車用復(fù)合材料的技術(shù)的發(fā)展與運用

2010年9月15-16日，美國塑料工程師學(xué)會(SPE)在美國密歇根州特洛伊市(Troy)舉辦的第十屆ACCE展充滿商業(yè)氣息，但氣氛非常融洽。
大約有397位代表聆聽了51位演講者的7組主題演講，并參與了一場專題討論會。2008年最嚴重的經(jīng)濟低迷期已經(jīng)過去，隨之而來的是一系列商業(yè)規(guī)劃和項目進展報告。
大多數(shù)文章都闡述了復(fù)合材料生產(chǎn)工藝和模擬技術(shù)的提高，同時也討論了新型的綠色產(chǎn)品和材料。主題演講者首先介紹了經(jīng)濟復(fù)蘇的基本情況，特別是汽車行業(yè)，然后集中討論了碳纖維和模擬技術(shù)的進展。專題討論會非常有意思，引發(fā)了一場圍繞復(fù)合材料性能模擬的主題辯論。
IHS汽車公司的Mike Jackson是第一位主題演講者，他指出，商業(yè)模式正在轉(zhuǎn)變，過去20年，美國和歐洲經(jīng)濟體是在不斷累積的債務(wù)基礎(chǔ)上建立起來的，而今后的經(jīng)濟體則是建立在需求之上的。未來五年的經(jīng)濟增長將由巴西、印度和中國引領(lǐng)，而美國、日本和歐盟的增長將會變慢。汽車工業(yè)在2008年之前經(jīng)歷了長達15年的增長。他預(yù)測，目前我們所經(jīng)歷的經(jīng)濟緊縮將會持續(xù)一段時間。他指出，全球平臺和系統(tǒng)通用性是新的驅(qū)動力，市場將被中小汽車和跨界車主導(dǎo)。電動汽車仍將是一個很小的市場。他觀察到福特公司已經(jīng)超過了2007年的銷售水平，也看到其在亞洲四國的良好銷售業(yè)績。 copyright 123456

關(guān)于模擬的討論

有許多關(guān)于模擬技術(shù)的文章，幾個主題演講也對此進行了闡述，當(dāng)此話題出現(xiàn)在主題討論會時，討論會立刻就變成了一場關(guān)于復(fù)合材料模擬技術(shù)現(xiàn)狀的研討會。
在主題討論會期間，有人提出了下面的問題：如果我們使用現(xiàn)有的工具進行虛擬原型制造，我們可以有效地設(shè)計出汽車嗎？如果不行，我們需要什么樣的突破？一位專題小組成員指出，不論對錯，對于復(fù)合材料模型精確性的懷疑仍然會一直存在。



賓利汽車公司的Antony Dodworth補充說：“使用鋼鐵，我們可以肯定地知道自己將會得到什么，而使用復(fù)合材料模型，直到我們制造出來的那一刻才能肯定它是什么樣子的。”公司總經(jīng)理Mark Voss補充說，無論是SMC、碳纖維還是玻纖增強的熱塑性或熱固性塑料制成的產(chǎn)品都是不同的，因此所需要的模擬參數(shù)也是不同的，這加重了人們對這種模擬技術(shù)質(zhì)量的懷疑。

Plasan碳纖維復(fù)合材料公司（Plasan Carbon Composites）的Gary Lownsdale說，他們正與橡樹嶺國家實驗室（ORNL：Oak Ridge National Labs)合作為復(fù)合材料行業(yè)提供所需的模型。Lownsdale繼續(xù)說道，模擬技術(shù)的問題是，目前所有汽車商業(yè)軟件模型都假定準(zhǔn)各向同性，而情況并非如此，特別是在防撞測試中。航空工業(yè)采用的是一套汽車行業(yè)所不具備的模擬工具。例如，汽車行業(yè)沒有關(guān)于編織材料的模擬軟件。航空業(yè)可以制備出一致性極高的碳纖維材料，易于模擬，而汽車工業(yè)不可能做到這一點。
麥克拉倫汽車公司（McLaren Automotive）的Claudio Santoni表示贊同，并補充說，他們在采用復(fù)合材料做設(shè)計時，需要一種不同于金屬的工藝。這一系列表述令許多人表示驚訝。2006年在一場類似的研討會上，專題小組對賽車和航空領(lǐng)域之外缺少高質(zhì)量的模擬技術(shù)表示遺憾。Vistagy公司的Olivier Guillermin說，F(xiàn)1賽車大量使用復(fù)合材料，由于從概念到生產(chǎn)之間的時間表非常短，沒有精確的預(yù)測模型是不可能的。此外，波音公司的James Griffing重申，預(yù)測試值之間是非常接近的。他說，飛機機翼要經(jīng)過三次壽命測試，然后進一步進行測試直到失效，在優(yōu)異的預(yù)測工具幫助下，留下小幅的安全邊際量。



2008年麥克拉倫、美洲杯和Trek自行車所作的演講都指出，這些技術(shù)都高度依賴于模擬技術(shù)，因為開發(fā)時間被大大縮短了，即使是一個部件的故障都可能使多年的工作付之東流。2009年，主題演講者光明汽車公司（Bright Automotive）的Hadrian Rori指出，光明公司進行的貨車氣動設(shè)計都是通過計算機完成的，沒有使用過粘土或比例模型，第一個原型與計算機預(yù)測的結(jié)果完全一致。
e-Xstream工程公司（e-Xstream Engineering）的Roger Assaker在2009年和2010年都作了主題演講。2010年是在專題討論會后進行的演講，從而有機會闡述他們的觀點。e-Xstream是非線性多尺寸模擬技術(shù)DIGIMAT的創(chuàng)造者。他說所有的材料都必須涵蓋其中：橡膠、彈性體、熱塑性塑料、熱固性塑料、玻璃纖維等。集成化的工具必須能夠模擬多種多樣的基體和纖維組合，以及他們的相互作用和所有的制造工藝等。 本文來自123
DIGIMAT是一套采用微觀力學(xué)各向異性方法預(yù)測力學(xué)性能以及化學(xué)、熱學(xué)、電子和其他性能的一套工具。并給出了一系列實例。結(jié)構(gòu)載荷和失效模式都可以精確預(yù)測出來。碳纖維熱塑性塑料制造過程所需的成型條件也可以模擬出來。
Assaker指出了復(fù)合材料設(shè)計中的幾個挑戰(zhàn)。微觀力學(xué)分析會增加開發(fā)過程的成本和時間。沒有一種通用的解決方案適用于所有的應(yīng)用。而且，基礎(chǔ)的材料數(shù)據(jù)庫并不完整，針對這方面的工作正穩(wěn)步進行著。最后他指出，對于模型的精通可以獲得最好的結(jié)果。
那天的晚些時候，達索公司（Dassault）的Rani Richardson和Etienne Ardouin闡述了如何利用航空領(lǐng)域的技術(shù)加速復(fù)合材料在量產(chǎn)汽車中的應(yīng)用。他們所講的基本上與Assaker的觀點一致。他們首先指出，問題在于設(shè)計和制造之間缺乏協(xié)作。當(dāng)設(shè)計人員習(xí)慣于使用模擬工具時，一些制造部門的人員卻仍然在進行著反復(fù)試驗。復(fù)雜的形狀讓制造變得困難，但有模擬工具存在，這些工具是建立在微觀力學(xué)設(shè)計和分析的基礎(chǔ)上的：優(yōu)化的模擬循環(huán)以簡化的模型開始，做快速的初期分類；然后進行復(fù)雜的分析獲得精確的制造規(guī)格。它們可以預(yù)測性能以及失效模式，例如彎曲后的斷裂傳遞和應(yīng)力。兩家公司在模擬工作方面都具有一定的既得利益，但是幾乎所有關(guān)于產(chǎn)品的文章都指出，他們廣泛采用了模擬技術(shù)。

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康迪泰克振動控制系統(tǒng)公司（Conti Tech Vibration and Control）的Hans-Juergen Karkosch和巴斯夫公司的Holger Klink介紹了重載輕量復(fù)合材料發(fā)動機架和底梁。大多數(shù)發(fā)動機架是用鋁制成的。這些發(fā)動機架正被輕質(zhì)的材料所取代：50%的玻纖和橡膠改性的聚酰胺（PA）。發(fā)動機架的重量更輕了，前端軸載荷更小，設(shè)備的復(fù)雜度降低了，噪音也更小。它們在從開發(fā)到制造的整個過程中采用ULTRASIM模擬程序，“非常精確地預(yù)測什么樣的部件性能更好”，甚至可以預(yù)測斷裂的起點。使用相同的開發(fā)工藝和材料制成的一個傳動軸元件重量減輕了50%。到2010年底，將有30種復(fù)合材料發(fā)動機架和200萬個部件在德國、中國和墨西哥制成。
巴斯夫公司獲得SPE創(chuàng)新獎的新型熱塑性油盤就是借助模擬技術(shù)用復(fù)合材料替代其他材料的一個例子。在這個案例中，華夫形狀的設(shè)計使得新型油盤的性能超出了鋁質(zhì)油盤。早期的復(fù)合材料油盤使用希牲片吸收石頭或阻止巖石的破壞。但新型油盤在巖石上運轉(zhuǎn)時遭到的破壞確實比鋁質(zhì)油盤更小。在新型的克萊斯勒5.7L吉普車上，油箱需要承受高達60攝氏度的高溫，標(biāo)準(zhǔn)的油盤做不到這一點，而設(shè)計自由度更大的聚合復(fù)合材料制成的油盤可以。巴斯夫公司的Marianne Morgan說，巴斯夫的ULTRASIM高速材料表征程序可以進行纖維定向，并可以提供碰撞結(jié)果之間的極佳的相關(guān)性。 123,123
另一個受益于模擬技術(shù)的實例是美國汽車研究協(xié)會（USCAR）所發(fā)表的六篇論文。代表們展示了一個新型復(fù)合材料車身底部結(jié)構(gòu)件的研究工作。這個團隊的任務(wù)是設(shè)計一個能夠被所有會員采納的部件和制造程序，包括通用、福特和克萊斯勒。采用這項技術(shù)的關(guān)鍵是能夠利用正在開發(fā)的模型，為任何尺寸和用途的車輛設(shè)計和制造這一部件。



USCAR呈獻的六篇論文概括了在復(fù)合材料車身底部的開發(fā)和制造過程中所做的工作。他們開展了大量的工作模擬碰撞，確定驅(qū)動力為40 mph時速下前端撞擊路障所抵消的力。這一信息傳達出來的意思即需要更大的強度而非硬度，因此可以采用玻纖，而不是碳纖。既然玻纖和碳纖之間的強度差別不是很大，而玻纖更便宜，因此玻纖得以選用。在車身底板與主車架的連接方法的選擇及其制造工藝的選擇上，都廣泛采用了模擬技術(shù)。這個車身底板部件將要替代焊接在一起的14-16鋼質(zhì)部件，因此需要進行大量的工作來研究成型工藝以及成型工藝對復(fù)合材料玻纖板的影響。此外，循環(huán)時間確定為2.5分鐘。 123,123
通用公司的Libby Berger提交了一篇綜述性文章，并展示了今年早期制成的一個模塑成型的復(fù)合材料車身底部結(jié)構(gòu)件。
由于這種部件還非常少，這一領(lǐng)域還需要大量的研究工作，但是所有跡象都表明這將是一個成功的項目，其中的關(guān)鍵組成部分就是它所依賴的精密模擬程序。
在研討會結(jié)尾，Gary Lownsdale仍然持懷疑態(tài)度，他再次重申，采用碳纖維的問題之一就是分析工具的不完整。他說，波音擁有這樣的工具但是它不想與別人分享，汽車公司需要自行開發(fā)他們自己的模擬工具。網(wǎng)絡(luò)對話模擬公司指出，與汽車行業(yè)經(jīng)歷的阻力相似，飛機和跑車制造商也曾經(jīng)對此表示過懷疑，直到幾年前他們做出了改變。他們認為時機很快就要到來了，汽車行業(yè)的信心正在增長，也將全面接受復(fù)合材料模擬程序。關(guān)于模擬技術(shù)完整性的討論當(dāng)然沒有結(jié)束。

碳纖維 123456

碳纖維的應(yīng)用主要是在高端汽車上。Paolo Feraboli代表華盛頓大學(xué)和蘭博基尼介紹了他們與波音和其他公司組成的合資公司所做的一些工作。過去10多年，蘭博基尼不斷增加碳纖維的用量，以便獲得高性能、低燃油消耗和制造上的多樣性。蘭博基尼認為“客戶在輕量汽車中更好的體驗”可以在60mph減速到0以及從0加速到60mph的過程中反映出來。低產(chǎn)高價的汽車促使蘭博基尼采用碳纖維復(fù)合材料。更加復(fù)雜的發(fā)動機罩和尾端設(shè)計可以使用復(fù)合材料來實現(xiàn)，設(shè)計者們已經(jīng)將其發(fā)揮到了極致。



各個行業(yè)之間的合作正推進碳纖維技術(shù)的發(fā)展。蘭博基尼和另一家高端制造商卡拉威高爾夫（Callaway Golf）正進行合作，以簡化制造工藝，消除高溫高壓過程。蘭博基尼、UofW和波音正采用先進的模擬程序驗證防撞性能。蘭博基尼、英特爾、波音和UofW正在開發(fā)嵌有電池和太陽能電池的自發(fā)電部件。
另一個主題演講《T35跑車的誕生》是由Antony Dodworth帶來的。他介紹了碳纖維復(fù)合材料在賓利車型中應(yīng)用的增多，并介紹了一種在碳纖維復(fù)合材料中添加鈷的方法，以便讓它帶有磁性，從而使得樹脂在模具中利用磁性結(jié)合，縮短循環(huán)時間。
麥克拉倫的Claudio Santoni闡述了MP4-12C跑車的碳纖維MonoCell的開發(fā)。MP4-12C標(biāo)價低于25萬美元，產(chǎn)量限制大約為4000臺/年。從1981年開始，F(xiàn)1賽車開始采用碳纖維，駕駛著的安全性大大提高。MP4-12C借助MonoCell繼續(xù)發(fā)揚這一傳統(tǒng)。MonoCell為一片式的RTM結(jié)構(gòu)，循環(huán)時間為4小時，內(nèi)部寬敞，外部簡潔。它完全是由碳纖維復(fù)合材料制成的，如果你問鋁制MonoCell的成本和重量如何，是沒有這樣的參照物的，因為在設(shè)計之初，該部件就不能用鋁來制造。這一難題已經(jīng)困擾了復(fù)合材料工程師很多年。
Gary Lownsdale表明，Plasan正投入其銷售額的20%進行碳纖維復(fù)合材料的研究和開發(fā)。他介紹了一些不足之處，例如由于采用手糊和高壓釜而導(dǎo)致的制造過程緩慢，原材料價格昂貴和分析工具的不完整。他的公司已經(jīng)將循環(huán)時間從88分鐘縮短到了20分鐘，他們預(yù)計很快就可以實現(xiàn)10分鐘的目標(biāo)。他們正在研究環(huán)氧樹脂的化學(xué)性能，他們覺得其性能必須改變才能實現(xiàn)汽車工業(yè)所需要的循環(huán)時間。Plasan正與復(fù)合材料制造商ORNL和Dassault系統(tǒng)公司緊密合作，計劃在2015年使碳纖維的降格降低50%。 copyright 123456

新工藝

新改良過的工藝獲得了廣泛的贊賞。在技術(shù)研討會期間，Vantage技術(shù)公司的Jack Van Ert首先介紹了用于制造大型模塑部件的低壓輕量模具。LOMOLD公司的Werner du Toit介紹了一種與傳統(tǒng)的注射成型相似度達90%的成型方法，只是增加了一個低剪切螺絲和一個計量活塞，用一個大的通道取代了熱流道系統(tǒng)。用這種方法可以加工長玻纖和不同的聚合物。它還允許大型部件的完全填充，并允許使用PET和PA時不會有吸水問題。一個用玻纖增強聚丙烯成型的一片式托盤，展示了這一制造工藝，而且在兩倍于所需重量的情況下通過了變形試驗。
迪芬巴赫（Dieffenbacher）提交了一份關(guān)于高壓樹脂傳遞成型（RTM）的文章。Acrolab的Joseph Ouellette介紹了一種熱導(dǎo)管，可以在復(fù)合材料成型過程中充當(dāng)芯軸。熱導(dǎo)管的關(guān)鍵是，其內(nèi)部的設(shè)計要確保整個芯軸即使在外界熱量不能均勻是施加時，可以均勻受熱。該公司是熱力學(xué)方面的專家，但不是復(fù)合材料專家，因此他們正在尋找應(yīng)用領(lǐng)域。福祿遠東股份有限公司（Flow International Corp）的Duane Snider介紹了精密水噴射切割技術(shù)領(lǐng)域的研究成果。在機器人的操作下，壓強為94000psi的水可以精確切割復(fù)合材料。這種方法比機械方法既快且干凈，已被波音公司廣泛使用。

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熱固性復(fù)合材料

有幾篇文章是關(guān)于片狀模塑料的。新的填料、一種新型異氰酸酯基樹脂，還有直接配混和防止粘結(jié)層的變形都成為討論的話題。所有文章都表明他們可以生產(chǎn)出A級表面的片狀模塑料（SMC），可以直接涂覆最終的涂層。美國瀚森化公司[Hexion Specialty Chemicals，現(xiàn)在改名為邁圖（Momentive）]介紹了一種新型的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，不僅固化時間更快，而且沒有通常的放熱和收縮問題?？捎糜趶椈善吞祭w維車頂?shù)闹苽洹?br /> P.R. Lewis Consulting公司指出，Kevlar纖維填充的部件可以進行機加工，可用來生產(chǎn)長壽命的泵磨損環(huán)。

綠色工程

針對環(huán)境友好型產(chǎn)品的研究一直在進行。這些文章都尋求優(yōu)異的性能，而不是因為產(chǎn)品環(huán)保而簡單地使用它們。
椰殼纖維（椰子的纖維）價格低廉，而且很容易得到，具有復(fù)合材料所具備的優(yōu)良性能。較大的纖維直徑和較高的木質(zhì)素含量，使得椰殼纖維在相同的應(yīng)用中比其他天然纖維和合成纖維具有更大的競爭優(yōu)勢。但作為天然纖維，其缺點就是吸收性較大。西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Labs，PNNL）公司正研制化學(xué)添加劑以減輕許多天然纖維的吸水問題。弗吉亞公司（Faurecia）的Matt Barr展示了一個用天然纖維制成的汽車內(nèi)飾件，其中的天然纖維在碰撞試驗中發(fā)生了變形但沒有斷裂，說明了它的安全優(yōu)勢，而玻纖卻被撕裂了，形成了尖銳的邊緣。

熱塑性復(fù)合材料

加拿大國家研究委員會（National Research Council Canada）的Martin McLeod宣稱，長玻纖熱塑性塑料還沒有完全發(fā)揮出它們的潛能，因為生產(chǎn)力還不夠高，而且在表面處理過程中缺乏熱穩(wěn)定性/尺寸穩(wěn)定性。在線配混(ILC)可以解決這些問題。他將在線配混注射成型和壓塑成型進行了對比，結(jié)果表明兩者之間存在許多差別，在線配混壓塑成型保留了更長的纖維。
Addcomp北美公司的Lewis Martin提到了采用新型添加劑技術(shù)的烯烴復(fù)合材料中越來越低的VOC排放量。歐洲和目前加利福尼亞的新立法都要求降低聚合物添加劑和脫模劑中的VOC。

流行正當(dāng)時

ACCE的主席Cedric Ball在會議結(jié)束時總結(jié)說，他在整個研討會上聽到的鼓勵著他，特別是ITECS Innovative Consulting的Susan Ward指出：復(fù)合材料行業(yè)再次吸引了年輕人的注意，對于獎學(xué)金的關(guān)注和優(yōu)秀的競賽海報驗證了這一觀點。復(fù)合材料似乎重新回到令人興奮的狀態(tài)，并再次開始流行。