汽車工業材料資質認證

汽車工業材料資質認證在北美汽車工業中有一整套成熟的流程和管理措施，這為北美汽車工業的健康發展奠定了堅實的基礎，特別是針對重大的安全和召回的問題，材料資質認證是汽車工業質量信譽的重要一環，本文總結了汽車研究中心（CAR）的Material Qualification in the Automotive Industry,以供參考。

1 推動新材料和材料的資質認證

為了滿足監管燃油經濟性要求并提高性能，汽車制造商將需要輕量化設計車輛，預計車重減少10%可以使燃油消耗降低大約6%。早期的CAR研究“評估整個車隊的輕量化車輛材料技術和成本”顯示，2007?2015年間，材料技術改進率（輕量材料使用增長率）為每年3.8%。由于監管壓力，預計未來十年材料技術進步步伐將加快。到2025年，美國車隊預計將通過使用先進的白車身高強度鋼、鋁合金密封件、內部結構部件中的鎂的使用以及塑料和聚合物復合材料的增長，整車凈重減輕5%。

材料從供應商處采購之前，需要經過一系列材料認證流程。當現有材料或技術需要在現有應用中進行替換或改進時，需要對材料或工藝進行資格認證。將新材料或新技術整合到新產品或新應用中時也是需要認證。管理材料認證涉及多學科，多功能的專家，他們可以考慮產品、工藝和客戶要求。認證過程的目標是建立使用的可行性，證明適用性，解決供應鏈風險以及并行的勞動力開發。對汽車制造商來說，材料的資格認證流程非常重要，因為客戶對汽車的安全性和性能的期望一直很高。由于召回和法律問題，行駛車輛中的部件故障可能會危及生命，并且對于汽車制造商來說代價昂貴。

表1 汽車材料技術趨勢 來源:CAR Research

2 材料認證流程

在車輛中引入新材料是一個三步過程，即材料開發、材料資質認證和材料認證過程。只有當需要開發具有特定屬性的新材料時，開發階段才適用。此階段主要涉及材料供應商的研發部門，如果是共同開發工作，則還包括汽車制造商。在新開發的材料可用于汽車零部件之前，需要由OEM進行評估和認證。資質認證階段之后是確認階段，涉及零件原型設計和性能測試。

材料認證的過程在整個行業并不是標準的。事實上，它不僅在汽車公司之間不同，而且還取決于有問題的材料類型和OEM的短期和長期業務和技術目標。產品工程和材料工程部門應在選擇材料和工藝系統之前確認以下問題：

■哪些車輛部件是使用此材料？

■新材料與目前使用的材料有何不同？

■在世界哪個地區和車輛將在什么條件下使用？

■OEM與供應商有過去的關系嗎？

■市場中是否有使用該材料的現有產品？

■材料的供應鏈是否穩健？

■是否存在報廢的考慮和規定？

■在連接和腐蝕等方面是否與其他相鄰材料兼容？

■是否有工作技能和經驗來處理材料？

CAR認為，如果符合以下條件之一，通常應進行漫長和嚴格的認證過程：

（1）材料用于車輛上的安全關鍵或結構應用?通常用于作為車輛碰撞能量吸收系統一部分的部件材料，例如A柱和B柱、前保險杠結構、碰撞導軌等，都經過詳細審查。

（2）材料是新的，需要全面的分析性能，或者使用新的計算工具?比如超高強度鋼、第三代鋼、先進的鋁和鎂合金以及先進的聚合物復合材料等新材料需要額外的分析和規范降低鋼材使用量。

（3）車輛將用于惡劣的環境?輕型卡車和運動型多用途車輛經常用于越野惡劣的環境。

（4）OEM?供應商關系?OEM可能與供應商沒有以往業務關系，或者供應商是新的市場。

（5）沒有競爭對手在其車輛中使用該材料?如果材料可用，但通常不用于汽車制造業，一般存在很多原因。汽車制造商不愿意成為第一個嘗試使用新材料的公司，因為它沒有使用失效模式的數據。

（6）材料只有一個來源?大多數的汽車制造商都遵循準時化生產的原則，沒有大量庫存。擁有強大的供應鏈是材料認證的主要因素。供應商可能無法提供材料的預期數量，如果它是唯一供應商，則車輛生產可能會受到影響。

（7）OEM目前制造設備的能力受到限制或僅限于特定材料?汽車行業長期以來一直在使用鋼材制造車輛。新材料的引入將需要新的制造設備，這是一筆巨大的資本投資，塑料和復合材料需要一套完全不同的制造工具。

（8）缺乏使用這些材料的經驗?每個OEM都有自己的能力和內部知識庫。一些公司通過在其小量高端車輛中使用先進材料開發了技能組合。例如，寶馬在i3，i8和7系列中廣泛使用碳纖維，福特開發了一款鋁質F150車身。這些制造商可能更愿意在新車上使用這些先進材料，因為他們已經積累了使用這些材料的經驗。如果OEM對這些材料沒有過去的經驗，那么材料認證過程可能會更加嚴格。

（9）高資本投資?由于激烈的競爭和低利潤率，汽車行業對成本非常敏感。如果所涉及的材料需要大量的初始資本投資，或者成本與收益分析不合適，那么決策者可能會對材料的合格性猶豫不決。

根據以上因素，材料認證過程可能涉及圖1所示的全部或僅少數幾次迭代。

圖1 通用材料認證流程圖 Source：CAR Resenrch

2.1 確定材料性能要求和材料開發

材料更換調查和請求可能來自負責材料或組件的發布工程師、組件制造商、組裝廠或采購。雖然這些人有共同的目標，但每個人都有自己的啟動重大變革的特殊原因。裝配工廠可能會根據裝配質量困難或油漆和其他加工困難啟動材料更換。通常情況下，工藝工程師會聯系組件制造商或組件發布工程師解決這些問題。零部件制造商可能會通過減少工件成本或改變工具來降低固定資本成本。

2.2 材料和工藝規范開發

材料認證過程從科學地定義材料開始。這涉及收集標準材料屬性數據。表1顯示了一些應該確定已知的金屬的一些標準材料屬性，盡管OEM之間的確切要求不同。為了收集這些材料，對材料進行了幾個標準測試，以記錄應力?應變曲線、n值、r值、局部成形性、彎曲性、表面性質、微觀結構和化學性能，而環境可持續性、溫度耐久性等取決于所討論材料的類型。

材料規格類型和所需的測試也取決于預期的功能或應用。每種材料都需要一套單獨的規范，以反映材料的行為方式以及材料質量和滿足性能要求的能力。塑料和復合材料可能需要與金屬不同的一組規格，因為它們在加載時的行為非常不同。與金屬不同，測試熱耐久性和可燃性是塑料和復合材料的優先考慮事項。表2提供了塑料認證所需的附加規格示例。

表2 材料認證需要的特性案例

每個OEM對于資質所需的材料規格或屬性都有不同的要求。北美，歐洲和亞洲公司的要求不同，但北美公司內部也存在差異。對于材料性能的獨特內部要求使得制造具有適合所有OEM的規格的材料是也很困難。一些規范在北美公司內已經標準化，特別是對于鋼材，但OEM通常會增加特殊的要求。對于塑料和聚合物復合材料，要求可能有很大差異。

開發用于測試的材料樣本需要分配專業知識、資源、時間和資金。據統計，可能需要生產多達30卷材料，以驗證材料特性范圍。新的測試要求經常被添加到列表中，這需要額外的基礎設施和人力資源，這些通常在供應商處受到限制。一些專門的測試可能需要第三方設備和設施，這使得該過程變得緩慢和昂貴。材料開發和實際生產之間可能存在很大的時間差距。供應商通常需要為研發和測試進行大量的初始投資。過去已做出努力來標準化鋼的一些規格和測試程序，以幫助降低成本并提高可用性。建議對新材料采取類似的措施以使規范標準化。

2.3 識別潛在的材料應用

這一步涉及頭腦風暴潛在的應用材料的問題。這也可能是材料認證的第一步，產品工程師可能會要求材料部門尋找具有特殊性能的材料，以滿足產品的性能和設計要求。如果確定的潛在應用是結構性的，或者對于車輛的完整性和乘客安全至關重要，那么材料將被更嚴格地審查。

OEM越來越傾向于使用多種材料的車輛方法，其理念是將正確的材料放置在車輛的正確位置。例如，高級鋼、聚合物復合材料和碳纖維增強塑料正用于結構部件、鋁封閉和鎂的座椅和儀表板梁。在競爭前的協作性跨行業研究并不普遍，這阻礙了地面車輛中先進材料的增長。一些特定材料行業如鋼鐵公司已經組建了合作團體來推廣他們的材料。

有時供應商可能會根據一般的市場調查獨立開發材料，或者填補產品中可以察覺的差距。Future Steel Vehicle（FSV）是最近完成的來自World Auto Steel的汽車輕量化示范項目。FSV項目包括開發新的AHSS等級以優化等級和規格縮減并改進制造技術以支持新等級的實施。

輕量化材料聯盟（CALM）是CAR的一個獨特的工作組，通過連接不同的材料供應商在項目或應用中展示新技術或材料，促進混合材料車輛的設計。最新的CALM報告題為“混合材料解決方案：門組件的替代材料”已經開展了一個共同開發的示范項目，該項目專注于批量生產車門的混合材料解決方案。該項目有助于展示并加速推出輕量化技術。與最初的低碳鋼設計相比，項目中使用的替代門組件的重量減輕達65%。

識別新材料應用的另一個挑戰是車輛開發計劃（VDP）的安排非常緊密，并且只需幾天時間就所用零件的材料做出決定。

2.4 產品原型和計算分析

OEM可能想要測試新材料的潛在應用。材料、結構和制造可以通過數字形式進行定義和認證，以滿足平臺要求和/或原型設計和物理測試。由于物理原型設計昂貴，因此行業在初始階段主要依靠計算分析和專家意見。在硬件構建和物理測試之前可靠地預測耐撞性，耐久性和噪音振動以及苛刻度的能力對產品開發成本和時間產生深遠影響，圖2顯示了數字認證的一般過程。

圖2 數字化認證流程

汽車行業缺乏可靠的材料模型，以數字方式測試新型輕質材料替代品（包括先進鋁合金，超高強度鋼和先進聚合物復合材料）制成的車輛部件。不同的材料需要不同的材料模型。裂紋建模和裂紋擴展行為是高強度材料認證的重要方面。專家認為，現有的材料模型過去未能準確預測高強度材料的斷裂。對于塑料和聚合物復合材料，由于多種原因，模擬結果往往不符合物理測試結果。

2.5 高層批準

高層批準可以成為材料認證過程中的臨界點。OEM為工程部門提供材料的決定通常在材料部門掌握。雖然材料部門往往是供應商與OEM之間的主要聯系點，但其他如制造部門、高級工程部門和采購部門都參與了決策制定。此外，高層管理人員在考慮了技術因素和商業因素后，批準新材料和供應商。要理解整個材料決策過程，人們必須關注車輛使用壽命的所有階段：設計、產品工程、模具制造、生產過程、表面處理、裝配、市場影響和二手回收報廢。

決策依賴于事實數據和歷史數據。如果OEM與供應商在過去有著積極的業務關系，那么相關人員之間的關系和信任已經建立。這消除了新供應商在讓他們的產品受到OEM廠商注意時所面臨的最初挑戰。如果供應商是新興市場，并且擁有以前未在批量生產部件中得到驗證的獨特或小眾產品陣容，則認證過程可能是漫長而艱難的。

強大的供應鏈是OEM高層批準物料認證的最重要標準之一。主機廠不希望有關產品的單一材料來源，這對他們的業務來說是一個巨大的風險，因為如果特定的供應商不再能夠生產這些材料，OEM的生產可能會停止。例如，日本的2016年地震在美國汽車行業發生余震，由于地震相關供應問題造成零件短缺。豐田不得不關閉其在該國的大部分工廠。寶馬與西格里集團合作，投資創建獨家供應鏈，以滿足其生產寶馬i3，i8和7系列車型的碳纖維需求。福特決定使用鋁用于其大批量F?150輕型卡車減輕重量的主要因素之一是供應鏈的穩健性。

全球平臺的存在是決策過程中的另一個重要標準。汽車公司越來越傾向于減少共享工程資源和降低成本的平臺數量，其他全球主要原始設備制造商將在現在至2021年之間在2到4個平臺上推動其約80%的業務量。

認證可能涉及兩種已知材料，這些材料將在多材料裝配中一起使用。連接、腐蝕和保護涂層的兼容性成為主要關注點。在這種情況下的決策是基于技術的可用性，這些技術可以使這些材料用于這種新的應用。

3 材料認證時間表

新的金屬材料資格的行業平均值約為18?20個月。對于塑料和聚合物復合材料，認證時間約為5?7個月，因為它需要更少的時間來改變其性能以符合客戶的要求。通常材料認證和部分特定測試發生重疊并經過幾次迭代。這些平均數據背后的數據假定應用程序純粹是材料替代。這段時間不包括冗長的材料開發過程。如果設計需要更改，則認證時間可能需要幾個月。塑料和復合材料具有多種優勢，如部件整合和重新設計可提供輕量化。對于以前從未在汽車應用中使用過的材料，資格認證的時間超過平均值。

對于需要在OEM方面進行重大工藝更改的產品?認證時間可能與需要較小工藝更改或不影響周期時間的材料明顯不同。處理材料的變化（例如金屬預處理和粘合劑/密封劑應用到白車身結構）可能需要OEM大量的基礎設施/周期時間變化投資，因此需要更多時間進行批準和實施。

圖3顯示了先進高強度鋼開發和認證的典型時間計劃。材料開發過程通常需要26個月的時間，然后根據材料的類型及其在汽車行業的歷史情況，進行18?21個月的資格階段，該材料通常可在開始生產或工作之前的大約33個月內使用。

圖3 材料認證/車輛開發時間關系（Source：U.S.Steel）

4 OEM原則和風險管理

汽車公司只能應對材料技術的漸進式改進，革命性的新材料不是汽車行業所期望的，主機廠是依靠當前材料技術的漸進式發展的。革命性材料涉及若干風險：

（1）部件故障和車輛召回風險：召回是限制企業形象的破壞和企業過失責任的一種努力，但可能會導致重大的法律費用。

（2）供應鏈失敗：由于不可預見的情況，材料供應鏈可能會失敗，導致汽車生產延遲，這對汽車公司來說是一個重大的經濟損失。出于這個原因，OEM要確保在確定新材料時優先考慮供應鏈的穩健性。

（3）報廢回收和公共衛生：可回收性是材料認證非常重要的材料屬性。由于環境法規和道德原因，OEM需要確保材料不會對環境或一般公眾健康造成危害。例如，由于健康問題，禁止使用鉛。

（4）成本與收益：材料的變化可能會提高產品的性能，但成本可能遠遠超過現實生活中的收益。汽車公司受成本約束，因此被迫做出實質性的材料選擇決定，以確保車輛的成本不會以前所未有的量增長。

（5）客戶期望：市場力量在材料選擇中經常起主要作用，特別是對于內飾材料。例如，如果大多數客戶更喜歡皮革內飾，OEM即使材料更好、成本更低、也可能會猶豫是否嘗試新材料。

5 總結和建議

材料認證是在材料可用于現有產品或新車輛應用之前，在OEM和材料供應商之間進行的過程，該過程中涉及的步驟大多是迭代的。這些步驟是：在開發之前與OEM討論性能要求、開發材料、通過認證測試驗證材料的性能、與最終客戶審查認證結果并獲得客戶的正式批準。本白皮書提出了幾個問題和機會，以便更快地引入新材料，CAR想提出以下建議：

（1）協作努力和開放式創新挑戰

加快推出新材料需要合作。CAR建議根據整個行業的材料類型對測試要求進行標準化，以實現更快，更簡化和更具成本效益的材料認證過程。擁有材料屬性和性能數據的集中來源可以改善材料開發人員、層級和OEM之間的溝通，并優化材料選擇。

創建共享材料屬性數據庫將允許工程師通過針對特定應用的較小子集測試來選擇預先批準的材料來制造零件。

供應商和主機廠考慮為新材料的開發和認證進行成本分攤。這將使小型供應商能夠迅速將他們的產品推向市場，并讓原始設備制造商在材料開發過程中占據上風，加強協調對于加速創新至關重要。

打破引入新材料的文化障礙可能很艱難。通過材料供應商和原始設備制造商聯盟的合作，競爭前研究將促進產品原型設計和測試，以展示新材料的潛在應用。這將增加OEM對新材料和新材料應用的信心。

OEM面臨的開放式創新挑戰將鼓勵供應商之間的良性競爭，并可能導致創新和具有成本效益的產品。

（2）更好的溝通和勞動力培訓

由于物料認證涉及OEM的每個部門，建議在工程、制造、物料和采購部門之間進行詳細和透明的溝通過程。

需要教育工程師和整體員工能夠應用和/或開發材料模型和應用程序。有關新材料技術的持續教育計劃和研討會可以提高人們的總體理解，并可以提高在工程應用中使用新材料的積極性。

（3）可靠的仿真工具

材料的大部分設計和測試都是通過耗時且重復的實驗和表征循環執行的。這些實驗中的一些可能潛在地通過強大而準確的計算工具來執行，但這種模擬準確水平尚不高。

通過計算機模擬預測材料行為的準確性是成本有效的認證過程的關鍵。

（4）先進的成形和連接技術

成型技術的進步是促進汽車零部件新材料的關鍵推動因素。由于產量較高，汽車行業需要較短的周期時間（每部分少于1分鐘）。沖壓模具每分鐘冷壓15?17件，而每分鐘只有2?3個熱沖壓件（假設尺寸相似）。聚合物復合材料和塑料比金屬具有更長的循環時間。需要協作行業的努力來研究和推動創新的先進成形技術，如增材制造，以縮短循環時間，以便更快地引入新材料進行大規模生產。

（5）協調材料資質的OEM標準

強大的國際供應鏈是全球生產車輛材料認證過程中的主要決定因素。汽車制造商正致力于模塊化平臺，這將增加車輛之間的零件共享。統一整個汽車行業所需的資格規格將有助于以更快的速度建立新材料的供應鏈，并減少材料認證時間和成本。供應商的材料等級和屬性的一致性將提高全球供應鏈的穩健性，并提高OEM對新材料的信心。

6 未來的工作

盡管本白皮書涵蓋了汽車行業中材料認證的一般流程，但仍有許多深入研究的機會。CAR為今后的工作建議以下主題：

（1）比較來自不同供應商和OEM之間相同材料的技術規格。開發有代表性的案例研究，確定促成有關材料或工藝的成功、失敗和資格認定時間的因素。

（2）一項研究，記錄再生材料與新材料相比認證過程中的差異。

（3）新產品與再制造產品的認證過程。

（4）為新材料，如鎂和聚合物復合材料制定設計指南。