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碳纤维复合材料(CFRP)技术在德国汽车领域的最新应用

方鲲 1,2 刘康 1,2 方铮 1,2 李玫 1,2

1. 北京纳盛通新材料科技有限责任公司

2. 北京热塑性复合材料工程技术研究所

概要

欧洲汽车制造商厂正在加速CFRP (碳纤维复合材料)在量产车上的普及。BMW在2013年发售的i3和2014年发售的i8、首次在量产车上使用了CFRP单壳体车身,而且在2016年上市的主打车型宝马7系的基础骨架上,不仅采用了铝合金,还采用了CFRP。梅赛德斯奔驰、奥迪也将之作为今后轻量化技术的主要材料,面向量产车进行了研发。

1. BMW i系列的CFRP单壳体车身

在BMW i3的车身构造中、驾驶舱部分的活动模块为CFRP制的单壳体构造。另一个包含动力总成、底盘、电池的驱动模块为铝制,这2个模块结合构成了革命性的新型车身构造。

碳纤维的素材由三菱Rayon生产。BMW于2013年发售i3后,截止到2015年5月的1年半时间,销售了16000辆。在此之前,只有超跑将CFRP用于车架骨格构造部位,像BMW i3这样在量产车上大量使用CFRP是划时代的。

该车身构造的材料明细如图所示,碳纤维强化塑料为68.5kg占全体的一半,再加上热可塑性树脂13.3kg、粘着剂、填充材料等19.5kg,总重量不到101.3kg,构成了驾驶舱的CFRP制单壳体结构部分。

剩余36.8kg集中于下层的驱动模块除底盘、动力总成、电池以外的车身构造部分。下层部分的明细为铝板15.9kg、铝挤出材5.4kg、铝锻造材5.4kg、钢材10.1kg,共计36.8kg。

2. CFRP材料车身重量比钢材料车身重量轻39%

为了比较BMW i3的车身重量,在这里用Mazda 2的车身作为参照。Mazda 2是没有使用铝及CFRP等新材料,而只使用钢材来彻底考虑如何进行轻量化从而开发出的一款具有出众轻型车身的车型。增加了超高张力钢板、高张力钢板,并且分析了高张力钢板的薄板特性,为了使薄板化也能保持强度而在表面形状上下了功夫,比之前车型减重10.2kg。考虑到车辆尺寸及配置提升所增加的25.4kg,所以实际实现了35.6kg的轻量化。车辆性能的评价也很高,十分适合作为比较对象。比较车辆尺寸两者长度几乎相同,对车重影响较大的轴距尺寸一致。但是,由于在车宽和车高方面BMW i3略大,因此为了使Mazda 2在车辆尺寸方面在比较时与BMW i3处于相同条件,加上了相当于长 x 宽 x 高的差值重量后的总重量为228.1kg。

与此相对,BMW i3的车身重量为138.1kg。这与以Mazda 2为基础计算的钢制同尺寸的车辆相比减轻了39%的90kg。这与集结了Mazda 2的最新技术的钢材所进行轻量化开发的结果35.6kg相比,采用CFRP和铝合金作为主体的车身构造的轻量化效果显而易见。

3. CFRP活动模块成型技术

此次,能将CFRP成功用于BNW i3量产车上的最大的理由是生产技术。以往的超跑上所使用的高温法1次成型需要数小时。BMW i3的驾驶舱部分的CFRP活动模块所使用的,高压树脂传递模塑(RTM)法可将时间缩短到数分。RTM是将纤维方向不同的碳纤维积层板所重叠成的“堆栈",按产品形状进行切割,将这个堆栈加热从而做出稳定的立体形状。把预成型的“毛坯”安装在磨具上,在其中注入高压树脂、使纤维和树脂相结合。作为最后的工序、在加热的同时进行冲压使之硬化,从而做出高刚度的制品。

BMW i3的CFRP复合零件,由许多个CFRP部材相粘合,从而构成驾驶舱部分的活动模块的单壳体构造。通过100%自动化的最新粘合技术,能准确的粘合各个零件粘合面的间隙,通过追加热处理缩短了的硬化时间。BMW i3的粘合面的总长度为每1台宽20mm,长达160m。

4.高压树脂传递模塑成型(RTM)法的最新技术

BMW i3的CFRP零件的生产工序除了导入了德国大型成型机厂家Dieffenbacher和KraussMaffei之外,还引进了Fraunhofer ICT的研究机构进行技术合作并联合开发的最新设备。此次i3驾驶舱周围的CFRP车身骨架部分是通过树脂注入成型(RTM)法的热硬化成型件,最新的RTM法有着许多改进,变化也日新月异。BMW i3采用了以下3种成型法。

1)HP-RTM成型(High-Pressure Resin Transfer Molding)

此次的i3有13个零件是通过HP-RTM做成的。

其生产工序是:将由CFRP编成的编织物材料卷曲材中切出,进行冲压成型的预处理(原材料)。将原材料放入RTM成型机中,进行真空处理后,用高压将树脂射出。在模具中进行热硬化最后切下制品。

2)湿法成型(Wet Molding)

此次i3有19个零件采用Wet Molding制成。湿法成型作为HP-RTM的发展形,可缩短循环时间。工序上,到切出卷材这一步为止是一样的,将树脂的注入的工序提前到模具安装之前进行。把CFRP材料里注入了树脂的编织物移动到RTM加工中心,将模具密闭加压使树脂渗透在纤维里面,进行热硬化。也可使用再生纤维薄板。

3)HP-RTM Braided/W Core成型

此次i3有2个零件采用HP-RTM Braided/W Core制成。

HP-RTM Braided像编加入了纤维的橡胶管那样,在圆周上加入碳纤维后编成管

状后,通过RTM成型射出树脂进行热硬化,是管状CFRP制品的成型方法。适用于管状的骨架和加强筋。

5.欧洲轻量化成型技术的趋势

德国Dieffenbacher公司从树脂注入成型(RTM) 开始,还开发了其他各种各样的成型技术,如图所示还和其他公司共同进行研究开发。

第一个是树脂注入成型(RTM),如前所述,正在开发从HP-RTM延展的湿法成型技术。

第二个是SMC(Sheet Molding Compound), 将包含不连续的碳纤维等材料的板状热硬化性树脂放入模具中进行冲压成型、热硬化的方法。与之对应的最新

技术,为降低成本及提升品质在直接将材料投入相同生产线的成型机内,制作板

状素材的D-SMC正在开发中。

第三个是LFT-D(Long Fiber Thermoplastics Direct process), 使用长

纤维复合材料的热可塑性树脂成型。与之对应的最新技术是将追加的强化材料同

时成型的Tailored LFT-D正在开发中。

第四个是GMT(Glass Mat Re inforced Thermoplastics),将玻璃纤维的不织垫在可塑树脂内浸润成型的方法。与之对应的最新技术,正在向在以往的玻璃纤维上叠加碳纤维强化材料进行成型的LWRT ( Lightweight Reinforced Thermoplastics)技术方向发展。

无论哪种技术的开发,都是与Fraunhofer ICT共同开发的,说Fraunhofer ICT的存在是不可或缺的存在也不为过。

6. SMC/D-SMC技术

SMC产品的表面处理十分优秀,十分适合用作汽车的外板。Dieffenbacher公司2012年与Fraunhofer公司共同开发了作为SMC成型最新技术的D-SMC生产线。D-SMC在即将进行冲压成型工序之前,通过调配热硬化性树脂复合材料,实现了SMC成型的成本降低和品质管理的提升。要求轻量化及高强度时包含碳纤维,一般的外饰配件不使用碳纤维的例子也很多,有着种类繁多的产品。

7. D-LFT/Tailored D-LFT成型过程

D-LFT (Direct Long Fiber Thermoplastics) 是将使用长纤维复合材料的热可塑性树脂成型,从聚合物溶解到成型过程的工序直接衔接的生产系统。其特征是,由于使用了碳纤维,耐热性十分优越,具有较高的拉伸强度的同时,能够很好的保持复杂产品形状的尺寸精度。如照片所示,在前置模块的骨架部分、下层挡板、备胎板等成型商品上广泛应用。

Tailored D-LFT通过在D-LFT成型时使用追加的加强材料同时成型,可使刚性和强度以及,能量吸收能力进一步提升。这2种技术也是由Dieffenbacher公司和Fraunhofer ICT及DSM公司共同开发,提供可生产多种汽车配件的设备。

8. 热硬化性树脂成型和热可塑性树脂成型的发展

整理了使用了高性能冲压成型的复合材料成型技术后,得到如上图的分类。以往,虽然以使用CFRP产品的热硬化性树脂为主,但使用热可塑性树脂的产品正在扩大。作为最终工序,即使是热硬化性树脂成型的HP-RTM产品,也有在前工序使用CFRP的原材料成型时,通过使用了热可塑性树脂HP-T-RTM来成型的例子,RTM也不断的在开发新的成型技术。

9.德国汽车轻量化技术开发的优势

在德国正在大力推进整车厂、供应商、设备厂商等民间企业和大学、研究机关相互协作。产、官、学与新技术相结合的计划已经确立,通过各自的经验和知识技术相结合从而推进开发。参加此项目的大学,研究机关的人材又能进入民间企业,从人材培养的观点来看也是十分优秀的。

前述的Fraunhofer是德国十分有实力的研究机关,在德国国内有60以上研究据点,有约2万人的员工从事研究工作。研究课题主要以3-5年后为中心的实用化应用技术。

其中之一的Fraunhofer ICT以轻量化技术开发为主、与各整车厂及设备厂商等就CFRP的产品技术进行了许多共同开发。每年的研究预算约4000万欧元十分庞大。有550名员工,安防相关的员工约为300名,汽车和一般产业相关的研究人员150名。

10. 新型BMW 7系上CFRP的普及

2016年上市的新型BMW 7系上采用了CFRP,生产技术方面,车身各部位将采用树脂注入成型(RTM)法的CFRP加强配件。新型7系如BMW i系列一样,驾驶舱部分并非全都使用CFRP单壳体构造,而是在钢制车身的基础上,部分使用铝合金和CFRP以达到轻量化的目的。不仅BMW、奥迪、梅赛德斯奔驰与预定在新型车型上采用CFRP,在欧洲CFRP于零售车辆上的应用技术开发正在迅速推进。

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