摘　要：本文闡述了長纖維增強熱塑性塑料在線模壓成型技術的基本工藝流程、產品特性及制造優勢。通過收集國內外相關的應用信息，介紹了該工藝的應用范圍，列舉了幾種國內外較為成熟的汽車零部件應用實例。根據汽車行業模塊化生產模式以及該工藝的總體發展情況，分析指出了該工藝在未來輕量化、環境友好等方面的行業發展態勢。
關鍵詞：長玻纖增強熱塑性塑料；工藝優勢；模塊化

1　概　述

1.1　簡介
　　LFT-D是英文Long．Fiber Reinforce Thermoplastic In Direct Processing的縮寫，中文可譯為長纖維增強熱塑性塑料直接成型技術。
1.2　工藝特點
　　相較于GMT和LFT-G這兩種依賴于半成品板材或粒料的生產工藝，LFT-D技術則是直接利用聚合物母粒和玻璃纖維進行日常生產，省去了制板或造粒的中間過程，降本的同時使得制品在原材料的選擇上更為便捷和實用。
　　聚合物粒料可根據產品需求及生產中發生的不良狀況進行快速調整和轉換，增強所用纖維可依照機械性能需要改變配方含量和長度，對于整車廠提出的某些特殊物理性能和某些特殊特性，如熱穩定性、阻燃性、耐熱老化性、著色性、耐吸水性等，則可通過直接在線添加其他改性助劑改善終制品性能。針對不同需求的產品，LFT-D生產工藝將獲得其獨一無二的材料配方，且能適應絕大多數制件的性能要求。
1.3　工藝過程
　　LFT-D典型的工藝過程是聚合物粒料和助劑被輸送到計量與供料單元中，該單元根據初始程序設定確保按設計的比例供料。按比例計量的原料進入雙螺桿擠出機進行塑化、混合，其熔融聚合物通過一個薄膜模頭形成類似瀑布的聚合物薄膜，直接進入雙螺桿擠出機的開口處。玻璃纖維則通過特別設計的紗架，經過預熱、分散等程序被引入到聚合物薄膜的上方，與薄膜匯合一同進入到第二級雙螺桿擠出機中，進行玻璃纖維浸漬、切割、混合，形成連續料塊，由雙螺桿玻纖塑料混合擠出機前端的切割刀具切割成符合制品成型面積的料塊，傳送帶傳送之適當位置，然后送入模具中低溫成型，整個過程一般為30～50秒，相較于GMT成型具有極大的加工成本優勢。見圖1。

2　LFT-D特點及優勢

2.1　性能特點
　　(1)輕質高強。LFT的密度為1.1g／cm³左右，僅為鋼材的1／5～1／7，拉伸強度50～120MPa，彎曲強度90～120 MPa；
　　(2)熱性能。一般塑料的使用溫度為50～100℃，使用玻璃纖維增強后，可提高到100℃以上，一些特殊的LFT使用溫度甚至可提高到200℃以上；線膨脹系數比未增強的塑料低25％～50％，導熱系數為0.3～0.36W／(m?K)，與熱固性復合材料十分相近；
　　(3)耐化學腐蝕性。該特性主要由基體材料的性能決定，熱塑性樹脂的種類很多，每種樹脂都有自己的防腐特點，因此，可以根據LFT的使用環境和介質條件，對基體樹脂進行優選；
　　(4)良好的介電性能。LFT不反射無線電波，透過微波性能良好。在LFT中加入導電材料可改善其導電性能，防止產生靜電。
　　作為與GMT同期競爭的新的工藝技術，LFT-D制品在很大程度可媲美GMT所帶來的極佳應用性能。

　　表1為某GMT板材和LFT制品的物理性能對照表，從兩者的性能對比可以看出兩種復合材料的物理性能各有優劣之處，GMT制品的主要優勢在于其優異的耐沖擊性能，LFT-D制品的優勢則在于制品具有較好的韌性，同時可用較低成本實現滿足實際市場需求的優異性能。
　　目前已有研究表明，在原料聚合物母粒中適當加入補強編織物，可使LFT制品機械性能顯著提高，尤其是懸臂梁沖擊強度。
2.2　經濟優勢
　　(1)原材料的直接在線生產模式極大降低了終制品的成本，避免了半成品較高的采購及相關物流倉儲成本；
　　(2)由于生產所需原材料為直接采購，原料的快速變更可彌補半成品原料采購所帶來的周期長、管理費用高的問題，間接降低了生產成本；
　　(3)加工過程中原料占用量低――低啟動消耗，解決了壓制初期原材料損耗的問題；
　　(4)利用塑化料余溫立即模壓成型，消除了半成品板材二次加熱所產生的能量損耗，且生產過程全部由程序控制，生產線自動運行，顯著降低整體能耗；
　　(5)熱塑性LFT材料為可回收塑料，LFT生產線可在線處理回收材料，環保的同時也帶來了極佳的經濟效益；
　　(6)減少了大量人工操作，勞動力成本降幅可觀。
2.3　技術優勢
　　(1)配方調整更靈活多樣，只需對LFT-D生產線設備做相應調整，即可使用PP、PA6、PET、ABS、PC等不同聚合物粒料，并且對于不同產品的特殊要求可現場快速調整原料比例；
　　(2)玻璃纖維作為復合材料制品中保證機械性能的重要組分，連續可調的成型技術將大大優化制品的性能；
　　(3)終制品保留了超過20mm的玻纖長度，解決了大批量陜速生產中玻纖長度過短帶來的機械強度過低的問題；
　　(4)出色的混料工藝，可保證玻纖與塑料充分混合，即使在筋肋部也能夠保證均勻的纖維分布；
　　(5)優越的流動性，極大改善了制品的表面質量；
　　(6)LFT-D設備的高度自動化，保證了制品的質量穩定性。

3　應用領域

3.1　應用范圍
　　當前，LFT-D生產技術主要的應用領域仍然是汽車制造方面。
　　在汽車輕量化進程中，在保證汽車安全性的前提下，整車重量每減輕10％，常規燃油效率可提高6％～8％，復合材料替代金屬材料已經成為產業發展的主流趨勢。作為汽車產業輕量化中的技術，LFT-D熱塑性復合材料已在眾多知名整車廠得以應用，目前制造模式較為成熟的零部件有前端模塊、保險杠支架、儀表板骨架、座椅骨架、車底防護板、內飾件支架、車輪罩、蓄電池托盤、雜物箱蓋、后掀背門、備胎箱等。見表2。

3.2　應用實例
3.2.1　底部防護板／底部導流板
　　車底護板早期是附裝在白車身上用于保護重要組件的一些小板，后由于80年代末90年代初，德國制定了非常嚴格的車輛噪聲防護法，使得其演變成覆蓋整個底盤的大板。隨著底部護板的發展，其形狀也從簡單平板變得更加復雜，功能開始兼具吸音、隔熱、防腐蝕、高剛性、高沖擊強度等性能。材料則由鋼材、鋁材演變為GMT，直至90年代晚期產生了成本更低、成型方式更為靈活的在線配混直接LFT-D技術，還有部分生產廠家開始使用纖維高度膨松的輕質高強熱塑性塑料LWRT，其韌性不及傳統GMT但比剛度很高，并具有優良的吸聲性能。
　　汽車底護板的制造及應用已經較為成熟，在大眾途觀，上汽榮威350、550、750，上汽E50電動車等車型中均有使用。
3.2.2　前端模塊
　　傳統的汽車前端模塊是由幾十個零部件供應商將鈑金件送至整車廠，然后進行總裝，由于前端模塊很重，對于總裝線裝配效率和生產節拍的要求很高。現在，使用LFT技術并配合零部件模塊化生產模式，將照明、冷卻、減震等組件提前組裝，形成前端模塊總成后再送至整車廠，已經成為了一個新的供應模式。
　　從表3中可以看出，國內對于LFT材料的使用已經越來越普及。

3.2.3　座椅骨架
　　通過將金屬座椅骨架模型在專業分析軟件中進行模擬優化布局，可定制出適用于在LFT-D工藝中生產的制件形狀，并通過在總成中加裝鑲嵌條進行局部增強，在撞車時可保護乘客防止錯位，在沖擊時優化LFT和局部無間斷增強的延展性和變形能力，LFT可替代鋼鐵減重超過40％，并可達到高度的集成功能，實現功能一體化。
　　長城汽車哈弗H5中座椅骨架即采用了LFT-D技術制成。

4　市場現狀及發展前景

4.1　國內外發展情況
　　目前在歐洲，由于勞動力成本、環境保護標準比美國和亞洲等其他地區更高，同時汽車復合材料零部件制造企業又相對集中，單一產品產量較大，所以汽車復合材料零部件供應商更多的是使用LFT-D生產技術，而在美國等其他地區則多使用LFT-G粒料生產技術，主要是因為其零部件采購體制，生產制造商遍布，單一產品產量少，且相對分散，因此更適合用LFT-G生產技術。
　　近兩年以來，在歐美市場已經有30多條LFT-D生產線投產，日本和韓國在接下來的幾年內也將引進LFT-D設備，快速、高效的生產模式將使這些汽車零部件生產企業成本大大降低。
　　而LFT材料在的研發開始于20世紀80年代末、90年代初，應該說和歐美相比在時間上相差不多，但是產業化進程和開發程度相對落后。目前，部分企業已經初步形成具有自主知識產權的LFT制品，并擁有了一定的生產能力，但在產品品質和種類上與水平還有相當大的差距。
4.2　汽車零部件模塊化生產所帶來的機遇
　　所謂汽車零部件模塊化生產，是指以一個零件或部件為中心，將周邊零件組合在一起，經一次成型加工而成，這樣可以減少許多制造成本和模檢具費用。
　　Ford公司所做的研究表明，復合材料制品在汽車制造中的使用可將零部件的數量減少到原來的80％～90％，制造費用相對金屬材料將降低60％，粘結費用相對焊接則減少25％到40％。
　　BASF公司正致力于一種新的構思，將汽車儲油箱、永久性濾器和油泵集成于汽車底部一個用35％玻纖增強PA66制成的模塊內。
　　BMW系列的汽車變速箱組件是用Bayer公司生產的35％玻纖增強PA66制成，它集成了許多零部件于一體，不僅節約了發動機體內的寶貴空間，也減少了成型工藝。
　　美國伊利諾州的TecAir公司用高流動尼龍制造出重5磅、22英寸長的汽車發動機冷卻扇組件，它將風機輪子和其他進氣組件組合在一起，這種產品已經應用到GM公司某車型上。
　　德國梅德賽斯奔馳汽車公司在Atego、Vario和Unimog三種型號輕型載貨汽車上，使用玻璃纖維增強熱塑性塑料代替傳統的鋁制材料制造搖臂蓋。這種搖臂蓋使用DuPont Automotive公司含35％玻璃纖維增強的Zyte170G35HSLRA4尼龍樹脂制成，實現油分離器和搖臂蓋的一體化設計，顯著降低了發動機的工作噪音。
　　作為復合材料界的一支新生力量，LFT-D技術的可設計、高效率、低成本及材料選擇廣泛等優良特點，極大滿足了汽車制造過程中的模塊化生產需求，將成為汽車產業中不可忽視的生力軍。
4.3　市場前景
　　幾十年來，LFT-D已發展成為具有技術的生產模式，在國內汽車領域由簡單制品開始慢慢走向具有復雜結構的、特殊功能性的制品，LFT在汽車制造之外許多領域也開始替代一些傳統工藝，市場拓墾有了初步進展。
　　2010年，占LFT總消費量的9％，排在歐洲、北美和日本之后。但據Townsend公司的報告，到2011年，已超過日本，日本現消費LFT的11％。自2006到2011年期間，LFT材料年增率為12％，這至少是GDP增長率的3倍，這種長纖維增強熱塑性塑料直接成型技術在汽車和非汽車領域中顯示了非常誘人的機遇。
　　LFT-D技術正逐步向高性能、低成本、模塊化、輕量化、標準化的方向發展，將在節能減排、環境友好型的汽車產業中發揮出更大的作用。