如果它能滚动，漂浮或飞行，轻量化是当今制造商面临的最大挑战之一。对新材料的推动正迫使各行各业的工程师探索具有成本效益的替代品，并开发新的组装工艺。

轻量化是汽车行业中的1号问题。工程师越来越多地采用体轻的材料，底盘，内部，动力列车和罩下的应用。

OEM和供应商正在争先恐后地争夺多材料车辆，这些车辆采用铝，碳纤维复合材料，高强度钢，镁，钛和各种类型的泡沫，塑料和橡胶。他们还探索竹子和肯塔夫等天然纤维。

急于减肥可能会让很多工程师睡不着觉。但是，这也使他们能够重新思考传统的装配工艺，并开发新的连接技术。

长期目标是降低整车重量，以提高燃油经济性，并满足日益增长的电动汽车平台不断发展的需求。通常情况下，汽车重量减少10%就能提高8%的燃油经济性。然而，最大的挑战是在满足日益严格的安全和性能标准的同时，以低成本有效地将不同的材料连接起来。

根据ASSEMBLY杂志2018年的报道职业调查，轻量级材料的兴趣在过去一年中飙升了11个百分点。近一半（48％）的受访者声称他们正在使用传统钢材以外的材料。

在这些组装商中，超过四分之三(82%)的人喜欢铝。其他需求的轻质材料包括塑料(53%)、碳纤维复合材料(29%)、高强度钢(29%)和镁(11%)。

最近由杜邦汽车赞助的汽车高管调查证实了这些结果。轻量化领域汽车制造商正在使用的策略列表，以满足改进车辆燃料经济性要求的要求。

杜邦性能材料公司北美汽车市场经理Brian Fish表示:“在受访者最关注的技术列表中，轻质结构材料的使用继续处于领先地位，以满足2025年CAFE(企业平均燃料经济性)标准。”

目前，备受争议的2025年CAFE标准正在审查中，该标准要求汽车制造商在2025年之前提供至少54.5英里/加仑的车辆。美国环境保护署(Environmental Protection Agency)和国家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration)即将进行的审查将确定该行业的技术准备情况和以可接受的成本实施标准的能力。

尽管许多观察人士预测，在特朗普政府的领导下，标准将变得不那么严格，但汽车制造商和供应商正在推进轻量化的努力。汽车电气化的新趋势推动了这一趋势，这种趋势需要轻质材料来抵消沉重的电池和其他新的高压元件。

Fish表示:“在汽车轻量化方面，动力系统仍然是最受关注的领域，底盘则远远排在第二位。”“然而，汽车内饰正逐渐成为轻量化的目标。

“OEM正在推出创造性的轻质解决方案来帮助区分车辆内饰，”鱼解释。“[目标是提高乘客安全和舒适，并通过在这些关键区域的新材料采用新材料来提高空间利用。”

成功的故事

近年来，汽车工业在轻质方面取得了巨大的进步。这是普通汽车等汽车制造商R＆D努力的重点。

“消除了物质的物质不需要性能，结合零件整合，产生的效益......包括更多内部空间和车辆内容，增加范围和增强的车辆性能，”全球车辆组件副总裁Ken Kelzer说和通用汽车的子系统。“它还为新功能铺平了道路......并提供[工程师]一个帆布，用于探索今天未见的设计和形状。

“自2016年以来，通用汽车推出了14种新车型号，总质量减少了超过5000磅，或每辆车超过350磅，”Kelzer。“大部分减重是材料和技术进步的结果。”

传统上，汽车行业的轻量化努力主要集中在小批量跑车或高端豪华轿车上。但是，最近的努力逐渐延伸到批量生产的车辆，比如皮卡。

福特汽车公司(Ford Motor Co.)在2014年推出全铝F-150时，为该行业设定了很高的标准。从那以后，福特的两个最大的竞争对手也推出了同样采用节省重量材料的皮卡。

今年早些时候，通用汽车推出了2019款雪佛兰Silverado 1500。通过大量使用混合材料，新卡车的重量比之前的车型轻，某些版本甚至轻到450磅。

通用汽车全尺寸卡车首席工程师蒂姆•赫里克表示:“新一代卡车广泛使用混合材料和先进的制造工艺，从而减轻了重量。这使我们能够使用合适的材料，优化每个部件的质量和耐用性，安全性和功能性满足我们客户的需求。”

身体比以前更轻的人88磅。所有外部摇摆板，如门，罩和后挡板，都是铝，而固定面板，如挡泥板，屋顶和床，是钢。底层安全笼使用七种不同等级的钢，每个钢都针对特定应用量身定制。

“完全盒装钢框架也比其前身轻88磅，同时提供10％的扭转刚度，”索赔。“八十百分之八架由高强度钢制厚度不同，厚度为2至5毫米。每毫米针对使用各种工艺进行优化，包括液压成形，滚动，常规冲压和量身卷起的消隐。“

此外，通用汽车工程师使用轻质材料设计2019年GMC Sierra Pickup。它具有碳纤维复合盒，比其钢前身更轻。而且，车辆使用铝，用于门，罩和后挡板，同时依靠高级钢，为其挡泥板和屋顶刮掉另外360磅。

FCA的工程师们也在忙着为该公司最受欢迎的车型之一进行轻量化。2019款道奇公羊1500皮卡的总重量减少了225磅。工程师们在卡车的车架上实现了大部分的减缩，车架由铝和高强度钢组合而成。

虽然所有这些减肥努力都令人印象深刻，但大多数专家表示，还有很多事情要做。

“许多容易摘到的水果已经被开发出来了，”明日轻量化创新(LIFT)的首席技术官Alan Taub说。LIFT是一家公私合作机构，致力于开发和部署先进的轻金属制造技术。“现在，所有的选择都在考虑之中。

“我不知道任何没有针对他们在开发的新模型上减少至少一个重量级的OEM，”Taub，之前在福特，通用汽车，通用电气的研发方面工作。“在接下来的二十年中，我们希望看到每辆新车辆和每个新组件的重量减少的增量改进。这是一个永无止境的战斗，每个部件都受到挑战。

“一个增加优先级的一个区域是电动车辆，”加入Taub。“除了电池单元外，工程师还专注于减少电池模块，传热系统和电动机的重量。”

钢的替代品

近年来最大的变化是先进的高强度钢被广泛使用，取代了传统的低碳钢。

Taub解释说:“由于高强度钢的强度更大，所以你可以把仪表做得更薄，从而减轻20%到25%的重量。”制造商现在可以以低于每磅1美元的平均成本做到这一点。

陶布指出:“铝可以更有效地减轻重量，可减少40%至50%。”“但是，减轻体重的代价更高。通常每磅可以节省1.75到2.25美元。”

这就是福特如何将其F-150皮卡车的重量减少超过700磅。工程师使用框架和铝中先进的高强度钢。

“尽管在过去的几年里，汽车行业的持续改进和进步，但仍然可以做得更好，”Kaiser Aluminum Corp.“汽车公司的工程技术副总裁Doug Richman做好努力减肥以满足负担能力和合作₂目标。

里奇曼说:“减重效果因车型大小而异，对大型车辆更有利。”“这也是在减少质量方面还可以做得更多的地方。然而，额外的轻量化努力取决于汽车制造商及其客户的需求。”

里奇曼表示，目前正在研究各种轻量化应用，包括引擎盖、挡泥板、碰撞管理系统和车身结构本身。目前，铝罩在北美生产的汽车中占50%，但预计到2025年，铝罩将增长到80%。

支持车辆的冲击和碰撞管理系统，这也在增长。行业趋势预测未来25年的身体结构和铝门的显着增长。

“为了进一步提高燃油经济性、电池续航里程、安全性和整体驾驶性能，汽车制造商不再默认使用单一的材料，”市场研究和咨询公司Ducker Worldwide LLC的汽车材料董事总经理阿比·亚伯拉罕(Abey Abraham)说。“相反，(他们)正在追求一种多材料设计方法，根据最佳应用选择最好的材料。这个设计评估是…推动铝在汽车行业的市场渗透。”

美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)汽车轻量化中心主任蒂姆·福克(Tim Foecke)博士补充说:“轻量化是一个持续的过程，但它已经取得了很大进展。”“在过去的十年中，先进的高强度钢和铝之间一直在竞争，以取代轻量化汽车车身中的低碳钢。每种材料都有自己的问题。

Foecke解释说:“从精确的模具设计角度来看，铝更贵，也更难以成形，因为这种模具可以补偿零件的弹性回弹。”“将铝制车身面板与钢铁汽车部件连接起来很棘手。焊接不太好，两种金属接触可能造成电偶腐蚀问题。然而，你可以在高温下超塑形成它，用更少的接头制造复杂的组件。

Foecke说:“先进的高强度钢在某种程度上更昂贵，在接近极限应变的制造过程中会出乎意料地失效，而低碳钢的行为则相当宽松，而且往往具有亚稳态微观组织，焊接会破坏。”“但是，它们非常坚固，制造商利用它们的高加工硬化率来制造性能最佳的部件。”

替代材料

虽然铝仍然是增长最快的轻质材料，但镁和碳纤维复合材料越来越受汽车工程师的流行。

镁比钢的75％，比铝轻33％。然而，镁成分目前仅占典型汽车重量的1％或33磅。大多数应用程序都被限制在昂贵的跑车上。

镁不广泛用于制造汽车零件，因为它是本质上的脆性金属，不知道可延展性。通常，材料形成在200至400℃的升高温度下。

“镁是最轻的结构金属，也是汽车制造中使用的最新材料之一，”美国能源部赞助的轻质材料研究联盟LightMAT的负责人达雷尔·赫林说。

Herling补充说:“在室内门梁等应用中，镁部件可以用螺栓或焊接到(其他组件)上。”“但是，如果连接区域暴露在湿气中，镁就会与大多数其他金属相互作用，导致腐蚀。”

碳纤维复合材料也慢慢地进入了越来越多的汽车。先进复合材料制造创新研究所的首席技术官Uday Vaidya说:“潜在的应用包括封闭面板和非关键结构，如座椅和仪表板。”发动机罩下组件更具挑战性，但可能的应用包括发动机支架、平底锅和发动机罩。

“我们正在学习的一个区域正在寻找加入复合材料和金属的新方法，”Vaidya解释道。“需要填补很多差距。我们正在研究联合设计和零件固化等事物。“

“用于汽车轻量化的聚合物复合材料落后于(铝和高强度钢)，主要是由于多种成本问题，”NIST的Foecke补充说。“与金属相比，复合材料零件的循环时间相当长，所以每小时生产相同数量的零件需要更多的设备。

“将聚合物与金属的紧固聚合物也非常棘手，因为聚合物的热膨胀系数是金属的20至25倍，并且关节随着温度变化的高度压力，”福克克指出。

“最后，将它们进入结构部件，预计会导致崩溃期间的能量吸收，您需要[仔细]理解它们的失败，”笔记Foecke。“聚合物复合材料基本上是脆性的，并且在碰撞中崩溃。预测他们的行为是非常困难的。“

加入突破

汽车工程师正在研究各种新技术，使不同的材料更容易连接。这些努力对未来的轻量化计划至关重要。

“很明显，前进的大部分车辆将是他们设计中的多层材料，”Kaiser铝制的Richman说。“独立于材料，加入过程在所有汽车应用中都是至关重要的，因为这些过程影响车辆耐用性;噪音，振动和严格的性能;处理;和碰撞能源管理。

“许多汽车体和结构是两种或多种材料的优化组合，”Richman解释道。“最常见的是具有铝封闭件的钢铁。随着车辆能源效率和有限公司的重点增加₂排放，OEM正在使用多重方法来实现大多数新的车辆设计，并将多重材料方法扩展到身体白色应用。“

LIFT公司的Taub补充道:“在钢与铝的焊接中，一个关键问题是会形成不良的金属间化合物，这会降低接头的机械强度。”“此外，零部件的处理和加工也存在一些挑战，如在焊接、电子喷涂或喷漆过程中清洗零件。其他连接方法也面临挑战，包括使用粘合剂的表面准备和使用铆钉的成本。”

许多装配设备供应商最近推出了一些产品，解决了一些轻量化材料的加入挑战。例如，Weber Screwdriving Systems Inc.的工程师开发了TSS技术。

TSS设计用于塑料和复合材料连接，可用于类似或不同的材料，在各种应用中，传统粘合剂或螺钉不能提供所需的强度和刚度。

在TSS连接过程中，塑料部件熔化，产生热粘合剂。它允许工程师将塑料老板放置在夹层结构中，该结构包括蜂窝或泡沫芯，具有外层的纤维增强塑料。

韦伯螺丝刀系统公司(Weber screw - driving Systems)区域销售总监汤姆•鲁居(Tom Rougeux)表示:“我们看到，紧固轻型材料的需求明显上升。”“TSS是专门为满足这一需求而开发的。

Rougeux解释道:“该技术主要通过转速、z轴速度、扭矩和深度梯度来控制紧固参数。“我们的C-50过程控制器通过闭环过程严格控制这些变量的变化率。”

另一个创新的装配过程是最近由美国化学委员会和密歇根州立大学的工程师开发的。他们创造了一个“可逆”的粘合过程。

可重复使用的多材料粘接材料，可提高车辆部件粘接强度40%。它可以在一分钟内涂抹和凝固，然后在另一分钟内熔化和移除。

密歇根州立大学复合材料车辆研究中心的工程教授Mahmoodul Haq说:“铁磁性纳米粒子电磁胶涉及到聚合物内部的纳米铁球。”“当交流电迅速改变磁场时，纳米粒子球就会振动。振动引起摩擦，导致聚合物温度在几秒钟内上升400到800华氏度。

“精确的熔化温度取决于所用粘合剂的类型，”哈克补充道。“但是，这个过程适用于大多数粘合剂和材料。”

美国化学理事会的技术顾问迈克·戴说:“粘结剂已被证明在连接不同的材料时有效，比如连接铝和钢，连接钢和复合材料。”“(可逆粘接过程不会)对任何复合纤维产生明显的损伤。令人惊讶的是，它甚至增加了整体的关节强度。

Day补充道:“这一过程背后的神奇之处在于，它最终将消除组装和维修过程中对许多物理紧固件的需求，如螺母、螺栓、夹子、夹子和卡扣，节省时间和重量，并提高汽车的燃油经济性。”

Day说:“这种粘合技术可以给汽车行业带来一场革命，通过粘合、分离和加强结构部件的能力，帮助我们降低重量，并彻底改变我们对关节疲劳的看法。”

“到目前为止，我们的大量工作的目标是身体和底盘结构应用，在那里使用轻质材料一直挑战，”日子说。“需要更多的开发工作，但该技术的短期应用可能包括粘性和前端模块。还有一些内部用途，特别是在必要的拆卸和修复的应用中。“