環保輕量化需求 推進鈑金件加工新技術

 陳念舜 第304期 2010/6/1 [全亞文化]

「未來如何兼顧電動車重量與效能？已成為供應商彼此競合之標的。」 現今鋰鐵電池仍為電動車主流，由於國內外多數電動車仍採用汽油車底盤為主，相對影響其性能、成本與安全。
在現今鋰鐵電池仍為電動車主流的情形下，由於國內外多數電動車仍採用汽油車底盤為主，但完整的電動車電池通常包括電池芯、模組、封裝（Package）等結構，裝配後重量十分可觀。

以國人自製的納智捷MPV而言，其為維持汽油車的全性能，便總共使用了6,000顆1號電池大小的電池芯，加上模組、封裝後，重達250~300kg左右；若再搭配馬達、控制器，其底盤至少還須承載近1,000kg的車身重量。

為了平均負重，車商通常將電池配置於引擎室或後車廂，影響最大的，還是與底盤銜接的懸吊系統，也將相對減少其壽命。車身遭撞擊後，電池爆炸風險也立即升高！

未來如何兼顧電動車重量與成本，同時達成所需效能？已成為傳統整車廠及電池、零組件供應商加入此新興產業鏈時，彼此競合之標的。
成立底盤旗艦公司 開發電動車專用品
目前經濟部積極推動的「10大產業聚落旗艦公司」裡，即納入包括：

˙製造廠─江申、伍享、旭邑

˙材料廠─中鋼、亞獵士

˙電動車廠─必翔、裕隆

˙國際底盤廠─Magna等業者
共同成立「台灣電動車底盤公司（Taiwan Chassis Company，TCC）」，期待協助底盤業者建立電動車輕量化底盤設計與系統整合能量，與台灣電動車廠合作發展自主電動車底盤；同時募集資金擴大規模，整合電池、馬達動力系統模組，建立「Running Chassis（附動力底盤）」能量（圖1），以爭取進入國際電動車供應鏈，成為Tier 1底盤廠。
金屬工業中心產業研究組專案經理劉文海強調，現今輕量、節能和環保已成為全球汽車工業發展的最新趨勢與議題，歐盟即要求2015年汽車廢料回收利用率需達到95％。
一般汽車材料中的鋼材仍佔全車6成以上，綠色汽車材料之革新將扮演主要推進的動力引擎 ，高強度、輕量化結構則會是提供汽車減重最有效的方法之一。

目前除「多功能系統整合」、「生產技術」外，新材料的應用也佔有舉足輕重的地位，已在國外實現的方法，大致包括如下兩種：
1.改進汽車結構，使零組件薄型化、中空化、小型化和複合化，同時改良內飾、引擎和底盤等所有汽車零組件結構與製程。
2.採用輕量化金屬與非金屬材料，包括高強度鋼、鋁合金、工程塑料及纖維增強複合材料。
鋁鎂質輕高成本 難以打造全車身
金屬中心ITIS產業分析師薛乃綺表示，由於現代汽車工業於非金屬，或輕量化金屬材料應用早已相當純熟。

現今輕金屬及塑料已被大量應用到汽車上，零組件「鋁化」、「CFRP化」等比例也隨著相關應用技術之發展逐漸增加，顯示未來汽車材料朝向複合材料化發展的可能性很高。

劉文海進一步表示，現在國外透過對高品質壓鑄技術與材料之開發，已成功將高真空壓鑄件應用於高韌性的汽車車體和懸吊零件，開拓了鋁合金壓鑄件的新用途；同時以德國Rheinfelden公司為首，開發出3種可應用於汽車上要求衝撞安全性之高延性壓鑄鋁合金。

汽車引擎或變速箱等動力系統採用的鎂合金，仍是以殼體、蓋子類為主流，日本已有廠商開始採用耐熱鎂合金壓鑄的油底殼、自動∕手動變速箱殼體可以在比較高溫環境下使用的鑄件。
然而，未來該產業若持續朝向輕量化發展，想以全鋁鎂合金打造車身與骨架、零組件的技術難度、成本均高，迄今也只有BMW、Audi等少數歐系大廠曾經發表過類似概念車。
因應替代材料威脅，除鋼鐵業須發展出如高強度鋼（HSS） 、先進高強度鋼（AHSS）等新型鋼材，期結合高強度及高可塑性優點，同時兼顧安全性與輕量化；且由於高強度鋼材輕量化效果佳，可提高引擎性能、達到節省油耗的效果，對整車或零組件廠而言，亦可提升品牌形象。
結合車用鈑金 高強度鋼創造產業雙贏
目前中鋼可量產的高強度鋼材規格共包括590MPa、780MPa ，及近期成功開發的980MPa；汽車鋼鐵協會亦正著手推動「FSV（Future Steel Vehicle）計畫」，主要針對電動車用車體進行詳細設計和優化，開發出減重35％的鋼製車體。待通過母廠認證後，將可望大幅提高台製高強度鋼自給率，既增加鋼品附加價值，更有助於降低車廠成本。
日前中鋼也與金屬中心偕同中華汽車、耿鼎、江申、台灣開億、瑞利等10家大廠組成「汽車鈑件OEM與AM產業研發聯盟」，希望進一步提升高強度鋼的成形與點銲應用技術，成功將高強度鋼推廣應用於汽車重要結構零組件。
劉文海指出，由於高強度鋼（AHSS）與傳統鋼材成型特性迥異，前者應用推廣成敗之關鍵，將在於下游二次加工技術成熟與否，共包括拼銲、點銲、沖壓、熱沖壓、液壓成型和鍛造等技術。
其中，拼銲鋼片（Tailor Welded Blanks，TWB）係利用雷射或縫銲方式將厚度、形狀、性能有別，及不同表面鍍層之板片銲接後再剪裁，形成沖壓成型前毛胚，大為減少模具數量，簡化鈑金件和附件，提高車身剛性和強度，既節能又提高加工效率。
1979年VOLVO成功藉此沖壓成型前側邊保險桿後，歐洲Thyssen、Usinor、VA即展開研究，落實應用。近年來成長率均超過30%，南韓、大陸及東南亞用量也日增，2006年全球需求量超過2.9億片，台灣目前共有7條雷射生產線（年產能89.3萬片）、3條縫銲生產線（年產能33萬片）及1條實驗線（年產能超過120萬片）。
另考量超高強度鋼板之成型性不佳，又有回彈問題，以一般沖壓方式生產之汽車零組件強度，通常須限制在1,200MPa以下。日本JFE乃採用常溫輥輪成型，可兼顧高性能與低成本，成功開發出全世界最高強度的1,320MPa超高強度冷軋鋼片，2006年已應用於本田北美版Fit、CR-V的保險桿內骨強化件。
不過在目前超高強度鋼板仍未全面供應情況下，若希望無損成型效果，又需要980MPa以上高強度用途時，使用的則是「熱沖壓成型法（Hot Stamping）」，可利用590MPa之MnB鋼，製造出強度超過1,600MPa之汽車結構件。
至於980MPa超高強度鋼板，因為在鋼中添加Nb、V、Cr、Ni、Mo、Cu等元素不利回收，日本係利用晶粒細化或加工硬化，提高強度；研發方向則集中於改善成型性，及延遲破壞性、組織控制，確保銲接性。
管件液壓成型（Tube Hydro-Forming，THF）則藉由管件內部之高壓流體作用下，鼓脹成型。其特性在於可透過整合設計減少零組件數量，節省銲接所需凸緣。因回彈量小、成型精度高，得以大為變形，使用鋼材的液壓成型零組件可減重10～20%、鋁材30%，並節省至少30%模具成本。
一般應用於汽車底盤、車身結構、安全構件與排氣系統，尤以用於底盤的效益最高，可同時具備耐腐蝕和高剛性、尺寸精度與穩定性；因工件數少，得以簡化製程、降低成本，估計目前北美一般車型中約有50%結構零件係藉此成型。

未來隨著各國電動車產業發展的熱潮不衰，台灣傳統車廠在母廠用料設計要求下，對於先進高強度鋼的需求遞增，勢必帶來現有設備更新或替換的投資，並衍生新的加工技術（圖2）。
若能結合產官學研資源，透過台灣機車、ATV、電動車等利基產業，將有助於切入研發上述關鍵技術。