CFRP应用技术的欧洲动向:2016日本汽车工程学会

RTM最新技术及CFRP/金属复合技术

2016/07/11

概要

(商品化的CFRP轮辋)
商品化的CFRP轮辋
(宝马7系的地板通道罩盖)
宝马7系的地板通道罩盖

 CFRP被誉为是最尖端的轻量化技术。以往只用在少量生产的汽车上,但近来,欧洲市场采用CFRP的实例渐渐增加。本报告以2016横滨日本汽车工程学会的展览及研讨会的演讲内容为中心,着重介绍关于CFRP的最新信息。

 CFRP的成型方法诸多,且目前仍有多种成型方法尚在开发中,颇具发展潜力。现有成型方法中,RTM(树脂传递成型)在汽车行业中正逐渐形成商品化,其最具代表的三种方法为HP-RTM、Compression-RTM及Wet-RPM。本文就以上三种成型方法及其产品进行解说的同时,对混合CFRP和钢或铝等金属材料的复合技术也做介绍。此外,还将介绍混合Mubea公司产不等厚轧制板及CFRP增强板的B柱产品,以及KRAIBURG公司的新型复合材料KRAIBON。

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HP-RTM(High Pressure Resin Transfer Molding)成型

CFRP材料的RTM成型实例


RTM(Resin Transfer Molding)成型工序 资料来源: Krauss Maffei
RTM(Resin Transfer Molding)成型工序 资料来源: Krauss Maffei


HP-RTM成型得到宝马i3全碳纤维车架的13个零部件 资料来源: Krauss Maffei
HP-RTM成型得到宝马i3全碳纤维车架的13个零部件 资料来源: Krauss Maffei

 首先,介绍宝马i3及i8的全碳纤维车架所采用的HP-RTM加工方法。HP-RTM的制造工序将通过以上德国树脂成型机制造商Krauss Maffei公司的工序解说图进行讲解。先将CFRP织品从卷料上剪下(1~3);对其进行冲压成型粗加工(4);随后,将其放置于RTM成型机上(5);内部抽真空(6)后高压注入树脂(7);在模具中加热硬化后产品便完成了(8)。目前,赛车及少量生产的超跑均採用高压釜来完成成型,每次成型都需要花费几小时。而HP-RTM将时间压缩到数分钟内,大幅缩短了成型时间。宝马i3的13个零部件都由HP-RTM方式获得。 HP-RTM使大型复杂产品的一体成型成为可能,并可用于中空结构的产品成型。



CFRP轮辋车轮的量产化(HP-RTM产品实例:Mubea)

CFRP轮辋与铝合金锻造轮辐的混合车轮(Mubea产)
(2016横滨日本汽车工程学会)
CFRP轮辋与铝合金锻造轮辐的混合车轮(Mubea产)
(2016横滨日本汽车工程学会)
CFRP轮辋(2016横滨日本汽车工程学会)
CFRP轮辋(2016横滨日本汽车工程学会)
轮辋与轮辐的连接结构 资料来源:Mubea
轮辋与轮辐的连接结构 资料来源:Mubea
宝马M4 GTS的CFRP轮辋车轮(Mubea产)  资料来源:BMW
宝马M4 GTS的CFRP轮辋车轮(Mubea产) 资料来源:BMW

 2016横滨日本汽车工程学会上,Mubea公司展示了HP-RTM的产品实例——CFRP轮辋与铝合金锻造轮辐的混合车轮。这款车轮通过钛合金螺栓从轮辋内侧连接轮辐。从设计层面上说,该结构实现了螺栓的不可视化。并且,相同结构的CFRP轮辋车轮将作为宝马M4 GTS的可选配置被采用。

 HP-RTM的轮辋成型工序中,固化时间(从注入树脂到加热硬化前为止的时间)约为20分钟。


车轮重量比较 资料来源:Mubea

车轮重量比较 资料来源:Mubea

 上图表示,当汽车的1个车轮上承受500kg负荷的情况下,以7.5Jx20"尺寸的车轮进行研讨时车轮的重量比较。相较于铝合金锻造车轮,CFRP轮辋和铝合金锻造轮幅混合车轮的重量可减轻23%。此外,若将轮辐完全CFRP化(正在开发阶段),重量可减轻30%。



大众XL-1全碳纤维车架(HP-RTM产品实例:Mubea)

大众XL-1的全碳纤维车架
大众XL-1的全碳纤维车架
大众XL-1(实车)照片:Response
大众XL-1(实车)照片:Response

 大众XL-1原型为2013年大众开发的超低油耗概念车,该车约生产销售了1000辆左右。该车车室四周的全碳纤维车架由Mubea公司制造。在模具内放入材料后,注入环氧树脂,加压加热使其硬化。完成需要约2小时(固化时间为20~30分钟)。

车架的CFRP轻量化 资料来源:Mubea
车架的CFRP轻量化 资料来源:Mubea

 车架整体的碳纤维轻量化方面,如上图所示,同样的车架,钢材质重量为350kg,铝合金材质重量为200kg。若用铝合金与碳纤维混合车架代替铝合金车架,重量将减轻20%,若采用全碳纤维车架,重量可减轻50%。Mubea公司除了大众 XL-1之外,还生产过麦克拉伦MP4-12C及保时捷918的碳纤维车架。



Compression RTM(Resin Transfer Molding)成型

RTM(Resin Transfer Molding)成型工序 资料来源: Krauss Maffei
RTM(Resin Transfer Molding)成型工序 资料来源: Krauss Maffei
Compression RTM的开发实例(与Alpex and Roding共同开发) 资料来源:Krauss Maffei
Compression RTM的开发实例(与Alpex and Roding共同开发) 资料来源:Krauss Maffei

 该成型方法虽然不适合三维立体形状,但可用于接近平面形状的产品。上图为Krauss Maffei公司的工序解说图,注入树脂时,不用完全闭合模具(留0.3mm间隙),快速填充树脂。树脂从模具中央部分开始注入,通过化学反应快速硬化。成型所需时间较HP-RTM的20-30分钟相比大幅缩短,仅为5分钟。

 Compression RTM的开发实例(上图),Alpex and Roding与Krauss Maffei共同开发的现代概念车的车身顶盖。



Wet-RTM(Resin Transfer Molding)成型

Wet-RTM成型工序 资料来源:Krauss Maffei
Wet-RTM成型工序 资料来源:Krauss Maffei

 Wet-RTM又称Wet Molding,是HP-RTM进步后的加工方法,目的在于缩短加工周期。到将材料从卷料上剪下为止都与HP-RTM相同,但无粗加工工序。此外不同的是,把材料放入模具前便在材料上铺满树脂,将铺满树脂的CFRP材料移入RTM模具,闭合模具后加压使树脂渗透碳纤维。最后,加热硬化完成加工。由于减少工序来缩短时间,加工周期仅为120秒至180秒。

Wet-RTM采用实例宝马7系 前地板通道增强材料资料来源:Krauss Maffei
Wet-RTM采用实例
宝马7系 前地板通道增强材料
资料来源:Krauss Maffei
Wet-RTM采用实例宝马7系 宝马7系 前地板通道增强材料(装配后状态)资料来源:宝马
Wet-RTM采用实例
宝马7系 前地板通道增强材料(装配后状态)
资料来源:宝马
Wet-RTM采用实例宝马7系 顶梁 资料来源:Krauss Maffei
Wet-RTM采用实例
宝马7系 顶梁
资料来源:Krauss Maffei
Wet-RTM采用实例宝马7系 顶梁(装配后状态) 资料来源:MarkLines (基于宝马资料修改)
Wet-RTM采用实例
宝马7系 顶梁(装配后状态)
资料来源:MarkLines (基于宝马资料修改)

 去年发布并发售的宝马7系车上采用多款CFRP零部件。中央控制台增强材料、顶梁等均为Wet-RTM成型加工品。

Wet-RTMの設備レイアウト例 资料来源:Krauss Maffei
Wet-RTM自动化设备布局
资料来源:Krauss Maffei




















 Wet-RTM成型工序可实现完全自动化。



CFRP与钢材复合化的新结构


通过复合材料减轻车身结构  资料来源:Mubea

 诸如B柱等受侧面冲击时保护乘员空间的部位,为了防止其变形进行了众多设计研讨。Mubea提供的方案为,以不等厚轧制板作成的钢B柱为基础,与CFRP箱型断面结构进行混合,达到增强刚性、强度的同时减轻重量的效果。上图从左侧开始为,不等厚轧制板材B柱的主体板、CFRP增强板、一定厚度的轧制成型或热模锻材定位板,混合上述三种材料得到高刚性、高强度和低重量的结构部件。目前,热模锻材及不等厚轧制板材正逐渐运用于B柱上,相信今后该材料会越来越多运用于高刚性、高强度的结构中。



KRAIBON:使用软材料的新型复合材料

KRAIBON与CFRP的夹层结构 资料来源:KRAIBURG
KRAIBON与CFRP的夹层结构 资料来源:KRAIBURG
KRAIBON的组成材料 资料来源:KRAIBURG
KRAIBON的组成材料 资料来源:KRAIBURG

 KRAIBON为复合纤维与阻尼特性优秀的橡胶混合后所得到的新材料。如上右图所示,将KRAIBON夹在两CFRP层中间组合后,可获得优异的振动衰减特性。

图1 KRAIBON的振动衰减效果 资料来源:KRAIBURG
图1 KRAIBON的振动衰减效果 资料来源:KRAIBURG
图2 纯CFRP材料的损耗系数(衰减系数) 资料来源:KRAIBURG
图2 纯CFRP材料的损耗系数(衰减系数) 资料来源:KRAIBURG
图3 CFRP+铝材的损耗系数(衰减系数)资料来源:KRAIBURG
图3 CFRP+铝材的损耗系数(衰减系数) 资料来源:KRAIBURG
图4 KAIBON的损耗系数(衰减系数)(減衰係数)  资料来源:KRAIBURG
图4 KAIBON的损耗系数(衰减系数) 资料来源:KRAIBURG

 图1为有无使用KRAIBON材料的振动等级对比结果,使用KRAIBON材料的振动等级(蓝色),与没有使用该材料的振动等级(红色)相比,振动等级明显减小,振动衰减效果非常显著。

 图2~图4的横轴为频率,第一纵轴为各材料的损耗系数(表示振动衰减效果的系数),第二纵轴为温度,损耗系数从小到大分别为蓝色(衰减效果小)、黄色及红色(衰减效果大)。图2为纯CFRP材料的损耗系数,整个区域都为蓝色,刚性高但衰减效果小。材料每平米重量最轻为3.5kg/m2。图3为CFRP+铝合金材料,损耗系数较纯CFRP材料稍大一些,但重量也有所增加为5.9kg/m2。图4为KRAIBON材料,损耗系数很大,衰减效果非常明显。此外,该材料重量介于纯CFRP材料和CFRP+铝合金材料之间。

相比ALUBUTYL(铝合金复合材),KRAIBON复合材料重量大幅减轻
相比ALUBUTYL(铝合金复合材),KRAIBON复合材料重量大幅减轻
金属、KRAIBON及CFRP复合材料的特性
金属、KRAIBON及CFRP复合材料的特性

 KRAIBON的重量比铝合金复合材料大幅减轻,且性能(单位重量的损耗系数)提高了375%。该KRAIBON材料与钢、铝等金属或CFRP材料复合后,可获得优秀的振动衰减特性,拥有吸收冲击及吸收高能量的特点。由于需要吸收路面、发动机及动力总成传来的振动和噪音,近来车身结构多采用高刚性零部件及抗振材料,但导致重量及成本的增加。今后,此类振动衰减效果显著的零部件材料势必会成为轻量化进程中至关重要的一环。

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