摘　要：本文阐述了长纤维增强热塑性塑料在线模压成型技术的基本工艺流程、产品特性及制造优势。通过收集国内外相关的应用信息，介绍了该工艺的应用范围，列举了几种国内外较为成熟的汽车零部件应用实例。根据汽车行业模块化生产模式以及该工艺的总体发展情况，分析指出了该工艺在未来轻量化、环境友好等方面的行业发展态势。
关键词：长玻纤增强热塑性塑料；工艺优势；模块化

1　概　述

1.1　简介
　　LFT-D是英文Long．Fiber Reinforce Thermoplastic In Direct Processing的缩写，中文可译为长纤维增强热塑性塑料直接成型技术。
1.2　工艺特点
　　相较于GMT和LFT-G这两种依赖于半成品板材或粒料的生产工艺，LFT-D技术则是直接利用聚合物母粒和玻璃纤维进行日常生产，省去了制板或造粒的中间过程，降本的同时使得制品在原材料的选择上更为便捷和实用。
　　聚合物粒料可根据产品需求及生产中发生的不良状况进行快速调整和转换，增强所用纤维可依照机械性能需要改变配方含量和长度，对于整车厂提出的某些特殊物理性能和某些特殊特性，如热稳定性、阻燃性、耐热老化性、着色性、耐吸水性等，则可通过直接在线添加其他改性助剂改善终制品性能。针对不同需求的产品，LFT-D生产工艺将获得其独一无二的材料配方，且能适应绝大多数制件的性能要求。
1.3　工艺过程
　　LFT-D典型的工艺过程是聚合物粒料和助剂被输送到计量与供料单元中，该单元根据初始程序设定确保按设计的比例供料。按比例计量的原料进入双螺杆挤出机进行塑化、混合，其熔融聚合物通过一个薄膜模头形成类似瀑布的聚合物薄膜，直接进入双螺杆挤出机的开口处。玻璃纤维则通过特别设计的纱架，经过预热、分散等程序被引入到聚合物薄膜的上方，与薄膜汇合一同进入到第二级双螺杆挤出机中，进行玻璃纤维浸渍、切割、混合，形成连续料块，由双螺杆玻纤塑料混合挤出机前端的切割刀具切割成符合制品成型面积的料块，传送带传送之适当位置，然后送入模具中低温成型，整个过程一般为30～50秒，相较于GMT成型具有极大的加工成本优势。见图1。

2　LFT-D特点及优势

2.1　性能特点
　　(1)轻质高强。LFT的密度为1.1g／cm³左右，仅为钢材的1／5～1／7，拉伸强度50～120MPa，弯曲强度90～120 MPa；
　　(2)热性能。一般塑料的使用温度为50～100℃，使用玻璃纤维增强后，可提高到100℃以上，一些特殊的LFT使用温度甚至可提高到200℃以上；线膨胀系数比未增强的塑料低25％～50％，导热系数为0.3～0.36W／(m・K)，与热固性复合材料十分相近；
　　(3)耐化学腐蚀性。该特性主要由基体材料的性能决定，热塑性树脂的种类很多，每种树脂都有自己的防腐特点，因此，可以根据LFT的使用环境和介质条件，对基体树脂进行优选；
　　(4)良好的介电性能。LFT不反射无线电波，透过微波性能良好。在LFT中加入导电材料可改善其导电性能，防止产生静电。
　　作为与GMT同期竞争的新的工艺技术，LFT-D制品在很大程度可媲美GMT所带来的极佳应用性能。

　　表1为某GMT板材和LFT制品的物理性能对照表，从两者的性能对比可以看出两种复合材料的物理性能各有优劣之处，GMT制品的主要优势在于其优异的耐冲击性能，LFT-D制品的优势则在于制品具有较好的韧性，同时可用较低成本实现满足实际市场需求的优异性能。
　　目前已有研究表明，在原料聚合物母粒中适当加入补强编织物，可使LFT制品机械性能显著提高，尤其是悬臂梁冲击强度。
2.2　经济优势
　　(1)原材料的直接在线生产模式极大降低了终制品的成本，避免了半成品较高的采购及相关物流仓储成本；
　　(2)由于生产所需原材料为直接采购，原料的快速变更可弥补半成品原料采购所带来的周期长、管理费用高的问题，间接降低了生产成本；
　　(3)加工过程中原料占用量低――低启动消耗，解决了压制初期原材料损耗的问题；
　　(4)利用塑化料余温立即模压成型，消除了半成品板材二次加热所产生的能量损耗，且生产过程全部由程序控制，生产线自动运行，显著降低整体能耗；
　　(5)热塑性LFT材料为可回收塑料，LFT生产线可在线处理回收材料，环保的同时也带来了极佳的经济效益；
　　(6)减少了大量人工操作，劳动力成本降幅可观。
2.3　技术优势
　　(1)配方调整更灵活多样，只需对LFT-D生产线设备做相应调整，即可使用PP、PA6、PET、ABS、PC等不同聚合物粒料，并且对于不同产品的特殊要求可现场快速调整原料比例；
　　(2)玻璃纤维作为复合材料制品中保证机械性能的重要组分，连续可调的成型技术将大大优化制品的性能；
　　(3)终制品保留了超过20mm的玻纤长度，解决了大批量陕速生产中玻纤长度过短带来的机械强度过低的问题；
　　(4)出色的混料工艺，可保证玻纤与塑料充分混合，即使在筋肋部也能够保证均匀的纤维分布；
　　(5)优越的流动性，极大改善了制品的表面质量；
　　(6)LFT-D设备的高度自动化，保证了制品的质量稳定性。

3　应用领域

3.1　应用范围
　　当前，LFT-D生产技术主要的应用领域仍然是汽车制造方面。
　　在汽车轻量化进程中，在保证汽车安全性的前提下，整车重量每减轻10％，常规燃油效率可提高6％～8％，复合材料替代金属材料已经成为产业发展的主流趋势。作为汽车产业轻量化中的技术，LFT-D热塑性复合材料已在众多知名整车厂得以应用，目前制造模式较为成熟的零部件有前端模块、保险杠支架、仪表板骨架、座椅骨架、车底防护板、内饰件支架、车轮罩、蓄电池托盘、杂物箱盖、后掀背门、备胎箱等。见表2。

3.2　应用实例
3.2.1　底部防护板／底部导流板
　　车底护板早期是附装在白车身上用于保护重要组件的一些小板，后由于80年代末90年代初，德国制定了非常严格的车辆噪声防护法，使得其演变成覆盖整个底盘的大板。随着底部护板的发展，其形状也从简单平板变得更加复杂，功能开始兼具吸音、隔热、防腐蚀、高刚性、高冲击强度等性能。材料则由钢材、铝材演变为GMT，直至90年代晚期产生了成本更低、成型方式更为灵活的在线配混直接LFT-D技术，还有部分生产厂家开始使用纤维高度膨松的轻质高强热塑性塑料LWRT，其韧性不及传统GMT但比刚度很高，并具有优良的吸声性能。
　　汽车底护板的制造及应用已经较为成熟，在大众途观，上汽荣威350、550、750，上汽E50电动车等车型中均有使用。
3.2.2　前端模块
　　传统的汽车前端模块是由几十个零部件供应商将钣金件送至整车厂，然后进行总装，由于前端模块很重，对于总装线装配效率和生产节拍的要求很高。现在，使用LFT技术并配合零部件模块化生产模式，将照明、冷却、减震等组件提前组装，形成前端模块总成后再送至整车厂，已经成为了一个新的供应模式。
　　从表3中可以看出，国内对于LFT材料的使用已经越来越普及。

3.2.3　座椅骨架
　　通过将金属座椅骨架模型在专业分析软件中进行模拟优化布局，可定制出适用于在LFT-D工艺中生产的制件形状，并通过在总成中加装镶嵌条进行局部增强，在撞车时可保护乘客防止错位，在冲击时优化LFT和局部无间断增强的延展性和变形能力，LFT可替代钢铁减重超过40％，并可达到高度的集成功能，实现功能一体化。
　　长城汽车哈弗H5中座椅骨架即采用了LFT-D技术制成。

4　市场现状及发展前景

4.1　国内外发展情况
　　目前在欧洲，由于劳动力成本、环境保护标准比美国和亚洲等其他地区更高，同时汽车复合材料零部件制造企业又相对集中，单一产品产量较大，所以汽车复合材料零部件供应商更多的是使用LFT-D生产技术，而在美国等其他地区则多使用LFT-G粒料生产技术，主要是因为其零部件采购体制，生产制造商遍布，单一产品产量少，且相对分散，因此更适合用LFT-G生产技术。
　　近两年以来，在欧美市场已经有30多条LFT-D生产线投产，日本和韩国在接下来的几年内也将引进LFT-D设备，快速、高效的生产模式将使这些汽车零部件生产企业成本大大降低。
　　而LFT材料在的研发开始于20世纪80年代末、90年代初，应该说和欧美相比在时间上相差不多，但是产业化进程和开发程度相对落后。目前，部分企业已经初步形成具有自主知识产权的LFT制品，并拥有了一定的生产能力，但在产品品质和种类上与水平还有相当大的差距。
4.2　汽车零部件模块化生产所带来的机遇
　　所谓汽车零部件模块化生产，是指以一个零件或部件为中心，将周边零件组合在一起，经一次成型加工而成，这样可以减少许多制造成本和模检具费用。
　　Ford公司所做的研究表明，复合材料制品在汽车制造中的使用可将零部件的数量减少到原来的80％～90％，制造费用相对金属材料将降低60％，粘结费用相对焊接则减少25％到40％。
　　BASF公司正致力于一种新的构思，将汽车储油箱、永久性滤器和油泵集成于汽车底部一个用35％玻纤增强PA66制成的模块内。
　　BMW系列的汽车变速箱组件是用Bayer公司生产的35％玻纤增强PA66制成，它集成了许多零部件于一体，不仅节约了发动机体内的宝贵空间，也减少了成型工艺。
　　美国伊利诺州的TecAir公司用高流动尼龙制造出重5磅、22英寸长的汽车发动机冷却扇组件，它将风机轮子和其他进气组件组合在一起，这种产品已经应用到GM公司某车型上。
　　德国梅德赛斯奔驰汽车公司在Atego、Vario和Unimog三种型号轻型载货汽车上，使用玻璃纤维增强热塑性塑料代替传统的铝制材料制造摇臂盖。这种摇臂盖使用DuPont Automotive公司含35％玻璃纤维增强的Zyte170G35HSLRA4尼龙树脂制成，实现油分离器和摇臂盖的一体化设计，显著降低了发动机的工作噪音。
　　作为复合材料界的一支新生力量，LFT-D技术的可设计、高效率、低成本及材料选择广泛等优良特点，极大满足了汽车制造过程中的模块化生产需求，将成为汽车产业中不可忽视的生力军。
4.3　市场前景
　　几十年来，LFT-D已发展成为具有技术的生产模式，在国内汽车领域由简单制品开始慢慢走向具有复杂结构的、特殊功能性的制品，LFT在汽车制造之外许多领域也开始替代一些传统工艺，市场拓垦有了初步进展。
　　2010年，占LFT总消费量的9％，排在欧洲、北美和日本之后。但据Townsend公司的报告，到2011年，已超过日本，日本现消费LFT的11％。自2006到2011年期间，LFT材料年增率为12％，这至少是GDP增长率的3倍，这种长纤维增强热塑性塑料直接成型技术在汽车和非汽车领域中显示了非常诱人的机遇。
　　LFT-D技术正逐步向高性能、低成本、模块化、轻量化、标准化的方向发展，将在节能减排、环境友好型的汽车产业中发挥出更大的作用。