欧洲最新碳纤维复合材料汽车部件开发项目MAI Skelett

2019年04月25日09:52 来源：复合材料网

德国碳纤维复合材料联盟（Carbon Composites e.V.，CCeV）是一家由企业和研究所组成的联合机构，其成员遍布高性能纤维增强复合材料的整条产业链。该联盟下设多个分支机构，MAI Carbon是其中之一。2012年1月19日经独立评审团评审，MAI Carbon通过了德国联邦教育及研究部（BMBF）前沿技术产业集群的第三轮选拔，成为五大前沿技术产业集群之一，位于慕尼黑、奥格斯堡和英戈尔施塔特三角区，计划到2020年形成碳纤维复合材料的规模化产业集群。为了实现这一目标，MAI Carbon成员企业开展的联合研发项目围绕复合材料部件全生命周期，内容涉及树脂纤维原材料、零部件制造及材料回收等全产业链各环节。
　　MAI Carbon机构由奥迪、宝马、Premium Aerotec、空客直升机、Voith、SGL，以及IHK Swabia、德国碳纤维复合材料研究所（LCC）、慕尼黑工业大学等创立，目前拥有超过120家会员单位。2012年以来，该机构成员间的联合研发项目多达39项，资助金额从几十万欧元到几百万欧元不等。
　　今天，小编带您了解一下MAI Carbon一项名为“MAI Skelett”的示范项目。该项目是复合材料制造商在寻求降低部件成本道路上的一次全新尝试。研究者通过不断努力，混合使用多种材料，将“合适的材料用于合适的部位”，同时最大程度地满足了规模生产对自动化和功能一体化的需求。
　　项目简介
　　MAI Skelett项目获得了德国联邦教育及研究部（BMBF）190万欧元的资助，为期17个月，由宝马公司主持实施，合作企业包括P+Z Engineering公司、SGL Automotive Carbon Fibers公司、CirComp公司和Eckerle公司。该项目针对挡风玻璃上方、两个A柱之间的挡风玻璃横向框架结构开展研发工作，并形成产品和工艺示范。其设计以现有的宝马i3车型为基础，遵从该车型设计的所有功能和结构要求。目标部件不仅是车顶横向框架结构件，提供了良好的刚度（能够有效降低NVH：噪音、振动和粗糙度）、强度（帮助车顶件在压缩实验中满足撞击要求），同时可用于遮阳板、装饰件、照明线等内饰件的固定，以及为挡风玻璃、天窗和车顶外面板提供连接支持。

该项目首次提出“骨架”设计理念，采用单向碳纤维增强复合材料及拉挤成型工艺，经热成型-复合模塑（overmolding）两步法，在75秒内生产出结构件，超越了前期各版本部件的工艺要求，实现了热塑性复合材料在白车身结构中的规模化应用。另外，该项目提高了白车身部件的残余应力，将其断裂方式从脆性断裂变为韧性断裂，从而改善了部件的碰撞行为。采用“骨架”设计的挡风玻璃框架弯折处有4根单向碳纤维增强复合材料拉挤棒，经复合模压工艺封装于部件内。4根拉挤棒中，两根靠近零件底部，两根靠近顶部，不在同一平面内，便于为部件提供扭转刚度和复杂形状的功能附件。

材料选择
　　项目采用价格相对较低的大丝束碳纤维为增强材料。由于50k大丝束碳纤维单丝排列紧密，树脂浸润非常困难。因此，需要结合纤维展宽技术对纤维导向进行优化，才能达到理想的预浸效果，同时保证了50%左右的高纤维体积含量。SGL掌握了这一技术，并将拉挤型材列入了其“热塑性产品备选箱”。
　　除了增强纤维，项目同样考察了不同种类的PA6树脂，以确保其粘度和流变特性能够对拉挤速率和产品质量进行优化。SGL的“热塑性产品备选箱”为项目提供了多种备选材料，包括碳纤维单向带、有机板、不同长度的短切纤维，以及单向碳纤维增强拉挤件。以上材料均采用SIGRAFIL 50k 碳纤维，以及适用于聚丙烯、聚酰胺等热塑性树脂基体的上浆剂。而聚酰胺类热塑性树脂的种类很多，包括PA6、PA66、PA12以及PPA中的部分类型都可以作为候选材料。有些PA6甚至可以在模压过程中通过反应原位获得。
　　热成型和复合模塑工艺
　　MAI Skelett项目最初选用的材料体系为碳纤维增强PA6复合材料。随后，研究人员对材料组分进行了调整，使材料能够适应部件形状及不同部位承载载荷的需要。选择热成型工艺主要考虑了碳纤维需在尽量直的情况下才能表现出高强度和高刚度，因此，拉挤棒材在树脂基体流动方向上被拉伸，其端头则进行弯折和展宽处理。　　

第二步，需将热成型后的拉挤棒材置于红外加热器之下，并在50秒内将其加热至指定温度，随后用机械臂将其转移至注塑模具中。短切纤维树脂糊经复合模塑工艺注塑于型材之上或其周围。复合模塑环节对模具和工艺过程的精度要求极高，这样方能确保热压后的拉挤棒材位置保持不变。

拉挤棒材热成型和复合模塑两步工艺的总周期约为75秒。由于热塑性树脂基体能够在复合模塑工艺之前重熔，因此，热压处理后的拉挤棒材能够在极短时间内完成部件的最终塑形，并与二次注塑材料连接为一体。热塑性树脂的这一特点甚至可使其与金属部件形成连接。同时，热塑性树脂基复合材料的热成型和注塑工艺同样能够获得产品质量的一致性和工艺过程的可控性，这对于规模化生产至关重要。
　　韧性断裂
　　能与玻璃纤维和碳纤维树脂糊相容的PPA和PA6树脂基拉挤型材部件韧性更佳，断裂模式也为韧性断裂。尽管韧性断裂模式的获得损失了挡风玻璃框架所能传递的部分载荷，但这却显著提高了白车身的结构完整性和综合使用性能。
　　尽管在项目结题报告中，宝马公司并未具体指出其倾向的材料组合，但报告总结称，最终的模拟和测试结果表明，“骨架”结构超越了单纯的碳纤维增强复合材料部件除扭转刚度以外所有的性能指标，而扭转刚度对于挡风玻璃框架来说并非关键数据。与普通的碳纤维复合材料部件相比，“骨架”结构部件碰撞过程的载荷水平和能量吸收水平都更为优异。同时，该部件具有韧性断裂模式，不但进一步提高了复合材料结构的碰撞断裂性能，还明确了其断裂行为与白车身整体结构间的关系。

“骨架”设计的未来应用

在结题报告中，宝马公司称将“骨架”设计理念应用于另外6个汽车部件时，同样能够显著降低生产成本、原材料成本和工装成本。SGL公司也建议将该技术应用于汽车及航空座椅、仪表盘、机器手臂、X光工作台等领域。

对“骨架”设计理念的研究并未止步，在随后开展的研发项目MAI Multiskelett中，该设计方法被扩展到了多轴向应力部件，重点研究了轴承部件和拉挤型材的连接部分，特别是有多条载荷路径交叉的大型结构件。此处暂不赘述。

“骨架”理念设计的挡风玻璃横向框架结构件，采用拉挤工艺和复合模塑工艺，有效缩短了工艺周期、减少了材料浪费，诠释了碳纤维在单向载荷结构件上的有效利用方式，是下一代碳纤维增强复合材料设计和规模化生产的典型示范。同时，将其他部件产生的碳纤维边角料用于制作复合模塑工艺所需的树脂糊，能够有效提高部件的功能性和使用性能，是提高复合材料可持续性的有效方法。

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