汽车照明技术、透明塑料与汽车轻量化

汽车轻量化的现状和意义

作为科技发展的便利性产物，汽车作为一种物理交通工具，在经济领域和日常生活中的重要性已经无需置疑。发展的重要方向是舒适、安全、智能化和经济性。而随着全球对不可再生能源保护意识和环境要求的提高，低能耗和低排放已经是安全和智能化之外的最重要技术任务。全球都在大力推进动力技术和发展新能源汽车技术，不管是燃料汽车、混合动力汽车、纯电汽车等类型，减轻重量始终是不变的主题，使用高强度钢材、镁合金铝合金金属低比重、纤维增强复合材料、硬泡沫包覆增强、以塑代钢、新型复合冲压焊接等等工艺在保证安全性的前提下使汽车减重达15-53%，很多研究机构和企业都在材料、工艺、技术、设计等方面取得了大量的成就。



领克尾灯厚壁导光块组合

美国福特汽车公司的全顺车在欧洲的试验结果表明：满足欧Ⅳ标准条件下，每百公里油耗Y与自身质量x(kg)满足以下关系：Y = 0.003X + 3.3434，汽车整车重量降低10%，燃油利用效率可提高6%～8%，尾气排放减少约5％，原材料成本可降低约10％。油耗的下降，同时意味着CO2、氮氧化物(NOx)等有害气体排放量的下降，对环保要求的降低油耗和减少碳排放发挥重要作用。针对各种类型车的大量试验结果表明，车辆的油耗与汽车的质量呈一定的线性关系。因此，通过降低汽车自重，即通过轻量化的手段来降低油耗，成为汽车行业最为热门的研究课题。当前，汽车的轻量化已经成为车企应对各国政府节能减排政策的重要途径。欧盟已经批准一项加强二氧化碳标准的协议，到2020年欧盟地区新车单位里程二氧化碳排放都必须控制在每公里95克的水平。如果按照燃烧-排放计算，该排放水平大约对应百公里油耗4升。根据欧洲环境署（EEA）提供的数据，2012年欧洲新车平均二氧化碳排放水平为132.2克/公里，较2009年改善9%，2020年则将削减28.1%。日本汽车企业也一直把轻量化列为汽车整体设计中一项非常重要的指导纲领。根据规定，日本的车主要按期缴纳汽车重量税、汽车税等。这些税费与车体重量和排气量大小有关，车身越重、排气量越大，缴的钱越多。比如重量税，使用时间长、车体重的豪华车尾气排放量较大，差不多每年要交8万日元 ，而新的微型车仅需交1.2万日元，两者相差6倍多。近几年，中国政府也出台了一系列的节能减排措施，例如积极鼓励新能源汽车的发展、限制车企平均油耗等等。



聚碳酸酯车窗车顶

照明技术、透明塑料与轻量化

因为职业原因，在汽车工业所涉及的主要是汽车内外照明技术,以透明塑料取代无机玻璃，本文就汽车车灯照明技术、透明塑料与轻量化来与大家交流分享一些想法。

汽车照明或光学系统主要包括车窗玻璃、挡风玻璃、车灯、氛围灯等。



塑料透镜和镀铝装饰在大灯中的应用

替代材料

PC（聚碳酸酯）:20世纪80年代，能源危机促使日本正式明确提出了汽车轻量化概念，设计出对能耗与原材料有效节省的新车型。采用注塑工艺生产汽车大灯，提高了自动化程度，进一步提升了企业灯具轻量化设计水平。PC由于具有较强的抗冲击能力要相当于250倍的无机玻璃，最早代替玻璃应用在前灯外罩中，反射罩和支架本体均采用塑料注塑成型，灯罩与灯体用粘胶粘接或焊接进行装配，比传统玻璃车灯减重达20-60%。此外，车灯造型中的装饰功能部分利用了PC极好的光学与着色性能，利用透明有色的PC制作装饰条,或喷底漆、镀铝方式的灵活应用；反射镜压铸件镀铝制作改为PC、BMC、PEEK、LCP等注塑后镀铝，与早期铸铝件电镀相比减轻质量高达80%以上，并且生产工艺大大简化。灯具中改变灯泡的发光颜色相对比较复杂，而指示灯需要发出特定颜色的灯光，而利用有色透明PC或PMMA的颜色对注塑工艺来说是非常便捷的事情。在这些透明有色的塑料中，色母料的耐热性和耐候性非常重要。作为外表件使用时多数采用表面涂覆硬膜的PC，从而进一步提高了耐擦伤性和耐候性，比玻璃镜片更亮，更抗破碎，有更好的形状精度塑造性。而且可吸收冲击能量和振动能量，以减轻碰撞时对人体的伤害，提高汽车的安全系数。反射件和饰圈等零件则采用电镀或者镀铝，在车灯中，除了散热元件，基本都可以被塑料件代替，减重技术相对成熟。



巴斯顿多层注塑厚壁件

PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯）:俗称亚克力或有机玻璃，是一种无定型、有香味、无毒、透明的热塑性塑料。它具有优良的物理机械性能、介电和电绝缘性能，优良的光学性能等优点。与PC一道，广泛应用于导光条、透镜等注塑生产，通过改性和镀层以后，PMMA不仅在汽车内外饰、汽车车灯等提高汽车美观的部件上得到广泛应用，而且已逐步应用到侧窗、天窗、三角窗、后窗、车内氛围灯、HUD抬头显示器等结构性及功能性部件上，为减轻汽车质量、提高汽车各方面性能发挥着积极的作用。例如我们在“ABB”（Audi Benz BMW奥迪奔驰宝马）等汽车中大规模应用赢创8N(PMMA)和拜尔的2245、2045于导光条和透镜的生产。在透明塑料用于车窗和天窗和挡风玻璃时，与传统玻璃相比，重量减轻40%～50%，例如别克新一代GL8的后三角窗采用了PC制造后，减轻了40%（3kg）。这对降低燃料消耗起了积极的作用，有助于环境保护。由于塑料易于加工，适合设计制造曲率极大的车窗，从而满足设计师不同造型设计的需求。与此同时，PMMA其对紫外线稳定并且清澈透明的特性非常出色。目前4、5、6mm赢创PMMA用于车窗原材料均已经通过欧盟ECER43《关于安全玻璃及材料认证的统一规定》法规认证测试。



海拉25LED智能大灯

LSR 液体硅橡胶：光学级液体硅胶注塑透镜作为一种新光学材料，具有仅次于玻璃的透明度，而且长时间暴露在高温或紫外线下依然稳定和不变色，有一定的柔软性，耐划伤和耐开裂。尤其是该材料的低粘度特性，可以通过很薄的填充路径或填充很微小的空间结构，意味着可以用来成型一些异形矩阵高精度透镜，而这正是新的AI照明所需要的，而且尺寸小重量轻。

工艺设计的灵活性

由于可以方便的制造出设计者所需要的形状，结合可靠性与耐久性试验得到的数据， 对灯具部件的疲劳强度有效考核等寿命设计,在整车寿命要求下，除了易损件之外，其他零部件的寿命也趋向接近， 防止了一些灯具零部件不必要的长寿命， 同样可以降低耗材，减轻了重量。



LUMILEDS的电子控制LED像素灯源

新光源的发展和减重的关系

随着LED、激光等灯源技术的发展，车灯中的玻璃透镜也在大规模被塑料透镜取代，尤其是LED灯源生产已经变得经济，透镜工作温度得以大幅度降低，注塑透镜成型效率高，与玻璃透镜相比生产过程能耗低，工序少，污染少，尤其是可以注塑获得复杂零件，直接与之间装配或粘结焊接，减少装配件数量和降低安装成本，重量只有塑料透镜的五分之一，在随动转向大灯中显著降低了对转向机构的冲击震动强度要求。同样，由于灯源及导光条工艺技术的发展，氛围灯采用三色或多色LED组合可调节照明通过氛围导光条进行内饰布局设计，可以随意设置出千万种颜色氛围效果，而尺寸和重量仅为传统氛围结构的十分之一左右。OLED在指示灯和装饰灯上的应用也同样变的更加丰富，轻巧和更具立体感，如下图的尾灯就采用了OLED和LED组合技术，功耗低，重量轻。



LED导光技术和OLED自发光技术



汽车电子技术发展引起的变化

在目前汽车电子电气所占比例逐渐加重的情况下，可以利用全新的设计技术，进而达到以电子化替代机械功能的目的，最终可以有效减少机械零件，减轻重量。目前马瑞利、海拉、欧司朗包括奔驰、宝马、奥迪等公司都陆续推出了一些ADB大灯，部分已经投入量产应用，从奥迪9光束、84像素,到正在测试的1024像素智能投射大灯，曾经热门的高端随动转向或指向性照明均被加入了更加精确的像素式照明技术元素，甚至直接被迭代替换，没有复杂的机械转向机构，取而代之的是高像素的电子照明系统，发热量低，重量轻，安全性更高。



目前奔驰旗下车型应用的几何多光束LED大灯（MULTIBEAM LED）具有84个可独立控制的LED发光单元，新技术使这一数字缩减到3个，但每个LED发光单元中包含了1024个可控光点，通过这种方式，全新的智能像素LED大灯能够更加精确的照亮前方道路。



照明、透明塑料与新能源车

汽车轻量化不仅适用于传统燃油汽车，对新能源电动汽车来说，减轻车身重量，实现汽车轻量化同样很重要，因为它关系着新能源汽车较主要的续航问题。轻量化技术领域的相关研究得出，重量的减轻直接意味着续航里程的增加。如纯电动汽车,整车重量若降低10kg，续驶里程则可增加2．5km，提升电动汽车的续驶里程，除了加强电池和驱动系统之外，减轻重量是关键，上面我们说到，车灯的照明技术不断发展，结构简化和材料被塑料代替，已经使得车灯重量大幅降低，那新照明技术的发展对传统动力汽车新与新能源汽车又有什么不同呢？除了最重要的减重对续航里程带来的好处外，新照明技术的低能耗更会显著减少照明系统对储电系统的消耗占用，从而将更多的电量用于驱动续航，尤其是新的LED或激光大灯的像素化技术变革，汽车大灯不在需要反射碗，布局可以更为灵活和小巧，减重和本身的低功耗特点更显优势。巴斯顿在计划开发大型专用注塑机，研究透明塑料代替玻璃车窗甚至整体车顶方面的技术，如果得以成熟经济的应用，除了简化制造工艺和减少制造本身对能源的消耗，对汽车整体减重贡献将超过50Kg以上。



结论

统计数据显示，2016年中国消耗5.56亿吨石油，其中约一半为汽车所消耗。随着资源紧缺和环境恶化，节能减排成为当前汽车工业发展的主旋律，新能源作为我国战略性产业，成为实现汽车工业可持续发展战略的重要举措。车灯照明和透明塑料替代技术也将在节能减排的轻量化征途中贡献自己的力量。

（本文作者系宁波巴斯顿机械科技有限公司总经理商铁虎）