例如私人乘用车以及公共交通车辆)正在发生变化:更多的电动车辆,更多内部空间的新设计(例如SUV  - 运动型多用途车辆),连接性的增加,轻量化的设计,新型的小型( A-segment)电动汽车在中国的出现(更接近LSEV-低速电动汽车)。

       汽车市场的版图也在迅速扩张,从传统国家(欧洲,北美,日本和韩国)转向新兴国家,特别是中国,印度和东南亚。
       新的复合材料/工艺已经开始研发并积极扩大生产中,这导致汽车工业可用的竞争性复合材料/工艺数量激增。
       这些变化为复合材料在汽车制造中的应用提供了巨大的机遇。
       环境限制强烈煽动汽车制造商:
        - 减少热力车辆的重量,以减少消耗(因此减少二氧化碳),
        - 开发电池电动车(BEV),减重至关重要。
        此外,汽车的创新设计在欧洲和美国成熟市场与日俱增,在中国和印度等快速发展的国家也有很大市场。
       在本文中,我们将主要基于以下内容为大家提供一些思路:
        - 车辆数量和类型以及技术方面的全球汽车市场趋势。
        - 选择材料的方式以及复合材料与竞争对手材料的定位。
        - 复合材料的发展:材料/工艺的多样化,导致需要新的分类(ICCM)。
        - 汽车复合材料模块/零件成功开发的一些值得注意的例子。
        -  SWOT(优势劣势机会威胁)矩阵。
        - 深入了解将来会使用越来越多汽车复合材料的未来。
       在车辆数量和类型方面,全球汽车市场的趋势
       注:本文中有关汽车趋势的这一部分是建立在全面的Inovev汽车产销数据库(关注全球车型和引擎的大数据模型 - 始于1995年并从此不断更新完善)和 Inovev资深研究员的长期不断的研究报告(已发表2000多份分析报告)的基础之上。
汽车行业正在以非常高的速度发展,各地区和国家之间存在巨大差异。
       自2008  -  2009年金融危机以来,全球车辆需求连续不断增加。
       尽管2018年乘用车和轻型多用途车的产量稳定(2017年为-1%,原因是中国经济增长放缓),预计2020  -  2021年全球汽车市场将达到1亿辆 (见下文图1)。
 

图1:PC + LUV车辆的全球生产和销售
(乘用车和轻型多功能车)2005-2018
 
       然而,这种全球增长的背后存在着制造国之间的不同差异。
       虽然美国和欧洲等传统制造国显示出扁平化的生产演变特征(2018年欧洲和美国的产量与2005年基本持平),但中国产量已从2005年的500万辆飙升至2017年的3000万辆,这个数字约占同期欧洲和美国汽车产量的总和。
       然而,自2005年以来,中国产量首次与2017年相比减少,从2017年的3000万辆减少到2800万辆。 从Inovev的观点来看,这种趋势似乎是暂时的,市场的上涨应该在未来几年恢复。
 

图2:按国家/地区划分的全球PC + LUV生产量
       在欧盟29个国家中,未来几年的汽车产量将继续保持平稳(约为1,800万辆),甚至可能会减少(特别是在英国脱欧导致困难的情况下)。
       在美国,汽车生产和销售的发展也将保持平稳:生产方面估计约为1100万辆每年,销售额约为1700万辆每年。
       尽管美国政府宣布增加本土产量,但到目前为止还没有出现任何市场效果。
       在中国,如上所述,未来几年的生产和销售将继续增长。

       但是,如果我们从技术控制角度来看生产,那么分析是不同的。 自2008年危机以来,汽车设计和生产份额大多数都被亚洲和欧洲汽车相关企业所控制。

       在设计方面,中国和欧洲的车辆有很大的相似之处,而北美的车辆却截然不同。
       虽然欧洲和中国市场更多关注轿车和SUV方面,但过去几年SUV的增长强劲,美国市场的中坚力量集中在SUV,轿车和皮卡三者之间(见图3)。
 
图3:2018年中国、欧洲和美国的生产量,按车辆类型分类(PC + LUV)

       在技术方面,全球汽车市场的趋势
       技术发展受到两个主要变化因素的推动:
       - 世界各国的使用需求变化,但国家之间存在一些巨大差异:电动交通,车辆共享,交通的连接性,自动驾驶......
       - 寻求更好的空气,导致与污染物(主要是NOx和颗粒物,但越来越多地涉及其他污染物)有关的限制,同时,大多数国家的政策减少二氧化碳增长被认为是主要的温室效应和气候变化的基础因素(巴黎协议)。
       这两个因素密切相关,电动汽车的发展让我们拥有良好的空气质量,但也是寻求降低噪音和提高驾驶舒适度的解决方案。

       二氧化碳排放量的演变
       二氧化碳主要产生于人类活动和自然活动。 来自大自然的二氧化碳排放量相对平均稳定,而人类活动造成的二氧化碳排放量与日俱增。 下图显示了6个主要排放国家的二氧化碳排放量。 请特别关注其中中国的“崛起”(见图4)。






       但是,此图表必须结合另外两个视角一起观察:
       - 人均二氧化碳排放量。
       美国是人均污染最严重的国家,远远领先于欧洲和日本。
       中国二氧化碳排放的主要原因之一是出口到全世界的产业。

 

 
图5:2016年全球累计与人均二氧化碳排放量(来源:Our World in Data)


       - 运输在二氧化碳排放中的份额。
       二氧化碳运输的份额在很大程度上取决于国家。
       在中国,它只有10%左右(根据清华大学的研究),因为其他二氧化碳来源,特别是工业来源非常大。
       在欧洲和美国,这一比例约为30%,因为法国的工业污染较少甚至更多,其中75%的电力是核电。
       应注意,电动车辆的开发在使用核能和可再生能源的国家中是减少车辆二氧化碳排放的好方法,但在从煤/燃料发电厂制造电力的国家中并不是有效的方式。
       在这些国家,通过例如混合(取决于行程类型)/减轻重量/提高发动机效率以及使用更多柴油来降低热车的消耗效率要高得多。 目前柴油车辆的减少导致运输中CO2的数量增加。

       非二氧化碳污染物演变
       非二氧化碳污染物主要是氮氧化物和颗粒物。 它们与车辆的消耗密切相关。 但是它们可能会被过滤,但成本相对较高。 与二氧化碳相反,它们对人类是有害的。
       电池电动车是消除它们的一种非常好的方法,因为这些车辆只排出少量污染物(例如刹车和轮胎中的颗粒物)。

       电动车
       电动车(xEV)分为四类:
       - 电动汽车(BEV),100%电动,没有任何其他电源。
这些车辆的主要缺点是它们的价格较高(主要是由于电池的成本)和它们有限的驾控距离(250公里到400公里)。 这些缺点会随着时间的推移而减少。
       - 混合动力电动汽车(HEV),具有2种能源:一种是热能,一种是电能。 但电力仅由热力发动机制造。 这种电动汽车适合城市旅行。
       - 插电式混合动力汽车(PHEV)。 这些车辆很昂贵并且限于高档车辆。 它们只占很小的市场份额。
       - 燃料电池电动车(FCEV)。 这项技术很有前途,但市场发展具有挑战性,因为它必须满足H2加油站的需求。
       电动汽车的发展因地区而异,如下列图表中高亮部分所示(见图6)。
 

图6: 各国电动汽车销售情况


       中国一直专注并致力于发展BEV(电动汽车)并且目前已成为这类车辆无可匹敌的领导者。 BEV的发展受到中央政府的强烈推动。 中国在2018年生产的欧洲BEV数量超过3.5倍,是美国的2倍多。
       这种增长将在未来几年继续。 截至2019年,中国政府对在中国运营的主机厂征收配额。他们的销售额必须至少达到:2019年新能源汽车10%,2020年12%,2025年20%,2030年30%。
       这项政策导致的直接结果是开发了大量全新的电动车型。 例如,2018年实际生产50多种新车型,2018年北京车展上则展出了174款未来可期的新型汽车产品。


       美国直到最近才专注于混合动力汽车(HEV)。 但由于特斯拉Model 3的成功,它们在2018年超过了欧洲BEV的产量。
特斯拉目前是BEV的全球领导者,其产量为205,000 辆,领先雷诺 - 日产、先前的领先者(189,000辆)和2家中国公司(比亚迪和吉利)。 BEV在美国的商业模式与中国的商业模式截然不同。 美国的电动汽车市场是基于一家独大的公司-特斯拉-发展的。 随着新欧洲和中国车型的竞争日益激烈,特斯拉的未来仍然不确定。

       日本已经选择开发并拓展其混合动力车(主要是丰田混合动力车)的销售,他们相信燃料电池汽车(FCEV)的开发将有突破性的进展。 然而,丰田在近期宣布的关于未来电动汽车发展的声明中表示,FCEV可能不是中期可以满足大市场需求的正确技术。

       通过雷诺 - 日产集团的发展,欧洲过去一直是BEV的全球领导者。然而现在它落后于中国和美国。这其中的原因有多种:
       - 欧洲层面没有强有力的战略/政策。各国分裂,难以建设和领导大项目。
       - 没有制定“独角兽”公司的政策(初创公司在其活动领域成为全球领导者的特定培养政策 )。
       - “柴油门”削弱了欧洲汽车制造商的力量,这些汽车制造商不得不将其生产的大部分份额从柴油转为汽油,而且还要应付那些赔偿金诉讼。
       因此,到目前为止,欧洲还未就电池计划做出任何战略部署,主机厂的策略是以从亚洲生产商那里购买电池的方式,尽可能降低成本。然而,欧洲的巨头们可能会被唤醒,一系列的计划正在酝酿过程中。
许多欧洲主机厂已宣布在未来几年推出众多新型BEV车型,同时也旨在保持其在中国的竞争力。

       选择材料的方式以及复合材料与竞争对手材料的定位。

       汽车制造的材料选择源于不同标准的权衡:
       阻力(机械:静态和动态),塑形能力,防腐蚀,涂漆的可能性,将不同材料部件组装在一起的能力,重量......和生产成本。
       目前的趋势是“在正确的地方使用正确的材料”,这让我们看到市场上出现了越来越多由多种材料组合而成的零部件。
许多材料都可以应用在汽车零部件上,这因此也导致了汽车设计/工程方面的竞争:钢(性能可靠、耐冲击),铝,塑料(增强型,即复合材料,或其他),......
       汽车工业中复合材料的通常含义主要是“增强性能塑料”,即使也存在金属复合材料和陶瓷复合材料,但这两个系列都主要用于动力发动机的小部件。
       在大多数应用中,我们关注增强的性能是机械性能,但也可能是泡沫性能、尺寸稳定性、磨损等其他性质。
       增强的性能通常通过聚合物树脂与其他材料的组合获得,最常见的是玻璃或碳:GFRP(玻璃纤维增强塑料)或CFRP(碳纤维增强塑料)。 许多其他材料可以使用,如玄武岩,云母,特定滑石,聚合物,不同性质的纳米粒子等...

       复合材料在汽车制造中的主要用途是:
       - 结构部件,其良好的机械性能与低密度的结合是非常难得的。
       - 不易成型的部件,其他材料难以获得形状。
       - 装饰部件(主要是表面上可见碳的CFRP部件)。

        许多汽车零部件都可以选择复合材料制造,例如车身框架、后挡板、车轮备用托盘、门框、弹簧、地板、底板、电池托盘......此外,许多创新零部件也正在研发过程中。 Inovev将超过350件优秀的汽车复合材料创新项目引入Inovev互联网创新平台(I3P复合材料平台),为汽车行业的从业者提供更多全球前沿的创新信息。

       复合材料的发展:材料/工艺的多样化,导致需要新的分类(ICCM)

       几年前,复合材料/工艺的全景很简单:
       一小部分用于试验生产系列(输液,手糊,高压釜......)的工艺和少量用于规模生产(主要是SMC和BMC以及中间RTM)的工艺。 树脂几乎都是热固性的,主要是不饱和聚酯/乙烯基酯和环氧树脂。
        近年来,新工艺/材料的开发在汽车工业中蓬勃发展,其主要目的是以尽可能低的成本获得更高水平的性能,特别是对于中等规模和大批量规模生产的应用。 面对这种蓬勃发展,为了更方便地分析市场的性质和潜力,Inovev原创了一种复合材料分类方式:Inovev复合材料的分类方式(the Inovev Classification of Composite Materials),亦或简称ICCM方式(见图7)。
        我们通过ICCM - Inovev复合材料的分类方式能够识别原材料,中间产品和最终转化过程的多样性,这些过程可用于生产零部件:
       - 原材料的多样性可分为两大类:
       o纤维,有6种主要材料(碳,玻璃,玄武岩,滑石,芳纶,天然)和许多形状/形式(短切纤维,长切纤维,连续纤维,纺织品/织物),
       o树脂可主要分为2大类(热固性和热塑性)和6种主要树脂类型:其中三种属于热固性树脂(环氧树脂,酚醛树脂和UPE /乙烯基酯)和三种属于热塑性树脂(聚丙烯,聚酰胺和丙烯酸树脂)。
      - 中间产品的多样性,例如从颗粒到织物/纺织品,通过UD胶带,预浸料或SMC坯料。
      - 以及多种最终转化过程,包括三个主要系列:压缩(SMC,LCM / WCM,......),注射(RTM,BMC,RRIM,输液和颗粒......)和固化(烘烤)。
 

图7: Inovev复合材料的分类方式 (ICCM)
 
       Inovev复合材料的分类方式 (ICCM)用于I3P复合材料数据库中,以更好地识别创新项目的材料/工艺。

       一些值得注意的成功开发汽车复合模块/零件的例子。

       Inovev不断开展与汽车技术相关的研究,并在此范围内:
       - 确定最具创新性的汽车复合材料零件,
       - 分析他们的设计原理和他们的设计方式。

       Inovev分析汽车零部件并将它们输入到I3P复合材料数据库中,以便平台使用者可以根据需要找到它们并将每个部分与其他部分进行比较。 Inovev与汽车复合材料供应链的主要参与者保持密切的联系,支持在线推广复合材料零件(I3P复合材料数据库)和“实体活动”(正如每年9月在上海举办的中国国际复合材料工业技术展览会 )。

       通过这些研究,Inovev确定了复合材料在汽车制造中成功应用的四个主要领域:结构件,电动汽车部件(在某些情况下也可以是结构件),开放式部件和设备部件。

       在本篇短评中,我们无法将优秀零部件一一举例并介绍。因此,我们将集中注意以下示例:
       - 由福伊特开发的CFRP奥迪A8后壁。
       - 佛吉亚开发的电池组。
       - 通过奥迪,弗劳恩霍夫信息通信技术公司和德国工业的其他几家公司的合作开发的BEV(SMILE项目)的全面版。
       - 分别采用Arkema和IRT M2P支撑的门内板。
       - 由法雷奥开发的有机薄膜垫。

       CFRP中的奥迪A8后壁
       新款奥迪A8于2018年上市。为了减轻汽车的重量,奥迪与福伊特公司密切合作,开发了一个完整的后壁板块。该零部件包括两个部分,后部车架座椅和后托盘。 该部件使用6至19个碳纤维层,通过自动化直接纤维铺设工艺将各个方向一个堆叠在一起。 强大且连接的制造工艺(包括超RTM技术)可实现低模具压力和快速循环时间。 经济高效的复合材料解决方案将碳纤维与环氧树脂和粘合剂相结合。
 

图8:福伊特的奥迪A8后壁

       佛吉亚电池组
       佛吉亚全电池外壳为BEV和PHEV提供优化的包装解决方案,以寻求减轻重量和提高容量的性能。它由3个不同的复合材料部件组成,另外还有一个可能的热系统功能集成:
       •复合(SMC)上壳体。
       SMC的上部外壳提供具有自适应厚度的结构性能,以改善重量和外观。该组件具有用于电磁屏蔽的附加层。
       •复合结构底壳(SMC)。
       复合底板可确保所需的机械和包装性能。
       •结构复合(RTM)防滑板。
       根据碰撞和道路碎片冲击要求,RTM中的附加结构复合材料车辆底部保护可确保额外的有效水平。
       •热系统功能集成。
       这个部分可将热层与铝层一起集成在基座中:该系统确保电池的高导电性和与外部环境的良好隔热。
 
图9: 佛吉亚电池组


       BEV(SMILE项目)的多层设计全面板
       公共资助的研究项目SMiLE“用于电动汽车的系统集成多材料轻量化设计”使用智能FRP金属多材料设计,诠释了高效轻质结构的详细理解。
       这个项目的一个主要研究重点是在汽车系列生产中将纤维复合材料用于复杂的三维结构部件。
       该项目涉及纤维增强塑料(FRP)部件,包括热塑性塑料和热固性基体。 半成品连续纤维增强热塑性产品的加工与长纤维增强热塑性(LFT)压缩成型相结合,而压力控制树脂传递模塑(PC-RTM)用于生产CFRP组件 基于热固性基体系统。

 


图10: SMiLE项目
 
       在Arkema和IRT M2P化学公司的支持下开发的门内板正在大力开发高性能树脂,以应对车辆重量减轻的挑战。
       例如,阿科玛开发了一种名为“Elium”的创新液体热塑性树脂,由于其低粘度,可以提高复合材料部件的机械性能和冲击性能,并提高生产效率,从而实现纤维的高效浸渍。该树脂已应用于使用IDI Composites(法国)开发的碳纤维门内板示范件,并采用压缩工艺生产。
       在这方面,技术中心不断开发新的研究,特别是提高工艺性能和零件表征。 。
       下图(图11)展示了由IRT M2P生产的门内板,该部件采用全自动工艺,使用机器人SMC坯料装载和部件脱模。该工艺的时间周期约为3分钟,与大型生产率应用兼容。
 

图11: 阿科玛与IRT M2P复合材料部件


       法雷奥的包覆成型有机薄膜垫
       汽车供应商法雷奥为戴姆勒GLE / GLS平台的前端摇枕开发了汽车市场上第一个批量生产的玻璃纤维复合材料结构件。 该工艺将玻璃复合材料插件(直接称为“有机板”),直接在注塑工具内部,结果是一步成形部件,能够以大批量生产以满足客户的年产量。 与金属相比,这种创新的解决方案可节省30%的重量。
 

图12: 法雷奥的包覆成型有机薄膜垫


       应用更多复合材料部件以提高高质量汽车终端市场销售量的方法

       复合材料具有许多特性,可以更广泛地用于汽车制造。
       这些雄心勃勃的研究和开发计划在过去几年中得到了发展,并且随着新材料和工艺的发展,复合材料正以飞快的速度进入全新的应用领域。
       然而,汽车制造商期望复合材料行业降低中等批量/规模生产的成本,并使技术适应新零件的制造,主要用于电动汽车部件。
       为了降低中等批量/规模生产的成本,复合材料行业开发的当前研发项目涉及链条的4个步骤:
       - 步骤1:材料(纤维和树脂)。
       - 步骤2:中间材料。如何改善浸渍,混合材料的开发,特别是结构部件(有机-有机;有机 - 金属)和自动化制造中间材料的方法(胶带放置,打桩坯料,UD胶带,纤维缠绕,拉挤成型......) 。
       - 步骤3:更好地控制最终工艺和联合模塑。
       - 步骤4:从设计适应复合材料到其组装的部件(有机 - 有机 - 有机 - 金属)。
       研发项目也为自动化,特别是中间产品制造的自动化(步骤3)以及从中间产品到最终转换过程(步骤3到步骤4)的转移自动化提供了很大的空间。

       SWOT 分析

       结论
       全球汽车行业在欧洲,日本和中国都面临着同样的挑战(目前美国的地位尚未确定):构建外观漂亮的汽车越来越多,不会过多增加重量(甚至可以一步步减轻汽车的重量)。
       减轻重量是大幅降低热机车汽车污染的有效方法,因为所有排放都与汽车的重量有关。
       对于需要更换电池额外重量的电动汽车而言,它也是有效的。
材料的选择有助于减轻汽车的重量,从而有助于其生态足迹。然而,材料之间的竞争非常激烈。但复合材料具有非常有趣的定位,因为它们具有低密度和高机械特性。
       此外,复合材料能够设计难以用其他材料获得的形状,并且可以通过合理的投资来制造。
       复合材料在汽车制造中占据重要地位,主要用于尾门,后地板,车身壳体,底盘和发动机罩部件,甚至内饰部件。
       复合材料具有很大的进步潜力,我们应该为新的应用和更频繁的使用频率铺平道路。一大批优秀的研发计划正在奔向我们的路上。

       显然市场的变化(当前和未来 - 中国等新市场,SUV和XEV等新型车辆,减轻热力车辆......)为复合材料行业带来了巨大的机遇,并为全球汽车制造业更广泛地使用复合材料铺平了道路。

       如需获得更多信息:
       www.inovev.com
       automotivecomposites@inovev.com


 
 
 
 
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-8568.html