電動車以塑代鋼 追求輕量化與一體成型 - 機械技術雜誌專訪

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電動車以塑代鋼 追求輕量化與一體成型    陳念舜 第302期 2010/4/8

分居台灣機械業出口前2位的工具機、塑橡膠機械繼早期塑橡膠工 業外移,逐步被大陸廠商後來居上,在如今「綠色革命」時代,則可望以塑代鋼,藉由電動車作為整合平台,掌握自身ICT產業優勢,搶食電動車市場商機,同步 推升兩者進一步成長!

上世紀末中國大陸崛起,磁吸各國製造業絡繹前往當地設廠,奠定「世界工廠」的地位後,幾乎在一定程度上複製台灣60年 代經濟起飛的成功經驗:先是從沿海地區致富,再逐漸往內陸延伸,包括與民生工業、輕工業息息相關的塑橡膠工業也因此蒸蒸日上。

大陸轉型世界市場 台廠躍進電動車藍海


2008年 金融海嘯期間,各國為振興經濟而刺激內需,大陸一波波家電、汽車、建材下鄉政策出台,進而促使當地塑橡膠、汽車業等產值先後超越歐美日,轉型成為「世界市 場」已是大勢所趨。
 
對於台灣中下游塑橡膠機械、汽車OEM/AM零組件加工產業而言,過去為了開拓市場、貼近客戶所 需,台商前仆後繼、勇於外移。然而,到了繼18世紀工業革命、20世紀資訊革命後興起的「綠能革命(Green Energy Revolution)」時代,台灣機械業除了以往受惠於台商,讓工具機、塑橡膠機械得以長期分居出口一、二位外,目前則對兩岸積極洽簽的ECFA協議望眼欲穿,期盼投入眼前龐大的分工/代工 紅海,卻忽略台廠其實除可利用現有ICT產業全球首屈一指的實力,進入車載電子、電池、馬達、動力 模組等核心。
 
與歐美日大廠多年合作累積的完整汽車產業價值鏈,培養出彈性化生產、差異化設計,開發能力、製造品質也頗為穩定,若再加上外銷競爭力強的配套廠商,將可帶 頭爭取大陸市場、乃至於全球各款HEV、EV、PHEV等新世代電動車商機。向來被稱為夕陽傳統產業的塑橡膠業者,也能憑藉30年加工改質與先進模具的經驗,在電動車業的藍海裡分一杯羹。


拓展企業觸角 提升塑橡膠業競爭力

身兼先進成型技術學會(Society of Advanced Molding Technology,SMAT)創會理事、同時也是模仁精密公司董事總經理徐昌煜認為,即使面對中國大陸塑橡膠工業崛起,被包括印 度、俄羅斯等新興市場視為心腹大患,未來兩岸之間仍將會以合作的可能性相對多於競爭。
 
尤其是在3C、汽車工業的產業鏈裡,台廠因為向來以分工體系精細,已形成產業群聚著稱,而幾乎不 發展自有品牌;大陸廠商則因為內需市場廣大,可與歐美汽車大廠於國內外品牌市場競逐,2009年當 地汽車銷量甚至超越德、美,突破1,000萬輛以上,既無力、也無意跟隨分工精細的中小企業模式, 反而將OEM代工及AM零組件訂單,放心交 給已有多年服務國外汽車大廠經驗的台灣廠商。
 
不過,大陸或越南、泰國等新的生產基地成型,加工技術、產品良率提升,仍可能隨時以低價搶單,與過去塑橡膠機械、模具業者當時為了貼近市場、降低人力、原 物料成本而西進,最後仍逐漸被大陸廠商所取代的情形如出一轍。即便是港商震雄集團(Chen Hsong Group)主席蔣震也坦言,現在單純生產塑橡膠加工機械,早已難以與大陸第一大的海天國際(Haitan) 公司競爭,除非能開發具有一定技術門檻或更大型的機組,擴充產品種類與生產線,才可有效提升競爭力。


F-16座艙罩塑膠射出成型 縮短80倍製造時間


2010年3月Taipei Plas(台北國際塑膠展)兩岸論 壇中展示美軍F-16採用的座艙罩,便是利用PC(Polycarbonate;聚碳酸酯)材料經「高低模溫變換(High/Low Mold Temperature Alternation)」射出成型而來,因此得以快速成型,將原先傳統製程加上金屬框架需耗時5天完成的工作時間,縮短為1.5hr,且由於一體成 型,速度整整快了80倍。
 
他指出,座艙罩厚薄處從19mm~51mm不等,而塑流慣於流向厚處,若填充模式不對就可能產生 熔接線(Weld Line)、積風(Air Trap)、 殘應力等瑕疵,在戰機接戰時容易因視線不清而誤判,或縮短座艙罩壽命。率領的技術團隊經過多次CAE軟 體分析,並採低壓低速射出成型,減少釋放的彈性應力後,才得以延長產品壽命,具有一定的技術門檻;未來甚至可望取代部份車窗、建築玻璃,市場潛力無窮。
 
徐昌煜強調,該PC成型技術最早發表於1987年 「美國芝加哥NPE橡塑膠展」,多年來因為技術成本門檻較高而未獲重視。雖然在初期開發第一副模 具,搭配射出成型機後形成的「製造單元」成本也許較高,但因有別於既往,改將模具當作核心,待確認產品、模具設計無誤後,再加入特製射出機和週邊設備,以 免PC在一般射出機料管中停留1hr以上, 早就裂解、變黃,無從取代透明玻璃,而且是真正可高效量產者,只要達成一定的量產規模後,成本自然能逐步降低(圖1)。上述F-16座艙罩過去以熱押成型的成本 至少約U.S.20,000元左右,利用射出則僅需US. 2,000 ,且試量產的200餘件無一廢品!

車用塑件歷史久遠 待擴充於電動車比例

針對一般大眾可能憂心車用塑件的環保與安全問題,台灣區石化工業公會總幹事謝俊雄在第二屆「兩岸塑料行業合作與發展論壇」裡即表示:「現今塑膠製品早已大 量應用於傳統汽柴油車輛,幾乎佔全車1/4比重。」前國瑞汽車副總經理王派榮亦指出:「目前TOYOTA早在車輛設計開發階段就已加入綠色設計概念,甚至建立起一支300多人的團隊專門研發非金屬材料,包括以熱塑性塑膠取代過去含鹵素者。」
 
但大部份傳統汽、柴油車用塑膠零組件,現仍僅侷限於外裝件與內裝件兩部份。塑膠中心驗證技術部驗證業務組組長王正利表示,其中外裝件包括保險桿、鼻頭、前 欄、葉子板、前後車燈、輪圈蓋、內龜板、引擎蓋等部位,內裝件則有儀表板、扶手、飾板與皮革等產品,常用的塑膠材料共有PP、ABS、PVC、PU、PBT、PC等。 塑膠中心早在1993年成立伊始,便為台灣OEM車 廠與AM零組件廠提供檢驗、驗證服務,1997年 進而提供台灣車輛零組件產品美國CAPA與AQRP、 英國THATCHAM等國際驗證,以有效增加出口產品品質與競爭力。

塑模一體化成型 有效縮減輕量化成本


多年來從事複合材料開發、應用的技隆科技總經理吳嘉漢則認為,現在連最高等級的F1賽車都能用碳 纖維(Carbon Fibers)製造了,遑論是一般大眾搭乘的電動車。未來該產業若持續朝向輕 量化發展,想以鋁鎂合金打造車身與骨架、零組件,難度、成本均高,至今也只有BMW、Audi等歐系大廠曾經發表此類產品。與鋁鎂合金相比,PC材 料因為強度高,且僅需加熱達200℃就可熔融,更適於成型量產。
 
負責台灣電動車專用輕量化底盤設計的金屬工業中心金屬製程研發處處長黃士宗不諱言,雖然國內外要成功推廣電動車產業最重要的利基型產品,不外乎路線、數量 皆固定,方便試運行的電動巴士。
 
然而,目前包括台北市政府預計在花博會期間行駛的50部油電混合動力車,都必須從大陸進口,主因 是囿於過去台灣車廠往往只是從國外進口底盤後,再自行銲接車廂與骨架出貨,所以極度欠缺自製能力;再加上估計相關上百個零組件,光是開新模的成本就近10億,還要能通過嚴格安規,導致廠商裹足不前。未來除了有待電池、馬達模組等大廠須有意主導外,現恐只有國 光、首都客運等業者提出需求,才有機會帶動上游製造廠投入。

以塑代鋼 潮流勢不可擋


未來,若有塑橡膠業者願開發出高強度的塑膠材料應用工法,及模具成型技術,將上述零組件一體成型,不僅能有效縮減工序、成本,亦可相對提高良率。徐昌煜認 為,針對現今以塑代鋼、木、玻璃等材質的主流趨勢已不可擋,只要有適當的成型技術,未必須採用高價的工程塑膠。
 
        徐昌煜過去曾率團隊為GM開發車門內組件,利用雙料雙色和氣體輔助射出成型(Gas-Assisted Technology)技術,將原來最厚與最薄處從3mm~20mm不等的61個鋼件一體成型(圖2);如以往福特汽車(Ford) 內裝的儀表板為維持強度,仍須在塑膠表面下保留金屬骨架。



  現在透過氣體輔助技術,利用氮氣將原來厚處中央淘空,使材料均勻分佈於外,不僅可減少材料成本,且同時增加慣性力矩、決定剛性;以氮氣淘空保壓,防止塑膠 固化時不會塌下,則未來不必在塑膠板與加強肋接合處加粗肋骨,而有造成「縮痕」之虞。戴姆勒‧克萊思勒(DaimlerChrysler) 汽車發表的「CCV(Chrysler Composite Concept Vehicle)」計畫甚至把兩個半面的PET車 身成型後,直接裝配,將一輛傳統汽車的零件總數從4,000件減少到1,100件(-75%);相對於Neon的19小時裝配時間,CCV只需6.5小時。
 
此外,向來被視為最重視車輛安全的德系車廠,除Bosch大陸廠曾利用PLM取代汽車座椅金屬螺桿,達到輕量化需求,將原來可能需由5個 零配件組合者整合為一;福斯汽車(FOX)則傳出2010年 將引進配備PC製窗戶的「WOB L1」車 款來到台灣,預計售價約16萬左右,逐步朝全塑化車身發展。



複合材料改質 突破傳統零組件廠重圍


謝俊雄也表示,合成樹脂加入纖維強化後,強度足以媲美金屬與其他材料。美商波音飛機公司最新推出之787新 型客機上,包括機翼在內約50%空前採用強化塑膠,與法商空中巴士最大型機A380分庭抗禮,後者另有一新型超廣體機種A350XWB也 採用52%強化塑膠。
 
然而,吳嘉漢進一步指出,台灣車廠雖然在電池及車身內外的零組件都具備自主開發能量,相關塑化技術亦不困難,最大問題還在於傳統OEM車廠與AM零組件廠過度依賴國外訂單,只要客戶不 提出需求,就沒有開發意願。
 
台灣電動車大廠必翔實業(Pihsiang)過去和國外合作開發電池成功後,雖有意願與台灣車輛零 組件廠合作生產整車,最後卻遭遇後者寧願等待國外原廠、配合開發,而無意願投資,最後只能靠自己研發整車外銷;納智捷(Luxgen)訴求國人自主投入生產的新事業,技隆才有機會參與其CEO車 款,前、後座間隔板之手工貼皮一體成型的製程,並建議中央肋條處可採用碳纖維材質,避免因以熱押、真空工法成型失之過重或強度不足,一經大力震動即可能全 斷。
 
加工熱塑性碳纖維起家的技隆科技實業,產品分別應用於高強度的高爾夫球桿、網球拍、單車零組件等 。雖然GMT(Glass Mat Thermoplastic)已經問世30年,但它的應用卻還蓬勃發展,在汽車零件輕量及金屬件的應用上仍佔有一席之地(圖3)



GMT打造電動車專用底盤 


現有傳統車用底盤件因為多屬鋼鐵沖壓而成,傳統廠商勢力盤根錯節,乃難以進入。該公司看好一體成型的新一代電動車專用底盤商機,認為可以GMT熱壓成型;外殼則能採用GMT、碳纖或成本較低的 玻纖材質,達到輕量化需求,現正開發碳纖、玻纖混合之樹脂模具,比鋼模成本要低,量產速度較快。也有客戶已探詢電動車整車塑化之可能性,認為問題並不大。
 
在租賃用電池制度上路後,承載模組的部位必需兼顧穩定與快速交換要求。傳統OEM廠早在20年即將裝載蓄電池處塑化,現日本三菱推出之新款電動車已將其以全GMT材質打造,同時滿足輕量化、高強度與抗腐蝕需求。
 
技隆科技在2010年AMPA(台北國際 汽車零配件展)上另外有一項產品報名創新產品發表:LFRT/D-LFRT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic / Direct-Long Fiber Reinforced Thermoplastic)的外裝件應用。和熱押成型GMT不 同處,在於採取射出成型方式,並以熱塑性塑膠複合玻纖或碳纖長纖維(6.35-25mm)達到輕 量、結構強化,和模具、成型成本降低,以及加工組裝工序簡化的效果(圖4), 目前有VW車廠數款中高階房車採用此項複合材料取代金屬件。