从椰子壳到3D打印 新材料新工艺涌入汽车领域

福特公司采用3D打印方法研制的模拟生物过程的泡沫

在最近举行的2016年纽约国际车展上，各大汽车展商为人们献上了一场丰富的视觉和思想盛宴，挑战了人们对高速度和高科技的想象力，也展示了汽车工业未来的发展趋势。

美国趣味科学网站在日前的报道中，列举了如下三大趋势：更轻质的碳纤维复合材料广泛应用于汽车的多个零部件；3D打印技术为汽车工业添砖加瓦；一大批新型材料汹涌袭来。

　　

碳纤维复合材料：无所不在

从特斯拉到谷歌，从福特到丰田，在过去一年间，汽车制造商们通过各种技术和思想创新，盘踞了报纸的头条位置：有些制造商致力于让自动驾驶汽车走进现实生活，有些制造商则通过新型轻质气电混合车让混合动力汽车渐入佳境。即便在低端市场，自动停车和车道偏移警示系统目前都已成为很多高销量车型的标准配置。

但在这一片花团锦簇、歌舞升平中，现代汽车使用的新型材料被忽略了，其中声名最显赫的当属超坚固的碳纤维复合材料。的确，高性能汽车，不管是赛车、超级跑车还是马力增强了的家用车，为了获得最高的速度和加速度，都需要降低重量。

去年，汽车厂商纷纷在超级跑车中使用碳复合零件，主要目的是为了让汽车更轻，外观更靓丽，这一点也得益于碳复合材料本身极富吸引力的外表。今年，这一点也很明显。比如，瑞典超级跑车制造商科尼塞格（Koenigsegg）综合最大功率达1500马力的首款混合动力车型Regera，其车轮就由碳纤维复合材料制成。与目前很多高端汽车轮胎使用的轻质镁合金相比，碳纤维复合轮胎重量更轻。对操控汽车来说，减少轮胎重量比减少车体质量的影响更大。更轻质的车轮能更好地贴近路面，产生更好的抓力。在未来的车型中，越来越多汽车制造商将在超级跑车上使用复合材料，并最终过渡到大规模制造的车型上。

在去年的车展上，碳纤维零件已有不少：后视镜外壳、前后扩散器、内部装饰件、导流板等。但在今年的车展上，大量汽车开始在其车身面板或底盘上使用碳复合材料，包括讴歌NSX（AcuraNSX）超级跑车、FordGT和宝马i8的车体都是完全由碳纤维复合材料制成。另外，电动汽车为了增加每次充电后的驾驶里程，也迫切需要降低车的重量，因此，包括宝马i8或特斯拉ModelS在内的高端电动汽车可能很快也会采用碳纤维复合材料制造的车胎。

另一个少人问津的碳纤维复合材料应用领域是储氢装置，例如丰田Mirai燃料电池汽车用的氢罐。碳纤维复合材料氢罐通过在一根管子周围包裹碳纤维制成，其能承受更高的压力，因此能存储更多氢气，从而能提高汽车的行驶里程数。

　　

3D打印革新：一切皆有可能

目前，传统制造方法一般用于制造批量生产的零件，拥有非常复杂结构的零件很难用此类方法制造。

但最近，科学家们在3D打印领域取得的进步消除了一些制造更复杂零件的壁垒，比如，这一技术可用来制造受生物过程启发的结构，而采用其他制造方法无法做到这一点。因此，借助3D打印技术，我们能大批量制造出结构复杂的精密零件。

在2016年纽约国际车展上，福特公司展示了其用3D打印机制造出来的复杂泡沫结构，传统方法无法大规模制造出如此完全一样的泡沫，因为每个泡沫结构都由成千上万个小泡组成。福特还展示了很多3D打印模型，例如进气管、横拉杆等。此外，3D打印也使快速制模成为可能，用3D打印方法制造出的模具可用于传统的设备制造中。

对于产量少的汽车来说，采用3D打印方法打印出可直接使用的零件尤其有用，因为此类汽车的主要成本是设计和原型开发，借助3D打印技术，可大大降低此类过程的成本。现在，包括专门制造飞机发动机零件的通用电气航空部和专门生产浴室水龙头的美国标准公司在内的多家公司，都在借助3D打印技术。

未来材料：“不起眼”到受青睐

除此之外，在2016年纽约国际车展上，很多汽车制造商开始使用一些“不起眼”的材料，如天然纤维和可再生材料等。业内人士称，用玉米壳、洋麻、大麻类植物、椰子壳以及棉丝等天然纤维制造的复合材料很有可能成为未来的汽车用复合材料。

尽管此类复合材料可能看起来平淡无奇，没有什么“未来主义”的光环，但其实，与高强度的碳纤维复合材料相比，其量产和应用面临着更大的技术挑战。另外，这些天然材料不容易与塑料结合，这使两者的混合变得困难且使零件的强度降低。

在今年的车展上，福特公司在天然复合材料和可回收复合材料的研制方面取得了巨大成功，一些由这些材料制造的零件已经进入最终制造阶段。比如，用洋麻纤维复合材料取代福特翼虎传统的注射成型塑料内模板可节省大约30万磅油基材料，并将零件的重量降低25%。更特别的是，福特公司目前甚至在尝试使用废弃的美国钞票来制造复合材料。

拥有天然纤维增强的复合材料除了隔热和隔音效果更好外，还能降低汽车的质量，耐磨损性能更强。此外，使用这些材料对环境的好处也很多：这些材料本身具有可再生性，而且它们也能减少用于制造塑料的石油消耗


来源：科技日报