汽车工业材料资质认证

2018-06-02

汽车文摘 2018年6期

汽车工业材料资质认证在北美汽车工业中有一整套成熟的流程和管理措施，这为北美汽车工业的健康发展奠定了坚实的基础，特别是针对重大的安全和召回的问题，材料资质认证是汽车工业质量信誉的重要一环，本文总结了汽车研究中心（CAR）的Material Qualification in the Automotive Industry,以供参考。

1 推动新材料和材料的资质认证

为了满足监管燃油经济性要求并提高性能，汽车制造商将需要轻量化设计车辆，预计车重减少10%可以使燃油消耗降低大约6%。早期的CAR研究“评估整个车队的轻量化车辆材料技术和成本”显示，2007−2015年间，材料技术改进率（轻量材料使用增长率）为每年3.8%。由于监管压力，预计未来十年材料技术进步步伐将加快。到2025年，美国车队预计将通过使用先进的白车身高强度钢、铝合金密封件、内部结构部件中的镁的使用以及塑料和聚合物复合材料的增长，整车净重减轻5%。

材料从供应商处采购之前，需要经过一系列材料认证流程。当现有材料或技术需要在现有应用中进行替换或改进时，需要对材料或工艺进行资格认证。将新材料或新技术整合到新产品或新应用中时也是需要认证。管理材料认证涉及多学科，多功能的专家，他们可以考虑产品、工艺和客户要求。认证过程的目标是建立使用的可行性，证明适用性，解决供应链风险以及并行的劳动力开发。对汽车制造商来说，材料的资格认证流程非常重要，因为客户对汽车的安全性和性能的期望一直很高。由于召回和法律问题，行驶车辆中的部件故障可能会危及生命，并且对于汽车制造商来说代价昂贵。

表1 汽车材料技术趋势来源:CAR Research

2 材料认证流程

在车辆中引入新材料是一个三步过程，即材料开发、材料资质认证和材料认证过程。只有当需要开发具有特定属性的新材料时，开发阶段才适用。此阶段主要涉及材料供应商的研发部门，如果是共同开发工作，则还包括汽车制造商。在新开发的材料可用于汽车零部件之前，需要由OEM进行评估和认证。资质认证阶段之后是确认阶段，涉及零件原型设计和性能测试。

材料认证的过程在整个行业并不是标准的。事实上，它不仅在汽车公司之间不同，而且还取决于有问题的材料类型和OEM的短期和长期业务和技术目标。产品工程和材料工程部门应在选择材料和工艺系统之前确认以下问题：

■哪些车辆部件是使用此材料？

■新材料与目前使用的材料有何不同？

■在世界哪个地区和车辆将在什么条件下使用？

■OEM与供应商有过去的关系吗？

■市场中是否有使用该材料的现有产品？

■材料的供应链是否稳健？

■是否存在报废的考虑和规定？

■在连接和腐蚀等方面是否与其他相邻材料兼容？

■是否有工作技能和经验来处理材料？

CAR认为，如果符合以下条件之一，通常应进行漫长和严格的认证过程：

（1）材料用于车辆上的安全关键或结构应用−通常用于作为车辆碰撞能量吸收系统一部分的部件材料，例如A柱和B柱、前保险杠结构、碰撞导轨等，都经过详细审查。

（2）材料是新的，需要全面的分析性能，或者使用新的计算工具−比如超高强度钢、第三代钢、先进的铝和镁合金以及先进的聚合物复合材料等新材料需要额外的分析和规范降低钢材使用量。

（3）车辆将用于恶劣的环境−轻型卡车和运动型多用途车辆经常用于越野恶劣的环境。

（4）OEM−供应商关系−OEM可能与供应商没有以往业务关系，或者供应商是新的市场。

（5）没有竞争对手在其车辆中使用该材料−如果材料可用，但通常不用于汽车制造业，一般存在很多原因。汽车制造商不愿意成为第一个尝试使用新材料的公司，因为它没有使用失效模式的数据。

（6）材料只有一个来源−大多数的汽车制造商都遵循准时化生产的原则，没有大量库存。拥有强大的供应链是材料认证的主要因素。供应商可能无法提供材料的预期数量，如果它是唯一供应商，则车辆生产可能会受到影响。

（7）OEM目前制造设备的能力受到限制或仅限于特定材料−汽车行业长期以来一直在使用钢材制造车辆。新材料的引入将需要新的制造设备，这是一笔巨大的资本投资，塑料和复合材料需要一套完全不同的制造工具。

（8）缺乏使用这些材料的经验−每个OEM都有自己的能力和内部知识库。一些公司通过在其小量高端车辆中使用先进材料开发了技能组合。例如，宝马在i3，i8和7系列中广泛使用碳纤维，福特开发了一款铝质F150车身。这些制造商可能更愿意在新车上使用这些先进材料，因为他们已经积累了使用这些材料的经验。如果OEM对这些材料没有过去的经验，那么材料认证过程可能会更加严格。

（9）高资本投资−由于激烈的竞争和低利润率，汽车行业对成本非常敏感。如果所涉及的材料需要大量的初始资本投资，或者成本与收益分析不合适，那么决策者可能会对材料的合格性犹豫不决。

根据以上因素，材料认证过程可能涉及图1所示的全部或仅少数几次迭代。

图1 通用材料认证流程图 Source：CAR Resenrch

2.1 确定材料性能要求和材料开发

材料更换调查和请求可能来自负责材料或组件的发布工程师、组件制造商、组装厂或采购。虽然这些人有共同的目标，但每个人都有自己的启动重大变革的特殊原因。装配工厂可能会根据装配质量困难或油漆和其他加工困难启动材料更换。通常情况下，工艺工程师会联系组件制造商或组件发布工程师解决这些问题。零部件制造商可能会通过减少工件成本或改变工具来降低固定资本成本。

2.2 材料和工艺规范开发

材料认证过程从科学地定义材料开始。这涉及收集标准材料属性数据。表1显示了一些应该确定已知的金属的一些标准材料属性，尽管OEM之间的确切要求不同。为了收集这些材料，对材料进行了几个标准测试，以记录应力−应变曲线、n值、r值、局部成形性、弯曲性、表面性质、微观结构和化学性能，而环境可持续性、温度耐久性等取决于所讨论材料的类型。

材料规格类型和所需的测试也取决于预期的功能或应用。每种材料都需要一套单独的规范，以反映材料的行为方式以及材料质量和满足性能要求的能力。塑料和复合材料可能需要与金属不同的一组规格，因为它们在加载时的行为非常不同。与金属不同，测试热耐久性和可燃性是塑料和复合材料的优先考虑事项。表2提供了塑料认证所需的附加规格示例。

表2 材料认证需要的特性案例

每个OEM对于资质所需的材料规格或属性都有不同的要求。北美，欧洲和亚洲公司的要求不同，但北美公司内部也存在差异。对于材料性能的独特内部要求使得制造具有适合所有OEM的规格的材料是也很困难。一些规范在北美公司内已经标准化，特别是对于钢材，但OEM通常会增加特殊的要求。对于塑料和聚合物复合材料，要求可能有很大差异。

开发用于测试的材料样本需要分配专业知识、资源、时间和资金。据统计，可能需要生产多达30卷材料，以验证材料特性范围。新的测试要求经常被添加到列表中，这需要额外的基础设施和人力资源，这些通常在供应商处受到限制。一些专门的测试可能需要第三方设备和设施，这使得该过程变得缓慢和昂贵。材料开发和实际生产之间可能存在很大的时间差距。供应商通常需要为研发和测试进行大量的初始投资。过去已做出努力来标准化钢的一些规格和测试程序，以帮助降低成本并提高可用性。建议对新材料采取类似的措施以使规范标准化。

2.3 识别潜在的材料应用

这一步涉及头脑风暴潜在的应用材料的问题。这也可能是材料认证的第一步，产品工程师可能会要求材料部门寻找具有特殊性能的材料，以满足产品的性能和设计要求。如果确定的潜在应用是结构性的，或者对于车辆的完整性和乘客安全至关重要，那么材料将被更严格地审查。

OEM越来越倾向于使用多种材料的车辆方法，其理念是将正确的材料放置在车辆的正确位置。例如，高级钢、聚合物复合材料和碳纤维增强塑料正用于结构部件、铝封闭和镁的座椅和仪表板梁。在竞争前的协作性跨行业研究并不普遍，这阻碍了地面车辆中先进材料的增长。一些特定材料行业如钢铁公司已经组建了合作团体来推广他们的材料。

有时供应商可能会根据一般的市场调查独立开发材料，或者填补产品中可以察觉的差距。Future Steel Vehicle（FSV）是最近完成的来自World Auto Steel的汽车轻量化示范项目。FSV项目包括开发新的AHSS等级以优化等级和规格缩减并改进制造技术以支持新等级的实施。

轻量化材料联盟（CALM）是CAR的一个独特的工作组，通过连接不同的材料供应商在项目或应用中展示新技术或材料，促进混合材料车辆的设计。最新的CALM报告题为“混合材料解决方案：门组件的替代材料”已经开展了一个共同开发的示范项目，该项目专注于批量生产车门的混合材料解决方案。该项目有助于展示并加速推出轻量化技术。与最初的低碳钢设计相比，项目中使用的替代门组件的重量减轻达65%。

识别新材料应用的另一个挑战是车辆开发计划（VDP）的安排非常紧密，并且只需几天时间就所用零件的材料做出决定。

2.4 产品原型和计算分析

OEM可能想要测试新材料的潜在应用。材料、结构和制造可以通过数字形式进行定义和认证，以满足平台要求和/或原型设计和物理测试。由于物理原型设计昂贵，因此行业在初始阶段主要依靠计算分析和专家意见。在硬件构建和物理测试之前可靠地预测耐撞性，耐久性和噪音振动以及苛刻度的能力对产品开发成本和时间产生深远影响，图2显示了数字认证的一般过程。

图2 数字化认证流程

汽车行业缺乏可靠的材料模型，以数字方式测试新型轻质材料替代品（包括先进铝合金，超高强度钢和先进聚合物复合材料）制成的车辆部件。不同的材料需要不同的材料模型。裂纹建模和裂纹扩展行为是高强度材料认证的重要方面。专家认为，现有的材料模型过去未能准确预测高强度材料的断裂。对于塑料和聚合物复合材料，由于多种原因，模拟结果往往不符合物理测试结果。

2.5 高层批准

高层批准可以成为材料认证过程中的临界点。OEM为工程部门提供材料的决定通常在材料部门掌握。虽然材料部门往往是供应商与OEM之间的主要联系点，但其他如制造部门、高级工程部门和采购部门都参与了决策制定。此外，高层管理人员在考虑了技术因素和商业因素后，批准新材料和供应商。要理解整个材料决策过程，人们必须关注车辆使用寿命的所有阶段：设计、产品工程、模具制造、生产过程、表面处理、装配、市场影响和二手回收报废。

决策依赖于事实数据和历史数据。如果OEM与供应商在过去有着积极的业务关系，那么相关人员之间的关系和信任已经建立。这消除了新供应商在让他们的产品受到OEM厂商注意时所面临的最初挑战。如果供应商是新兴市场，并且拥有以前未在批量生产部件中得到验证的独特或小众产品阵容，则认证过程可能是漫长而艰难的。

强大的供应链是OEM高层批准物料认证的最重要标准之一。主机厂不希望有关产品的单一材料来源，这对他们的业务来说是一个巨大的风险，因为如果特定的供应商不再能够生产这些材料，OEM的生产可能会停止。例如，日本的2016年地震在美国汽车行业发生余震，由于地震相关供应问题造成零件短缺。丰田不得不关闭其在该国的大部分工厂。宝马与西格里集团合作，投资创建独家供应链，以满足其生产宝马i3，i8和7系列车型的碳纤维需求。福特决定使用铝用于其大批量F−150轻型卡车减轻重量的主要因素之一是供应链的稳健性。

全球平台的存在是决策过程中的另一个重要标准。汽车公司越来越倾向于减少共享工程资源和降低成本的平台数量，其他全球主要原始设备制造商将在现在至2021年之间在2到4个平台上推动其约80%的业务量。

认证可能涉及两种已知材料，这些材料将在多材料装配中一起使用。连接、腐蚀和保护涂层的兼容性成为主要关注点。在这种情况下的决策是基于技术的可用性，这些技术可以使这些材料用于这种新的应用。

3 材料认证时间表

新的金属材料资格的行业平均值约为18−20个月。对于塑料和聚合物复合材料，认证时间约为5−7个月，因为它需要更少的时间来改变其性能以符合客户的要求。通常材料认证和部分特定测试发生重叠并经过几次迭代。这些平均数据背后的数据假定应用程序纯粹是材料替代。这段时间不包括冗长的材料开发过程。如果设计需要更改，则认证时间可能需要几个月。塑料和复合材料具有多种优势，如部件整合和重新设计可提供轻量化。对于以前从未在汽车应用中使用过的材料，资格认证的时间超过平均值。

对于需要在OEM方面进行重大工艺更改的产品−认证时间可能与需要较小工艺更改或不影响周期时间的材料明显不同。处理材料的变化（例如金属预处理和粘合剂/密封剂应用到白车身结构）可能需要OEM大量的基础设施/周期时间变化投资，因此需要更多时间进行批准和实施。

图3显示了先进高强度钢开发和认证的典型时间计划。材料开发过程通常需要26个月的时间，然后根据材料的类型及其在汽车行业的历史情况，进行18−21个月的资格阶段，该材料通常可在开始生产或工作之前的大约33个月内使用。

图3 材料认证/车辆开发时间关系（Source：U.S.Steel）

4 OEM原则和风险管理

汽车公司只能应对材料技术的渐进式改进，革命性的新材料不是汽车行业所期望的，主机厂是依靠当前材料技术的渐进式发展的。革命性材料涉及若干风险：

（1）部件故障和车辆召回风险：召回是限制企业形象的破坏和企业过失责任的一种努力，但可能会导致重大的法律费用。

（2）供应链失败：由于不可预见的情况，材料供应链可能会失败，导致汽车生产延迟，这对汽车公司来说是一个重大的经济损失。出于这个原因，OEM要确保在确定新材料时优先考虑供应链的稳健性。

（3）报废回收和公共卫生：可回收性是材料认证非常重要的材料属性。由于环境法规和道德原因，OEM需要确保材料不会对环境或一般公众健康造成危害。例如，由于健康问题，禁止使用铅。

（4）成本与收益：材料的变化可能会提高产品的性能，但成本可能远远超过现实生活中的收益。汽车公司受成本约束，因此被迫做出实质性的材料选择决定，以确保车辆的成本不会以前所未有的量增长。

（5）客户期望：市场力量在材料选择中经常起主要作用，特别是对于内饰材料。例如，如果大多数客户更喜欢皮革内饰，OEM即使材料更好、成本更低、也可能会犹豫是否尝试新材料。

5 总结和建议

材料认证是在材料可用于现有产品或新车辆应用之前，在OEM和材料供应商之间进行的过程，该过程中涉及的步骤大多是迭代的。这些步骤是：在开发之前与OEM讨论性能要求、开发材料、通过认证测试验证材料的性能、与最终客户审查认证结果并获得客户的正式批准。本白皮书提出了几个问题和机会，以便更快地引入新材料，CAR想提出以下建议：

（1）协作努力和开放式创新挑战

加快推出新材料需要合作。CAR建议根据整个行业的材料类型对测试要求进行标准化，以实现更快，更简化和更具成本效益的材料认证过程。拥有材料属性和性能数据的集中来源可以改善材料开发人员、层级和OEM之间的沟通，并优化材料选择。

创建共享材料属性数据库将允许工程师通过针对特定应用的较小子集测试来选择预先批准的材料来制造零件。

供应商和主机厂考虑为新材料的开发和认证进行成本分摊。这将使小型供应商能够迅速将他们的产品推向市场，并让原始设备制造商在材料开发过程中占据上风，加强协调对于加速创新至关重要。

打破引入新材料的文化障碍可能很艰难。通过材料供应商和原始设备制造商联盟的合作，竞争前研究将促进产品原型设计和测试，以展示新材料的潜在应用。这将增加OEM对新材料和新材料应用的信心。

OEM面临的开放式创新挑战将鼓励供应商之间的良性竞争，并可能导致创新和具有成本效益的产品。

（2）更好的沟通和劳动力培训

由于物料认证涉及OEM的每个部门，建议在工程、制造、物料和采购部门之间进行详细和透明的沟通过程。

需要教育工程师和整体员工能够应用和/或开发材料模型和应用程序。有关新材料技术的持续教育计划和研讨会可以提高人们的总体理解，并可以提高在工程应用中使用新材料的积极性。

（3）可靠的仿真工具

材料的大部分设计和测试都是通过耗时且重复的实验和表征循环执行的。这些实验中的一些可能潜在地通过强大而准确的计算工具来执行，但这种模拟准确水平尚不高。

通过计算机模拟预测材料行为的准确性是成本有效的认证过程的关键。

（4）先进的成形和连接技术

成型技术的进步是促进汽车零部件新材料的关键推动因素。由于产量较高，汽车行业需要较短的周期时间（每部分少于1分钟）。冲压模具每分钟冷压15−17件，而每分钟只有2−3个热冲压件（假设尺寸相似）。聚合物复合材料和塑料比金属具有更长的循环时间。需要协作行业的努力来研究和推动创新的先进成形技术，如增材制造，以缩短循环时间，以便更快地引入新材料进行大规模生产。

（5）协调材料资质的OEM标准

强大的国际供应链是全球生产车辆材料认证过程中的主要决定因素。汽车制造商正致力于模块化平台，这将增加车辆之间的零件共享。统一整个汽车行业所需的资格规格将有助于以更快的速度建立新材料的供应链，并减少材料认证时间和成本。供应商的材料等级和属性的一致性将提高全球供应链的稳健性，并提高OEM对新材料的信心。