由Webasto SC領(lǐng)導的法國團隊開發(fā)了一種新型的固定玻璃、卷簾式天窗模塊，該模塊首次使用熱塑性復合導軌改性塑料取代了傳統(tǒng)的鋁導軌。首先在法國雷諾集團生產(chǎn)的多用途汽車上實現(xiàn)商業(yè)化，這一改變節(jié)省了重量、成本和模具，消除了硬件和多個加工步驟，簡化了裝配線安裝，降低了運營噪音，并在車內(nèi)人員和天窗玻璃面板之間騰出了13毫米的額外凈空空間。

卷簾天窗模塊在歐洲生產(chǎn)的汽車上通常用于覆蓋固定玻璃車頂系統(tǒng)——通常是大型全景車頂，幾乎覆蓋車輛車頂線的整個寬度和長度。當它們被使用時，其功能與剛性遮陽傘差不多，可以阻擋過多的陽光，減弱風雨帶來的噪音。它們由一種薄而輕的阻擋織物組成，沿著機動軌道展開，然后再繞著一個主軸卷起來，主軸位于車頂后部車頂下方的車體內(nèi)部。

傳統(tǒng)的天窗裝配

過去，汽車行業(yè)一直使用鋁制軌道將天窗的卷簾模塊連接到白車身（BIW）車頂結(jié)構(gòu)的天窗結(jié)構(gòu)上，尤其是在大型透明固定玻璃天窗系統(tǒng)的情況下，通?？缭秸麄€車頂?shù)拈L度和寬度。這些導軌安裝在車頂?shù)鸟{駛員側(cè)和乘客側(cè)，這種卷簾式天窗系統(tǒng)具有雙重作用，因為它們形成了滑動表面，當卷簾卷起時，電動織物卷簾沿著該滑動表面行進，從而允許更多的光進入車輛內(nèi)部，或反之操作以減少光線。

鋁軌的傳統(tǒng)制造工藝是從一個固定的截面鋁型材開始的，需要一個勞動密集型的、多步驟的研磨和拋光過程，以實現(xiàn)軌道的復雜形狀，包括：切割長度；通過沖壓形成小褶皺；塑造曲線；不能通過沖壓工具預(yù)成形的復雜形狀的加工/銑削（在每一步之后需要一個工具組/操作和質(zhì)量控制檢查）；陽極氧化黑色或天然顏色；組裝電纜夾、螺旋電纜夾、定心/定位銷和螺母。

雖然鋁軌代表了已知的、成熟的技術(shù)，但它們也有缺點。鋁是一種昂貴的原材料，而且在彎曲成復雜形狀方面比鋼鐵更具挑戰(zhàn)性。另一方面，為了保護環(huán)境，處理用于防止腐蝕的陽極化化學品是一項重大的額外成本。其制造過程長且復雜，模具成本高。此外，增加功能的工作需要使用通過附加組裝步驟應(yīng)用的附加硬件。

每一輛乘用車的制造和型號都使用略微不同的形狀和長度的軌道，因此天窗制造商必須在給定的天窗模塊的生產(chǎn)運行期間生產(chǎn)和儲存大量的庫存。

新的軌道概念

基于其他成功的天窗框架從鋁到復合材料在更小尺寸的移動玻璃天窗系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)換，Webasto的團隊決定進行一項研究，看看在卷簾天窗系統(tǒng)上是否還有更大的側(cè)軌可能轉(zhuǎn)換為復合材料。（前后橫梁已在這種系統(tǒng)上轉(zhuǎn)換為復合材料——通常是玻璃纖維增強聚丙烯GR-PP。）目標是增加功能，減少制造步驟和零件數(shù)量，降低成本和零件重量，且仍符合OEM的性能要求。

研究小組首先研究了導軌的功能和運行條件，并確定了導軌最關(guān)鍵的特性，即導軌能夠促進電動遮陽傘的平穩(wěn)運動，使前后、左右方向的運動方向一致。要做到這一點，軌道需要精確的幾何形狀和沿其整個長度的恒定截面，其長度可以大于一米。此外，軌道必須有足夠的結(jié)構(gòu)以提供與其他天窗/組件的安全連接，包括前后天窗橫梁和天窗結(jié)構(gòu)本身、電機機構(gòu)、天窗玻璃和頂蓋。為了滿足OEM的要求，機動遮陽傘必須在低滑移噪聲水平下工作，以減少機艙內(nèi)部的噪音/振動/刺耳的聲音（NVH）。

首先拋棄了熱固性基體和熱塑性改性塑料。與熱塑性復合改性塑料相比，熱固性復合材料的密度較高，成型周期較慢，需要更多的模具后整理。其還可能產(chǎn)生霧化和揮發(fā)性有機化合物（VOC）排放。由于OEM要求非常嚴格的尺寸控制——特別是為了避免扭曲變形，這將妨礙遮陽傘的順利運行，從而聚酰胺、聚丙烯（PP）和熱塑性聚酯被淘汰。鋁導軌需要潤滑脂才能順利進行遮陽作業(yè)，Webasto的工程師還不確定復合導軌是否需要潤滑劑，聚碳酸酯由于其較差的耐化學性和應(yīng)力裂紋傾向而被淘汰。丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）無法承受天窗的110℃熱需求。

Webasto團隊之前曾使用玻璃纖維增強苯乙烯馬來酸酐/ ABS（GR-SMA / ABS）作為移動玻璃天窗框架，因此他們將注意力集中在這種材料上，這種材料已經(jīng)在汽車工業(yè)中用于儀表盤基片幾十年了。GR-SMA / ABS低密度、堅硬且堅固，在很寬的溫度和濕度范圍內(nèi)具有非常低的翹曲和變形。因為它是無定形的，所以不需要考慮后模具后結(jié)晶和收縮。此外，它可熔融再加工，焊接良好，其馬來酸酐成分確保了與各種基材的高粘合強度，包括用于將玻璃屋頂連接到天窗模塊的聚氨酯結(jié)構(gòu)粘合劑。

Webasto向其GR-SMA / ABS樹脂供應(yīng)商Polyscope Polymers BV尋求建議可用的等級。 Polyscope提供了兩種可能性——5%-GR XIRAN SGH30EB和30%-GR XIRAN SGH60EB，然后在Webasto進行了小規(guī)模實驗室測試。30%-GR等級偏硬，但不需要更高的E模量來確保防曬劑的順利使用。測試顯示15%-GR等級能夠達到機械性能指標，所以團隊選擇使用這種材料，不僅用于左右側(cè)導軌，也用于前橫梁。后橫梁仍保留GR-PP。

下一個決定是使用何種工藝用于生產(chǎn)軌道。該團隊最終決定采用注塑成型工藝。注塑成型可以快速、精確地生成非常復雜的3D結(jié)構(gòu)，具有光滑的表面和美觀性，并具有出色的可重復性和再現(xiàn)性（R＆R）。此外，它還可以模制孔、切口、卡扣，甚至夾子被模壓，減少二次加工。但對于目標應(yīng)用，缺點是注射成型不能在單個步驟中產(chǎn)生中空結(jié)構(gòu)（需要將每個導軌模制成兩件然后連接。）而且工具可能很昂貴。團隊將多個部件合并到一個系列工具中，以降低模具成本。

概念證明

隨著基本概念看起來很有希望，OEM Groupe Renault和模塑商AARK-Shapers加入到開發(fā)團隊。該項目的目標是在2016款雷諾風景（五座）和七座多用途車（MPV）上設(shè)計一個固定玻璃卷簾天窗模塊的復合軌道系統(tǒng)。該團隊決定將每個軌道都設(shè)計為具有高水平的功能集成，在左右兩側(cè)的軌道之間具有鏡像對稱性，并且設(shè)計適用于標準（轎車/五座）和長（貨車/房車/七座）車型。該團隊設(shè)計的各個方面現(xiàn)已獲得三項專利。

為了保持工具成本的可控性，該團隊優(yōu)化了模具設(shè)計，允許左右導軌的頂部和底部、前橫梁，以及連接到后部GR-PP橫梁的三個粘接界面（分別模塑）在每個循環(huán)中生產(chǎn)。另一個節(jié)省成本的步驟是AARK-Shapers使用模塊化塊（插入/移除以運行長軌和短軌版本）而不是昂貴的工具滑塊。要在大型系列工具中模制所有八個GR-SMA / ABS組件，這需要一個夾緊力為1,500 kN的注塑機。選擇超聲波焊接連接頂部和底部導軌，并設(shè)計和制造了一個特殊的裝配夾具。

原型設(shè)計和測試階段使團隊能夠完成軌道設(shè)計，預(yù)測生產(chǎn)挑戰(zhàn)并確保零件通過雷諾的驗證測試，其中包括：
10000個生命周期的耐久性測試。
在-20℃至110℃的溫度范圍內(nèi)，95%相對濕度（RH）下進行三軸振動測試。
溫度循環(huán)從85℃到-20℃到50℃，95%相對濕度（RH）下到110℃。
粘接后的剝離強度和剪切強度。
雷諾NVH的駕駛噪音測試。
翻轉(zhuǎn)“螺旋”測試。
在23℃下的卷簾操作速度至少為75毫米/秒。

“將擠壓鋁導軌轉(zhuǎn)換成天窗卷簾的塑料解決方案的想法最初是Webasto想到的，并且已經(jīng)獲得專利很長一段時間了。”Webasto研發(fā)部門的Jacques Vivien解釋說，他是設(shè)計成本的行業(yè)專家?！叭欢钡阶罱紱]有工程塑料能達到這項功能的嚴格要求。”候選材料必須滿足尺寸精度要求；穩(wěn)定性好，耐溫度和濕度變化；能保持剛度和滑動能力；表現(xiàn)出優(yōu)異的粘合性；做到所有這些并保持成本競爭力。

超出預(yù)期

經(jīng)過兩年多的生產(chǎn)和銷售，復合導軌的性能達到了預(yù)期的水平，并在OEM和客戶層面都獲可以看到許多優(yōu)勢。例如，ARRK-Shapers的巧妙工具已經(jīng)從該計劃中削減了大量成本。Webasto的設(shè)計比傳統(tǒng)的鋁制組件具有更大的功能集成，并且選擇注塑成型可在單次注塑中創(chuàng)建復雜結(jié)構(gòu)，從而消除了硬件和模具后加工，同時降低了成本。僅軌道生產(chǎn)就從七步減少到兩步。

在雷諾的裝配廠，包括卷簾在內(nèi)的新的天窗系統(tǒng)，完全組裝和測試為一體式單元，由機器人粘合到車頂，省去了兩到三個組裝步驟，并允許重新分配操作人員，進一步降低了成本和時間。最初的系統(tǒng)成本降低了20%左右，但新模塊的零部件更少，這預(yù)計將長期降低保修成本，這可以通過雷諾公司已經(jīng)看到的更低的百萬分之一（PPM）缺陷零件和更高的質(zhì)量來表明。另一個好處是Z軸元件堆疊減少了13 mm，因為整個模塊直接粘接到白車身（BIW）屋頂結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的兩到三步工藝將導軌用螺釘固定在BIW上，然后將模塊固定在導軌上。這不僅為工人提供了更多的裝配線空間，而且在車輛使用期間也為更高的車輛乘客提供更多的頂部空間。另一個細微的改進是，在遮陽操作期間不需要潤滑脂并且降低了噪音/振動/粗糙度（NVH）。與鋁一樣，復合材料導軌完全可回收利用，但最初生產(chǎn)它們所需的能量較少，并且在車輛使用壽命結(jié)束時需要回收利用。