隨著制造商尋求降低復(fù)合材料部件的成本，設(shè)計(jì)人員努力盡可能高效地使用構(gòu)成材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)和多種功能的集成。對(duì)于汽車應(yīng)用而言，由于需要短循環(huán)時(shí)間，因此這一挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。
碳纖維車身的加工
寶馬 i3 上科技含量最高的要數(shù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 （CFRP）車身，這種材料是由寶馬公司和西格里公司（SGL） 聯(lián)合開(kāi)發(fā)的，以基于聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料， 在一定的壓力和溫度下，轉(zhuǎn)化成極其細(xì)長(zhǎng)的碳纖維絲線，其中每條碳纖維的直徑僅有 0.007 毫米，最后再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的氧化和碳化處理，形成車身材料。
最初加工出的碳纖維細(xì)絲是以線束的形式呈現(xiàn)的，而每條線束都含有上萬(wàn)條絲，所以還需要對(duì)它們進(jìn)行纏繞在線軸上的后續(xù)處理，為之后的裝運(yùn)工作做好一切準(zhǔn)備。值得一提的是，西格里工廠生產(chǎn)碳纖維的整個(gè)過(guò)程非常環(huán)保，因?yàn)樗麄兯牡碾娔苋縼?lái)自哥倫比亞河的水利發(fā)電能量。
碳纖維材料被運(yùn)往寶馬在德國(guó)瓦爾斯多夫的零部件加工廠，然后根據(jù)需要紡織成各種各樣的結(jié)構(gòu)和樣式；再接著工作人員把這些半成品送往萊比錫和蘭茨胡特的碳纖維增強(qiáng)復(fù) 合材料沖壓車間，完成碳纖維軟性板材（類似坐墊、地毯） 的制造。通過(guò)各種加工機(jī)械，碳纖維板材被切割成各種不同的大小和形狀，然后再利用熱處理或塑料粉末高壓粘合技術(shù)， 把這些板件加工出立體構(gòu)型。加工成型階段，每一次三個(gè)形狀完全相同的碳纖維板件要重疊在一起，這樣可以有效地降低在最終的樹(shù)脂傳遞成型過(guò)程中材料發(fā)生撕裂的可能性。
樹(shù)脂傳遞成型則是把高溫高壓的復(fù)合樹(shù)脂注射入模腔， 浸透增強(qiáng)纖維材料、固化、脫模成型的技術(shù)，比傳統(tǒng)高耗時(shí)的烘箱固化技術(shù)要先進(jìn)很多。
在過(guò)去的十多年時(shí)間里，寶馬公司一直致力于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品和創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)，工程師們已經(jīng)把產(chǎn)品的生產(chǎn)周期降低了一半以上，制造和原材料成本也減少了 30%—40%。工程師又有了進(jìn)一步縮減碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)制造周期的新想法，但在 i3 的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也碰到了不少難題，可工程師沒(méi)有為之擔(dān)心，因?yàn)樗麄冎肋@是最終的成功所必須經(jīng)歷的經(jīng)驗(yàn)積累階段。
寶馬的樹(shù)脂傳遞成型技術(shù)允許加工那些尺寸較小的部件， 比如說(shuō)車身側(cè)圍，再把它們粘結(jié)成一個(gè)更大的組分，最終在 模具中結(jié)合成整體車身；這種技術(shù)把零部件的總數(shù)降低到傳統(tǒng)鋼制車身使用總量的三分之一。
在樹(shù)脂傳遞成型階段之后，利用水激光切割技術(shù)完成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料部件上的嵌入空和邊緣剪裁加工；接著在最新的全自動(dòng)化車身車間中，所有部件進(jìn)行過(guò)表面磨砂處理， 增加粘附性后，結(jié)合為一個(gè)穩(wěn)固整體。
除了車頂使用了可回收再利用的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， i3 外圍全部采用樹(shù)脂塑料，這也是寶馬運(yùn)用這種材料的首款 汽車。相同體積大小下，塑料板材的重量只有鋼板的一般， 而且四分之一的樹(shù)脂材料還是可再生或可循環(huán)使用的。因?yàn)榧庸ぴO(shè)備存在一定的差異，車身外圍塑料板材由三種不同的熱塑性注射成型加工工藝完成，其中最先進(jìn)的是外圍塑料結(jié)構(gòu)和基底結(jié)構(gòu)同時(shí)注射成型和結(jié)合成整體的工藝。
二次成型的骨架設(shè)計(jì)
二次成型或者說(shuō)是包覆模壓成型工藝，即在連續(xù)纖維預(yù)制件頂部注塑成型熱塑性復(fù)合材料，多年來(lái)一直被認(rèn)為是一種可能的解決方案。“這種方法已經(jīng)達(dá)到了新的水平，現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料 BIW 白車身結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)生產(chǎn)。”西格里 SGL Carbon 公司輕量化應(yīng)用中心負(fù)責(zé)人 Christoph Ebel 博士解釋道。
這一進(jìn)步得益于“骨架”設(shè)計(jì)方法，該方法已經(jīng)開(kāi)發(fā)了好幾年。正如 MAI Skelett 項(xiàng)目首次展示的那樣，該工藝涉及使用單向（UD）碳纖維熱塑性塑料，通過(guò)兩步法 75 秒工藝進(jìn)行熱成型和包覆模壓，從而生產(chǎn)出超過(guò)以往所有版本要求的結(jié)構(gòu)屋頂構(gòu)件。它還集成了附件夾子，并改變了從脆性到延性失效模式的碰撞行為，以提高 BIW 剩余強(qiáng)度。
為期 17 個(gè)月的 MAI Skelett 項(xiàng)目得到了德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部（BMBF）的支持，并由碳纖維復(fù)合材料聯(lián)盟（Carbon Composites e.V.）的區(qū)域部門 MAI Carbon 完成。
在寶馬公司的領(lǐng)導(dǎo)下，項(xiàng)目的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的演示：擋風(fēng)玻璃框架，位于玻璃擋風(fēng)玻璃上方的兩根 A 柱之間。 其設(shè)計(jì)基于目前寶馬 i3 的結(jié)構(gòu)，包括所有的功能和空間要求。 擋風(fēng)玻璃框架不僅作為屋頂?shù)臋M向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還提供其他功能：剛度，同時(shí)降低噪音、振動(dòng)和粗糙度（NVH）；強(qiáng)度（屋頂壓力測(cè)試），有助于滿足碰撞要求；一種用于內(nèi)部部件的固定裝置（例如，遮陽(yáng)板、內(nèi)飾，用于照明的燈線束等）， 以及與擋風(fēng)玻璃、天窗和外部屋頂板連接的支架。
骨架設(shè)計(jì)的擋風(fēng)玻璃框架在零件的角落處包含四個(gè) UD 纖維增強(qiáng)拉擠桿，封裝在包覆成型的框架中，以提供扭轉(zhuǎn)剛度和復(fù)雜形狀的功能附件。拉擠型材不是全部在一個(gè)平面上， 而是排列在不同的高度：兩個(gè)靠近 60 毫米高的部分的底部， 兩個(gè)靠近頂部。
對(duì)于 MAI Skelett 擋風(fēng)玻璃框架，最終確定了 10×10 毫 米見(jiàn)方的橫截面。目標(biāo)是使用較便宜、較粗的碳纖維束。然而， 所選擇的 50K 絲束纖維具有無(wú)數(shù)長(zhǎng)絲的緊密堆積，這使得樹(shù) 脂浸漬更加困難。SGL 熱塑性塑料產(chǎn)品經(jīng)理 Veronika Bühler 說(shuō)：“總的來(lái)說(shuō)，這一挑戰(zhàn)可以通過(guò)優(yōu)化的纖維引導(dǎo)和擴(kuò)散來(lái)克服，以達(dá)到最佳浸漬和高達(dá) 50％體積的纖維體積含量。” 西格里 SGL 已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)在提供拉擠成型作為其熱塑性工具箱的一部分。“我們已經(jīng)對(duì)半成品有廣泛的了解， 因?yàn)槲覀兊臒崴苄阅z帶也是基于拉擠成型的。因此，我們能夠快速調(diào)整我們目前使用的拉擠成型技術(shù)，以創(chuàng)建我們自己的型材。該工藝包括纖維體積、孔隙率和尺寸精度的質(zhì)量測(cè)試。 由于自動(dòng)化和機(jī)器人處理，后者非常重要。例如，由于拉擠型材中的殘余應(yīng)力，不會(huì)出現(xiàn)曲率。”
除拉擠增強(qiáng)材料外，還在 MAI Skelett 項(xiàng)目中研究了熱塑 性樹(shù)脂。測(cè)試各種類型的聚酰胺 6（PA6 或尼龍 6）以確定所需的粘度和流變性，以優(yōu)化拉擠成型質(zhì)量和速度。SGL 通過(guò)其熱塑性工具箱為該項(xiàng)目提供了一系列材料，其中包括 UD 帶、有機(jī)片、短纖維和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短切纖維，以 及現(xiàn)在的 UD 增強(qiáng)拉擠成型，均基于 SIGRAFIL 50K 碳纖維， 適用于上漿聚丙烯（PP）和聚酰胺基質(zhì)，包括 PA6 或原位 PA6。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最佳性能，必須協(xié)調(diào)纖維、 施膠和基質(zhì)。
她還解釋了原位 PA6：“這是當(dāng)你與己內(nèi)酰胺單體或單 個(gè)單體與催化劑和活化劑反應(yīng)時(shí)，它們?cè)趶?fù)合材料部件成型過(guò)程中聚合（形成長(zhǎng)長(zhǎng)的聚合物鏈）。”換句話說(shuō)，己內(nèi)酰胺在原位聚合成聚酰胺。Buhler 指出，聚酰胺作為一個(gè)聚合 物基團(tuán)包括 PA66 和 PA12，以及某些類型的 PPA 作為額外的 基質(zhì)選擇。
擋風(fēng)玻璃框架制造的另一個(gè)重要方面，是熱塑性半成品 在成型過(guò)程中和成型后的熱成型能力。這關(guān)系到在包覆成型期間是否能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)形狀的功能化以及熔合。兩者都是 MAI Skelett 項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的重要因素。
熱成型和包覆成型
MAI Skelett 擋風(fēng)玻璃框架的生產(chǎn)始于碳纖維 / PA6 拉擠型材。然后必須對(duì)它們進(jìn)行修改，以適應(yīng)組件的形狀以及在不同點(diǎn)處的負(fù)載引入。選擇熱成型來(lái)做到這一點(diǎn)，首要關(guān)注的是碳纖維的高強(qiáng)度和剛度只能通過(guò)盡可能保持直線來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)拉擠棒在基質(zhì)流動(dòng)方向上拉伸，然后在棒的末端變平并彎曲時(shí)，實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。
該方法的第二步是將熱成型拉擠型材放置在紅外加熱器 下，使其在不到 50 秒內(nèi)達(dá)到溫度，然后使用為此目的開(kāi)發(fā)的自動(dòng)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到注塑模具中。項(xiàng)目中的所有部件均在現(xiàn)有的注塑機(jī)上生產(chǎn)。
然后將纖維增強(qiáng)的化合物包覆成型到型材上和周圍。在包覆成型期間，在模具和工藝中都需要精確度，以便將四個(gè)熱成型拉擠棒保持在適當(dāng)位置。
兩步法，預(yù)成型拉擠成型的熱成型和包覆成型的總循環(huán)時(shí)間約為 75 秒。由于熱塑性基體在包覆成型之前會(huì)重新熔化， 因此可以在非常短的循環(huán)時(shí)間內(nèi)將預(yù)制和熱成型棒材成型并粘合到成品部件中。通常，熱塑性塑料的可熔性也能夠與均勻的金屬部件連接。由于熱塑性熱成型和注塑成型工藝具有出色的再現(xiàn)性和工藝控制，這是大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。
延展性失效
評(píng)估了使用玻璃和碳纖維的相容模塑化合物的 PPA 和 PA6 型材，以探索該組件的更具延展性的失效模式。雖然更 具延展性的失效模式減少了擋風(fēng)玻璃框架的承載能力，但從 整體上改善了 BIW 的結(jié)構(gòu)完整性。
分析方法包括實(shí)體建模、鋼筋建模（幾何建模，其中拉 擠成型作為鋼筋加強(qiáng)包覆成型）和使用殼單元建模，以及這 些的各種組合。軟件包括 FE 解算器 ABAQUS（達(dá)索系統(tǒng)） 和由 Sandia National Laboratories 開(kāi)發(fā)的 Dakota 參數(shù)求解器。 OptiStruct 用于拓?fù)鋬?yōu)化。
雖然寶馬沒(méi)有在其最終項(xiàng)目報(bào)告中指定首選材料組合， 但它確實(shí)得出結(jié)論，最終模擬和測(cè)試結(jié)果表明骨架組件超出 了當(dāng)前碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）部件的所有要求，除了扭轉(zhuǎn) 剛度，被確定不是擋風(fēng)玻璃框架的關(guān)鍵設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素。與 當(dāng)前的 CFRP 部件相比，骨架設(shè)計(jì)超過(guò)了碰撞載荷情況下 的載荷水平和能量吸收。它還成功地實(shí)現(xiàn)了更具延展性的 失效模式，這不僅進(jìn)一步提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞性能， 而且進(jìn)一步提高了對(duì)碰撞性能的理解以及它與整個(gè) BIW 結(jié) 構(gòu)的關(guān)系。
未來(lái)的骨架設(shè)計(jì)應(yīng)用
在 MAI Skelett 最終報(bào)告中，寶馬指出，它已經(jīng)確定了其 他六種車輛部件，這些零部件可以從使用骨架設(shè)計(jì)方法顯著 降低制造、材料和工裝成本中受益。SGL Carbon 建議在汽車 和航天座椅結(jié)構(gòu)、儀表盤、機(jī)器人手臂、x 射線工作臺(tái)等方 面進(jìn)行應(yīng)用。
然而，骨架設(shè)計(jì)方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展，擴(kuò)展到后續(xù) 的 MAI Multiskelett 項(xiàng)目中的多軸受力構(gòu)件。它研究了軸承部 件和拉擠型材相交的區(qū)域，也研究了高荷載引入?yún)^(qū)域，特別 是幾個(gè)主要荷載路徑相交的大型結(jié)構(gòu)部件。與之前的 Skelett 項(xiàng)目一樣，對(duì)組件設(shè)計(jì)和低成本的串行生產(chǎn)線進(jìn)行了研究。
骨架設(shè)計(jì)如何進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有復(fù)合材料部件的一個(gè)例子是 2017 年 由 SGL 和汽車技術(shù)專家 Bertrandt（德國(guó) Ehningen）開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車碳載體前部?jī)?nèi)部。集成了所有主 要功能和裝飾組件。在傳統(tǒng)儀表板中，碳載體基于熱成型有 機(jī)薄片作為承載“骨架”以增加剛度。
“碳載體”結(jié)合輕量級(jí)碳纖維復(fù)合材料和集成功能的“完 美的案例”用于“創(chuàng)新型材料混合的汽車行業(yè)”。在輕型結(jié) 構(gòu)領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）扮演了重要的角色。整體 設(shè)計(jì)，是基于在 Bertrandt 創(chuàng)建的基礎(chǔ)功能包的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)模 型的前汽車內(nèi)飾及可轉(zhuǎn)換電力驅(qū)動(dòng)車。模型包括所有主要功 能和裝飾組件的傳統(tǒng)儀器面板。結(jié)構(gòu)組件也被重新設(shè)計(jì)，使 車內(nèi)感覺(jué)更自由、光明和浮動(dòng)的印象。
“既然設(shè)計(jì)碳載體，我們確?，F(xiàn)在或在不久的將來(lái)其組 件，技術(shù)和組裝概念可以用于大規(guī)模生產(chǎn)。尤其是電動(dòng)車，減少體重意味著更大的行動(dòng)范圍。”Michael Hage CAE 開(kāi)發(fā) 主管如是說(shuō)。加工工藝的主要挑戰(zhàn)是找到最優(yōu)的配置矩陣和 纖維材料，纖維長(zhǎng)度、層結(jié)構(gòu)和過(guò)程技術(shù)，以滿足更加廣泛 的需求。整體設(shè)計(jì)是一種排他性的安裝結(jié)構(gòu)，SGL 集團(tuán)不僅 共享其材料和過(guò)程的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)也在提供了其在大組件 生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)。最優(yōu)混合材料以及生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)在單獨(dú)的輕量 級(jí)和應(yīng)用中心（LAC）， 輕量級(jí)的解決方案都是設(shè)計(jì)用于大 規(guī)模生產(chǎn)。
“將來(lái)，這部件可以用包覆成型熱塑性型材的設(shè)計(jì)取 代。”Ebel 說(shuō)，“這將省略有機(jī)片的切割、鋪設(shè)和修剪操作。 此外，橫梁也將過(guò)時(shí)，因?yàn)槲覀儗⑵湔蠟槔瓟D型材并包覆 它們以實(shí)現(xiàn)儀表板設(shè)計(jì)。這種包覆成型的部件還可以提供更 大的空間和靈活性，以容納所需的附加元件以及用于連接這 些元件或電纜等的螺釘和夾子。”
由 SGL 和 Bertrandt 開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車的碳載體前置內(nèi)部。
Ebel 承認(rèn)這將是一項(xiàng)巨大的設(shè)計(jì)變更。“但它降低了成本并使整個(gè)組件更加高效。”他指出，設(shè)計(jì)一種幾乎沒(méi)有浪費(fèi)的工藝是有可能的，因?yàn)樾筒耐耆凑账璧拈L(zhǎng)度切割， 而且在這些步驟中或在過(guò)度成型前的熱成型過(guò)程中不會(huì)損失碳纖維增強(qiáng)材料。座椅也是骨架設(shè)計(jì)的主要候選。“在復(fù)合材料中，它們通常由織物或帶制成，并且仍然是片狀結(jié)構(gòu)。 但是我們可以通過(guò)整合底部的輪廓和增加剛度來(lái)減小平面區(qū)域的厚度。拉擠型材不是唯一可以構(gòu)建的有效 UD 產(chǎn)品。
“我們正在輕量級(jí)應(yīng)用中心吸引了很多公司。”Ebel 說(shuō)， “骨架設(shè)計(jì)作為一個(gè)額外的創(chuàng)新概念引起了很多人的興趣， 并且被我們的訪客看作是非常有前景的。”該中心已經(jīng)建立了自己的設(shè)計(jì)能力，可以幫助公司整合創(chuàng)新的想法，如骨架概念，為未來(lái)的材料高效組件開(kāi)辟新的設(shè)計(jì)空間。
“在很多應(yīng)用中，我們可以使用類似擋風(fēng)玻璃框架的設(shè) 計(jì)。”布勒說(shuō)，“對(duì)于碳纖維行業(yè)來(lái)說(shuō)，從準(zhǔn)各向同性鋪層發(fā)展是很重要的，這使得碳纖維的強(qiáng)度和剛度有了很大的提高。相反，我們必須開(kāi)發(fā)更有效的材料形式，把每一種材料只放在需要的地方。這是這個(gè)行業(yè)未來(lái)所需要的。”（文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）
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