捷豹F型跑车的座舱模块
轻量化结构仍然是汽车行业重要的话题之一，高端汽车和跑车制造商也视减重为要务。创新材料和制造理念是实现这一目标的重要条件，德国菲尔斯比堡的汽车供应商Dr xlmaier集团和奥地利维也纳的聚烯烃生产商北欧化工公司在捷豹F型跑车仪表板开发领域的成功合作证实了这一点。
产品理念
在新捷豹F型跑车（X152）的项目开发过程中，Dr xlmaier集团成为了座舱模块的供应商。该订单包含仪表板、中控台以及高级组件（HLA）的研发和生产。HLA指Dr xlmaier将仪表板的各个部分预组装成一个完整的座舱，用于安装在捷豹路虎（JLR）组装生产线的车辆上。此处只需生产电气连接装置并用若干螺丝将横梁安装在车身上。在X152座舱模块（包括仪表板和中控台）的开发过程中，各种复杂的客户需求都必须得到满足，而这主要依赖全面的专业知识和成熟的模拟技术来实现。
其他要求则涉及制造工艺和材料的新发展。为此，Dr xlmaier联合材料专家北欧化工公司为其定制高要求的技术聚丙烯产品。
该项目的一个特殊挑战是副驾驶座一侧独特的握柄，其光线源于仪表板；车板末端位于中控台上，朝向驾驶员。设计背后的理念是打造一个视觉上扩大的驾驶空间，而不局限于中控台（标题图）。握柄的强度和刚度要求以及统一的头部撞击标准合规意味着中控台必须得分成两个分组件，从而将冲击力从仪表板转移至车体。所需的刚性通过（PC+ABS）共混物和气体辅助注塑成型工艺获得。因此，中控台的前面三个是仪表板的组成部分。
产品说明
仪表板的核心——仪表板支架由聚丙烯（PP-LGF30）化合物（品级：Fibremod GB601HP和BE677AI，制造商：北欧化工聚烯烃有限公司）组成，通过30%的长玻璃纤维增强并采用小型注塑成型工艺生产。这一特定材料的选择基于安全相关规定（副驾驶座用安全气囊的功能和头部撞击标准）以及客户指定的气味和排放标准。该支架由Fibremod GB601HP（PP-LGF60）制成，并用粘度和乙烯含量经过调整的PP共聚物BE677AI稀释。仪表板支架还装有安全气囊斜槽滑道，它由Fibremod GB303HP（PP-LGF30）制成并注入气囊织物，外加一颗销子用于以红外焊接方法安装安全气囊组件（图1）。同时，这一焊接操作还可用于将通风管和仪表板支架连接起来，为其提供足够的强度并引导空气给挡风玻璃和侧窗除霜。支架的稀释理念是为了结合佳的加工功能性和系统成本优化的能耗。由于北欧化工公司在研发和技术方面的全面支持，稀释工艺的终精确调整得以优化，从而满足了客户对材料以及仪表板支架和安全气囊斜槽连接技术的所有具体要求。此外，通过选择现成的材料，安全气囊滑道的佳安全性也得到了高度重视。该材料拥有北欧化工公司保证的性能，而不会影响加工过程中的混合差异。
高级层压皮革表面由汽车供应商Dr xlmaier提供。织物衬垫和高级汽车皮革的结合打造出的环境和愉悦的触觉。Dr xlmaier集团拥有皮革裂隙接缝设计，因此其厚度得以显著减小，保障了完美的安全气囊功能。更重要的是，它可在-30至107℃的车辆内部温度范围内工作，并在副驾驶座一侧装有不显眼的安全气囊气瓣。座舱的内饰还包括一个贮物箱和一个PVC发泡膜饰面的下部仪表板部件。
从流程到法律规定
模拟制造工艺：Mold Flow软件支持的注塑成型部件设计实现了以下数据的精确预测：
■ 充填时间——确定工艺的持续时间
■ 模内压力——用于模具设计
■ 每个注射针头的压力条件——确定针头的数量和位置
■ 流动前沿温度曲线——确定针头的数量和位置（图2）
■ 流经每个针头的材料
■ 体积收缩率
■ 玻璃纤维的均等取向（图3）——在安全气囊区域大限度地利用材料性能的必要参数
■ 防止部件翘曲的必要变化
■ 避开安全气囊区域的接缝——获得理想的材料均一性。
模拟功能合规：此处包含一个对系统的材料和形状都提出了较高要求的复杂任务。以下对应的要求必须得到满足，如：
■ 在-30至+107℃的温度范围内正常发挥安全气囊的功能要求系统具有一定刚性。
■ 头部撞击法规要求系统具有能量吸收能力，但不允许支架材料断裂。
■ 表面硬度要求仅允许系统在模拟手指施加压力后产生预定的变形值。
■ 质量和壁厚之间的平衡要求系统能够在车辆典型的频率下防止座舱共振。
PP-LGF30满足了所有这些要求。30%长纤维含量提供了必要的刚度和能量吸收性能；PP基体则具有足够的灵活性，可防止高动态负荷下产生的断裂。支架的材料组合和斜槽滑道的材料都表现出了优异的流动性和纤维浸渍效果。该材料采用北欧化工公司独创的长纤维增强粒料拉挤工艺在其位于意大利蒙扎的特殊复合厂生产而成。该技术在保持部件的长纤维长度的同时还提供了广泛的加工窗口。此外，系统所使用的塑料和添加剂均经过排放优化并满足汽车内饰应用需求。
模拟安全气囊功能：在Fibremod GB303HP斜槽滑道上，用于安全气囊铰链功能的织物和安装模块所需的八颗螺栓均由机器人在注塑成型过程中自动嵌入。PET/PA织物网方案需要匹配注入点并预估流动前沿温度，防止高于240℃的温度对织物造成热损伤。料粒良好的流动性有助于满足这一要求。模拟的作用是设计和优化斜槽滑道在安全气囊弹出时的抗冲击性。相应的挡边几何尺寸在神经痛点进行了删除或添加，挡边末端和基本壁厚则在容许负荷和减重方面进行了优化。图4所示为模拟安全气囊在高温下弹出时的材料负荷。与此同时，整个系统在安全气囊模拟过程中（-30至+107℃的温度范围内）的变形和应力都经过了分析和评估（图5）。在测试过程中，开模运动学和开模时间也是关注重点之一，从而使整个系统满足所有功能和法律要求。
模拟法律要求：关于车辆碰撞事故中的头部撞击法规基本上都出自欧洲ECE第21号法规和美国FMVSS标准。因此，在3毫秒的时间内作用于人类头部的负荷不得超过80倍减速度（克）。在模拟过程中，容许极限可以减至72克，从而为CAE模型和实际部件之间可能存在的不确定性提供安全余量（图6）。北欧化工公司提供的PPLGF30能够快速吸收能量，确保在规定时间内提供大限度的耐冲击性，并且不存在材料失效行为，因为开模断裂不在上述法律法规准许范围之内。
工艺保证
仪表板、斜槽滑道和空气管均通过传统的小型注塑成型工艺制造而成。因此，所有成型件必须在系列产品发布之前通过保证试验，如制造工艺的再现性，从而对部件的长期强度进行评估。工艺能力指数，即cpk值，是容许公差和公差范围之比。因此，cpk值至少达到1.33，该工艺才能被评为“良好”。工艺能力由模制部件的特定功能价值或其重量决定。关乎安全的斜槽滑道和仪表板支架组件的工艺保证贯穿于整个加工环节。当斜槽滑道尚在慕尼黑克劳斯玛菲集团提供的注塑机KM500 - 2700 C1里时，它已经过了铰链织物含量和位置以及双头螺栓数量检查。完美模制并通过测试的部件将统一在注塑成型车间里刻上条形码，这也是进入下一个加工阶段的必要先决条件。此外还有定期进行的补充检查，如尺寸精度和玻璃纤维含量检查。
所有相关的注塑成型参数均存储在Dr xlmaier集团的制造与文档软件包（IPST）里。通过这一方式，部件的条形码使制造工艺随时可以追溯。这一原理同样适用于仪表板支架。在批量生产过程中，补充质量保证测试将定期进行。以仪表板为例，安全气囊的功能通过补充的“落塔试验”进行测试和监控。因此，安全气囊罩开口被内含加速器的加速重量以类似于安全气囊弹出的速度刺穿。通过测量加速质量的减速情况，打开安全气囊罩所需的能量可计算出来。优势：安全气囊罩开口变得可测量，从而具有可比性。同时，这也对“正常”/“不正常”等评估的容许限制值定位做出了明确界定，并可在批量生产期间监控和记录公差窗口。
结语
通过整个增值链的密切合作，捷豹F型跑车的仪表板支架再次创造出了新型高性能高级材料和产品理念。这些成果和未来创新将有助于汽车行业生产出更轻的车辆并进一步降低系统成本。
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产品理念
在新捷豹F型跑车（X152）的项目开发过程中，Dr xlmaier集团成为了座舱模块的供应商。该订单包含仪表板、中控台以及高级组件（HLA）的研发和生产。HLA指Dr xlmaier将仪表板的各个部分预组装成一个完整的座舱，用于安装在捷豹路虎（JLR）组装生产线的车辆上。此处只需生产电气连接装置并用若干螺丝将横梁安装在车身上。在X152座舱模块（包括仪表板和中控台）的开发过程中，各种复杂的客户需求都必须得到满足，而这主要依赖全面的专业知识和成熟的模拟技术来实现。
其他要求则涉及制造工艺和材料的新发展。为此，Dr xlmaier联合材料专家北欧化工公司为其定制高要求的技术聚丙烯产品。
该项目的一个特殊挑战是副驾驶座一侧独特的握柄，其光线源于仪表板；车板末端位于中控台上，朝向驾驶员。设计背后的理念是打造一个视觉上扩大的驾驶空间，而不局限于中控台（标题图）。握柄的强度和刚度要求以及统一的头部撞击标准合规意味着中控台必须得分成两个分组件，从而将冲击力从仪表板转移至车体。所需的刚性通过（PC+ABS）共混物和气体辅助注塑成型工艺获得。因此，中控台的前面三个是仪表板的组成部分。
产品说明
仪表板的核心——仪表板支架由聚丙烯（PP-LGF30）化合物（品级：Fibremod GB601HP和BE677AI，制造商：北欧化工聚烯烃有限公司）组成，通过30%的长玻璃纤维增强并采用小型注塑成型工艺生产。这一特定材料的选择基于安全相关规定（副驾驶座用安全气囊的功能和头部撞击标准）以及客户指定的气味和排放标准。该支架由Fibremod GB601HP（PP-LGF60）制成，并用粘度和乙烯含量经过调整的PP共聚物BE677AI稀释。仪表板支架还装有安全气囊斜槽滑道，它由Fibremod GB303HP（PP-LGF30）制成并注入气囊织物，外加一颗销子用于以红外焊接方法安装安全气囊组件（图1）。同时，这一焊接操作还可用于将通风管和仪表板支架连接起来，为其提供足够的强度并引导空气给挡风玻璃和侧窗除霜。支架的稀释理念是为了结合佳的加工功能性和系统成本优化的能耗。由于北欧化工公司在研发和技术方面的全面支持，稀释工艺的终精确调整得以优化，从而满足了客户对材料以及仪表板支架和安全气囊斜槽连接技术的所有具体要求。此外，通过选择现成的材料，安全气囊滑道的佳安全性也得到了高度重视。该材料拥有北欧化工公司保证的性能，而不会影响加工过程中的混合差异。
高级层压皮革表面由汽车供应商Dr xlmaier提供。织物衬垫和高级汽车皮革的结合打造出的环境和愉悦的触觉。Dr xlmaier集团拥有皮革裂隙接缝设计，因此其厚度得以显著减小，保障了完美的安全气囊功能。更重要的是，它可在-30至107℃的车辆内部温度范围内工作，并在副驾驶座一侧装有不显眼的安全气囊气瓣。座舱的内饰还包括一个贮物箱和一个PVC发泡膜饰面的下部仪表板部件。
从流程到法律规定
模拟制造工艺：Mold Flow软件支持的注塑成型部件设计实现了以下数据的精确预测：
■ 充填时间——确定工艺的持续时间
■ 模内压力——用于模具设计
■ 每个注射针头的压力条件——确定针头的数量和位置
■ 流动前沿温度曲线——确定针头的数量和位置（图2）
■ 流经每个针头的材料
■ 体积收缩率
■ 玻璃纤维的均等取向（图3）——在安全气囊区域大限度地利用材料性能的必要参数
■ 防止部件翘曲的必要变化
■ 避开安全气囊区域的接缝——获得理想的材料均一性。
模拟功能合规：此处包含一个对系统的材料和形状都提出了较高要求的复杂任务。以下对应的要求必须得到满足，如：
■ 在-30至+107℃的温度范围内正常发挥安全气囊的功能要求系统具有一定刚性。
■ 头部撞击法规要求系统具有能量吸收能力，但不允许支架材料断裂。
■ 表面硬度要求仅允许系统在模拟手指施加压力后产生预定的变形值。
■ 质量和壁厚之间的平衡要求系统能够在车辆典型的频率下防止座舱共振。
PP-LGF30满足了所有这些要求。30%长纤维含量提供了必要的刚度和能量吸收性能；PP基体则具有足够的灵活性，可防止高动态负荷下产生的断裂。支架的材料组合和斜槽滑道的材料都表现出了优异的流动性和纤维浸渍效果。该材料采用北欧化工公司独创的长纤维增强粒料拉挤工艺在其位于意大利蒙扎的特殊复合厂生产而成。该技术在保持部件的长纤维长度的同时还提供了广泛的加工窗口。此外，系统所使用的塑料和添加剂均经过排放优化并满足汽车内饰应用需求。
模拟安全气囊功能：在Fibremod GB303HP斜槽滑道上，用于安全气囊铰链功能的织物和安装模块所需的八颗螺栓均由机器人在注塑成型过程中自动嵌入。PET/PA织物网方案需要匹配注入点并预估流动前沿温度，防止高于240℃的温度对织物造成热损伤。料粒良好的流动性有助于满足这一要求。模拟的作用是设计和优化斜槽滑道在安全气囊弹出时的抗冲击性。相应的挡边几何尺寸在神经痛点进行了删除或添加，挡边末端和基本壁厚则在容许负荷和减重方面进行了优化。图4所示为模拟安全气囊在高温下弹出时的材料负荷。与此同时，整个系统在安全气囊模拟过程中（-30至+107℃的温度范围内）的变形和应力都经过了分析和评估（图5）。在测试过程中，开模运动学和开模时间也是关注重点之一，从而使整个系统满足所有功能和法律要求。
模拟法律要求：关于车辆碰撞事故中的头部撞击法规基本上都出自欧洲ECE第21号法规和美国FMVSS标准。因此，在3毫秒的时间内作用于人类头部的负荷不得超过80倍减速度（克）。在模拟过程中，容许极限可以减至72克，从而为CAE模型和实际部件之间可能存在的不确定性提供安全余量（图6）。北欧化工公司提供的PPLGF30能够快速吸收能量，确保在规定时间内提供大限度的耐冲击性，并且不存在材料失效行为，因为开模断裂不在上述法律法规准许范围之内。
工艺保证
仪表板、斜槽滑道和空气管均通过传统的小型注塑成型工艺制造而成。因此，所有成型件必须在系列产品发布之前通过保证试验，如制造工艺的再现性，从而对部件的长期强度进行评估。工艺能力指数，即cpk值，是容许公差和公差范围之比。因此，cpk值至少达到1.33，该工艺才能被评为“良好”。工艺能力由模制部件的特定功能价值或其重量决定。关乎安全的斜槽滑道和仪表板支架组件的工艺保证贯穿于整个加工环节。当斜槽滑道尚在慕尼黑克劳斯玛菲集团提供的注塑机KM500 - 2700 C1里时，它已经过了铰链织物含量和位置以及双头螺栓数量检查。完美模制并通过测试的部件将统一在注塑成型车间里刻上条形码，这也是进入下一个加工阶段的必要先决条件。此外还有定期进行的补充检查，如尺寸精度和玻璃纤维含量检查。
所有相关的注塑成型参数均存储在Dr xlmaier集团的制造与文档软件包（IPST）里。通过这一方式，部件的条形码使制造工艺随时可以追溯。这一原理同样适用于仪表板支架。在批量生产过程中，补充质量保证测试将定期进行。以仪表板为例，安全气囊的功能通过补充的“落塔试验”进行测试和监控。因此，安全气囊罩开口被内含加速器的加速重量以类似于安全气囊弹出的速度刺穿。通过测量加速质量的减速情况，打开安全气囊罩所需的能量可计算出来。优势：安全气囊罩开口变得可测量，从而具有可比性。同时，这也对“正常”/“不正常”等评估的容许限制值定位做出了明确界定，并可在批量生产期间监控和记录公差窗口。
结语
通过整个增值链的密切合作，捷豹F型跑车的仪表板支架再次创造出了新型高性能高级材料和产品理念。这些成果和未来创新将有助于汽车行业生产出更轻的车辆并进一步降低系统成本。
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