汽車復(fù)合材料應(yīng)用：1分鐘的循環(huán)時間

面對居高不下的燃油價格和日益嚴格的尾氣排放標準，汽車制造商們正在積極行動，以將復(fù)合材料技術(shù)把握在自己的手中。

在美國，國家公路交通安全管理部門（簡稱“NHTSA”）和環(huán)境保護機構(gòu)（簡稱“EPA”）正在對“公司平均燃油經(jīng)濟（簡稱 ‘CAFE’）標準”進行修訂，修訂后的標準將在2017～2025年間執(zhí)行。CAFE標準是美國政府針對所有被售賣到美國的轎車和卡車而設(shè)立的汽車燃油效率標準。這一被提議的“2017～2025標準”，要求汽車的燃油效率要有大幅度的提升。

在歐盟國家，負責制定和頒布大多數(shù)歐盟工業(yè)管理法規(guī)的歐洲委員會目前正專注于解決“直接降低轎車和卡車排放” 的問題。目前對乘用車的CO2排放限制是130g/km，但到2020年，這一數(shù)字將降低到95g/km。而該委員會正在為2020年之后制定的法規(guī)，則作出了更多的承諾。

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因此，無論哪一家汽車制造商，都在試圖減少排放或提高燃油經(jīng)濟性。而最有效的策略之一就是減重。在汽車行業(yè)中，盡管已很少有人對“復(fù)合材料是輕量化解決方案中最好的手段”持有爭議，尤其是碳纖維增強的聚合物（CFRP）材料，其強度重量比高于任何其他金屬材料或聚合物材料。但汽車制造商們卻面臨著三重挑戰(zhàn)：循環(huán)時間、成本和材料的可獲取性問題。那么，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)如何才能夠以適應(yīng)高產(chǎn)量汽車生產(chǎn)的成本和生產(chǎn)速度被制造出來呢？并且，一些汽車制造商已經(jīng)指出，即使碳纖維變得更加便宜，但是，汽車行業(yè)如何才能將自身托付給纖維供給如此不穩(wěn)定且不可靠的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)呢？

在經(jīng)濟衰退前，汽車OEMs提出了這些問題并表示會等待復(fù)合材料行業(yè)的答案。但是，經(jīng)濟衰退后的實際情況——石化燃料價格的持續(xù)攀升以及全球?qū)厥覛怏w排放問題的深刻認識，使得汽車OEMs目前正在大力倡導(dǎo)使用復(fù)合材料。

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圖1 將于2013年發(fā)布的寶馬全電動i3市郊車擁有一個采用樹脂傳遞模塑成型技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料乘員艙


就碳纖維的可獲取性而言，解決這一問題的一種方法是，與一家碳纖維生產(chǎn)商發(fā)展成為合作伙伴關(guān)系，從而為OEM自身的汽車創(chuàng)建一個專門設(shè)計的碳纖維供應(yīng)鏈。2010年，汽車制造商寶馬集團和碳纖維制造商西格里集團正是采取了這種做法。他們組建了西格里汽車碳纖維公司，該公司不久前在美國華盛頓州摩西湖啟用了一個產(chǎn)能3000t的碳纖維工廠，這一產(chǎn)能將服務(wù)于寶馬，因為這些纖維將被大量用于一些大型部件，包括乘員艙以及其他的底盤結(jié)構(gòu)件，并且將被用作2013款全電動i3乘用車和2014款混合電動i8跑車的車身板，這是碳纖維復(fù)合材料首次在量產(chǎn)化的乘用車上被用于底盤結(jié)構(gòu)件。 內(nèi)容來自123456

寶馬與西格里的合作，還進一步挑戰(zhàn)了循環(huán)周期問題。這種滿足轎車或卡車高產(chǎn)量生產(chǎn)要求的生產(chǎn)節(jié)拍，通常被公認為是“每分鐘一個部件”，這是汽車OEMs在金屬沖壓生產(chǎn)中保持了幾十年的生產(chǎn)循環(huán)周期。理想狀態(tài)下，一家汽車制造商更歡迎一種真正的“60s工藝”，而這是復(fù)合材料行業(yè)還不能夠承諾的，特別是熱固性復(fù)合材料，因為此類材料不可避免地要花費足夠的時間來交聯(lián)固化。但復(fù)合材料的支持者們總是強調(diào)說，由于用于復(fù)合材料成型的模具能夠以比金屬沖壓模具少得多的成本被制造出來，因此“每分鐘一個部件”的期望可以通過使用多副模具和多臺壓機且工藝流程相對較長的方式而得到滿足。同時，在過去的幾年里，隨著創(chuàng)新成型工藝的不斷推出，成型周期已逐漸降低。

寶馬工藝的循環(huán)周期尚不為人知，所知的只是其采取的工藝是基于采用碳纖維織物的樹脂傳遞模塑成型技術(shù)（簡稱“RTM”），這是一種比手工鋪層/熱壓罐固化方法（在低產(chǎn)量的超級跑車生產(chǎn)中用于成型CFRP部件）更快的生產(chǎn)工藝。Momentive Specialty Chemicals公司（位于美國俄亥俄州Columbus）的汽車市場開發(fā)經(jīng)理Cedric Ball介紹說，該公司已開發(fā)出了幾種適用于高壓RTM（簡稱“HP-RTM”）工藝的快速固化環(huán)氧樹脂，該工藝的壓力高達2900psi（203kg/cm2），注射速率為200g/s。Ball介紹說，寶馬公司已于2009年使用了快速固化的RTM樹脂，用以成型M3和M6車型的碳纖維復(fù)合材料的車頂。而奧迪汽車公司自2011年起也將該樹脂用于R8車型的B柱側(cè)面板。此外，Ball還表示，該公司有一種5min固化的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)已進入幾款未公布車型的生產(chǎn)中，還有一種2min固化的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)正處于試驗階段。其中，5min固化的環(huán)氧樹脂技術(shù)，組合使用了該公司的EPIKOTE樹脂05475和EPIKURE固化劑05443。在加工方面，該公司與意大利的機器制造商康隆（Cannon）公司以及德國的克勞斯瑪菲和迪芬巴赫均展開了全力合作。“我們確信，通過采用對樹脂系統(tǒng)、工藝和模具設(shè)計組合正確的RTM工藝，實現(xiàn)一分鐘循環(huán)周期不成問題。”Ball說，“樹脂系統(tǒng)是一個關(guān)鍵要素。但Momentive Specialty Chemicals公司確信，所有的3個要素都不可或缺，它們的正確組合才能確保部件的成功生產(chǎn)。” 內(nèi)容來自123456



圖2 帝人公司采用其“60s熱塑性復(fù)合材料壓制成型工藝”成型的乘員艙被用于該示范車上


這種在汽車行業(yè)中史無前例的合作，毫無疑問地為后續(xù)發(fā)生的一系列類似的碳纖維生產(chǎn)商與汽車制造商合作，以期減輕重量并開發(fā)用于碳纖維復(fù)合材料的高速生產(chǎn)工藝創(chuàng)造了條件。最引人注目的合作之一，是通用汽車公司與碳纖維生產(chǎn)商帝人公司之間的合作，因為此項合作的目標是直面“每分鐘一個部件”的挑戰(zhàn)。帝人公司表示，該公司已為采用預(yù)浸料壓制成型技術(shù)的碳纖維復(fù)合材料部件生產(chǎn)而開發(fā)了一種真正的60s生產(chǎn)工藝。那么，其不同之處是什么呢？這種預(yù)浸料采用的是熱塑性的基體材料，因而與熱固性預(yù)浸料不同，它無需更長的時間來進行交聯(lián)或固化。該合作伙伴關(guān)系是于2011年底對外公布的，此后，兩家公司在美國底特律附近建立了一個技術(shù)中心，以充當這項工藝的研發(fā)平臺。該中心目前正在對聚丙烯和聚酰胺樹脂、中等模量的碳纖維（包括單向結(jié)構(gòu)和各向同性結(jié)構(gòu)）以及長纖維增強熱塑性粒料進行評估。通用汽車公司的官員曾表示，在一個量產(chǎn)車的生產(chǎn)中整合碳纖維復(fù)合材料，要求徹頭徹尾地在設(shè)計和工程開發(fā)階段，優(yōu)化對材料的使用并最大程度地降低重量。采用這種工藝生產(chǎn)的部件和結(jié)構(gòu)將于何時出現(xiàn)在通用的汽車上目前尚不清楚。對于這一報道，帝人先進復(fù)合材料美國公司的副總經(jīng)理Eric Haiss說：“通用汽車公司于2011年12月宣布，帝人將為碳纖維在汽車行業(yè)的革新應(yīng)用提供機遇，同時這項技術(shù)將有可能使通用汽車公司成為行業(yè)游戲規(guī)則的改革者。對此，我們備感榮幸。這項當前正在開發(fā)的工藝使我們興奮地預(yù)見到了我們未來的增長機遇。”

2011年1月，戴姆勒公司（位于德國斯圖加特）和碳纖維生產(chǎn)商東麗工業(yè)公司（位于日本東京）在德國埃斯林根組建了一家合資公司，以制造和銷售用作汽車配件的碳纖維復(fù)合材料部件。與寶馬公司一樣，戴姆勒公司正采用一種由東麗公司開發(fā)的被稱作“短周期RTM（Short Cycle RTM）”的RTM工藝，生產(chǎn)用于戴姆勒的梅塞德斯-奔馳乘用車的部件。


圖3 作為汽車復(fù)合材料領(lǐng)域的資深專家，Antony Dodworth表示，將碳纖維復(fù)合材料整合到轎車或卡車中的最大障礙主要發(fā)生在設(shè)計和工程開發(fā)階段。例如，一個復(fù)合材料的車門（上圖），能夠使用比金屬車門（下圖）少得多的部件被設(shè)計和制造出來



圖4 這款金屬車門所需要的單獨制成的部件，遠比采用復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計的同樣車門要多。但Antony Dodworth說，在汽車制造商們開始意識到需要為復(fù)合材料的應(yīng)用而優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，會有一段時間，汽車部件會被設(shè)計成像“黑色金屬”的樣子 123456


第四例合作伙伴已經(jīng)披露了其目標——直接挑戰(zhàn)碳纖維的生產(chǎn)成本。福特汽車公司和陶氏化學(xué)汽車部門于2012年4月組建了團隊，來開發(fā)具有成本效益的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以幫助福特汽車公司實現(xiàn)“到2020年，將新開發(fā)汽車的重量減輕340kg”的目標。陶氏化學(xué)公司并非是一家老牌的碳纖維生產(chǎn)商，但該公司已與碳纖維生產(chǎn)商AKSA公司（位于土耳其伊斯坦布爾）和美國能源部（簡稱“DoE”）的橡樹嶺國家實驗室（簡稱“ORNL”）展開了合作。DoE已為ORNL下達了任務(wù)，以尋求一種可低成本生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的方法。通常為大多數(shù)碳纖維生產(chǎn)商所采用的源自石油的聚丙烯腈（PAN）原絲，其所生產(chǎn)出的高質(zhì)量、尤其是高強度的碳纖維是相當昂貴的。ORNL正在試圖開發(fā)一種低成本的、可持續(xù)的（即植物基的）原絲，它能夠減少最終纖維的成本。雖然陶氏化學(xué)和福特汽車公司都沒有對他們下一步的合作計劃作出解釋，但福特汽車公司的確早于2009年曾明確表示，該公司不會考慮增加碳纖維復(fù)合材料的使用，除非其價格下降到US$5/lb。顯然，自此以后經(jīng)濟環(huán)境的變化改變了福特的觀點。當被問及福特正在考慮在哪些結(jié)構(gòu)上利用其與陶氏的合作成果來使用碳纖維時，陶氏的發(fā)言人說：“我們不會披露與這項聯(lián)合開發(fā)協(xié)議（簡稱 “JDA”）有關(guān)的目標，但大量使用碳纖維復(fù)合材料，從而幫助福特實現(xiàn)汽車減重的愿望這一目的是清晰的。” 123,123

同樣在2012年4月，RTM技術(shù)的專家FRIMO公司（位于德國Lotte）和材料供應(yīng)商亨斯邁聚氨酯公司（位于比利時Everberg）簽署了一項合作協(xié)議，為汽車應(yīng)用開發(fā)纖維增強的聚氨酯解決方案。雖然亨斯邁的聚氨酯屬于熱固性材料，但其交聯(lián)和固化速度極快。亨斯邁已為其Everburg 技術(shù)中心購買了一臺FRIMO的試制用生產(chǎn)單元。這臺設(shè)備是專為加工聚氨酯樹脂體系而設(shè)計的，它使亨斯邁能夠擴大試驗范圍，從而確定以“VITROX”為商品名的一系列新的樹脂可用于汽車復(fù)合材料。利用該設(shè)備，可以準確地描繪出放熱曲線，并可實現(xiàn)預(yù)期的固化時間。作為一個單獨部門，亨斯邁先進材料公司正在推動被其稱作是“快速RTM（Fast RTM）”的技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。該技術(shù)在材料混合和成型中使用的壓力高于217psi（大約是15.2kg/cm2），據(jù)說循環(huán)周期是5.5～13min, 包括：制備預(yù)浸料套料、注射成型、固化和脫模等過程。 123,123


CAFE standards are used by the U.S. government to establish vehicle fuel efficiency standards (measured in miles per gallon or mpg) for all cars and trucks sold into the U.S. The 2017-2025 proposed standard (summarized here) calls for substantial increases.


2012年6月，Umeco公司（位于英國Heanor）宣布，其ACOMPLICE （用于輕量化汽車結(jié)構(gòu)的可負擔的復(fù)合材料）合作團隊，包括：阿斯頓-馬丁拉貢達公司（位于英國Gaydon)、 Delta Motorsport公司（位于英國Northants)、ABB機器人公司（位于瑞士Zurich) 和Pentangle工程服務(wù)公司 (位于英國Grantham)，將檢驗在主流汽車上使用高性能復(fù)合材料的潛力。Umeco在 ACOMPLICE中的作用是開發(fā)快速固化的預(yù)浸料，并確保通過使用機器人實現(xiàn)快速的操作和鋪層工作。與此同時，全新的材料排布及成型技術(shù)將與這些技術(shù)一起被開發(fā)出來，以提高部件的生產(chǎn)效率。該工藝以 Umeco的Dform預(yù)浸料壓制工藝為基礎(chǔ)。 copyright 123456

“我們擁有一些快速固化的樹脂，而不只是環(huán)氧樹脂。” Umeco 的市場戰(zhàn)略總監(jiān)Nigel Blatherwick說，“其中的一些樹脂已接受了一級供應(yīng)商和OEMs的評估。然而，我們正以3個核心要素為目標，開發(fā)4min循環(huán)時間的工藝——這不僅包括部件的成型時間，而且更重要的還包括預(yù)成型過程。這就是說，快速固化的樹脂只是方程式的一部分，因為對于先進復(fù)合材料的應(yīng)用而言，部件設(shè)計、生產(chǎn)工藝和材料這3個要素歷來都缺一不可。

同時，Plasan Carbon Composites公司（位于美國佛蒙特州本寧頓）也花費了過去數(shù)年的時間，與壓機制造商Globe機器制造公司（位于美國華盛頓州塔科馬） 和模具制造商Weber制造技術(shù)公司（位于加拿大安大略米德蘭）一起，研發(fā)了一種快速固化的非熱壓罐系統(tǒng)，用于成型以熱固性樹脂為基體的碳纖維復(fù)合材料，循環(huán)時間大約需要17min, 目標循環(huán)時間是10min。Plasan公司已在美國密歇根州威克瑟姆開放了一個技術(shù)中心，緊鄰汽車行業(yè)的客戶。2011年夏天，該技術(shù)中心試制生產(chǎn)了一種6層碳纖維復(fù)合材料的飾板，它擁有A級表面質(zhì)量和出色的固結(jié)性。

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實際上，如果碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)性汽車部件上瀕于廣泛的應(yīng)用，則很有可能發(fā)生曾在航空和其他行業(yè)中出現(xiàn)的那種情況，即初期的沖動所表現(xiàn)出來的，是設(shè)計并制造出像“黑色金屬”那樣的部件。

Antony Dodworth是Dodworth Design公司（位于英國伯明翰市）的首席復(fù)合材料工程師，曾在carmaker Bentley公司（位于英國柴郡Crewe）擔任工程師。他堅持認為，復(fù)合材料在汽車行業(yè)應(yīng)用的最大障礙不是來自與材料或加工工藝相關(guān)的因素，而是設(shè)計方面的問題。他說：“大多數(shù)的汽車應(yīng)用是受剛性要求的驅(qū)使，因此可能就是剖面尺寸的問題，以及盡可能多地將剖面尺寸整合到每個部件中。而新的材料和工藝開啟了新的設(shè)計可能性，由此而帶來的挑戰(zhàn)就是，要求制成的結(jié)構(gòu)在一種自動化方法中是可制造的，同時追求材料的特性能滿足自身的要求。”
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Umeco公司的Blatherwick也表示，當汽車OEMs關(guān)注零部件的成本時，要將復(fù)合材料整合應(yīng)用到轎車或卡車中，就需要對設(shè)計過程進行更加全面的分析。雖然隨著零部件的年產(chǎn)量從數(shù)百增加到數(shù)千乃至數(shù)十萬時，循環(huán)周期成為一個主要問題，但就OEM所關(guān)注的采用先進復(fù)合材料的成本而言，成型部件的成本將始終處于他們期望值范疇的高位。他說：“當然，還有一系列現(xiàn)實問題需要解決，如：材料表征、虛擬模擬、廢料水平、連接技術(shù)和回收利用等。但是，如果材料供應(yīng)商、零部件制造商和汽車OEMs緊密合作，共同努力，那么沒有什么是不可逾越的。”

鑒于復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用尚處于初級階段，Dodworth表示，隨著汽車行業(yè)在開發(fā)過程中對復(fù)合材料的逐步適應(yīng)，可以期待著“汽車復(fù)合材料部件的設(shè)計會在一個穩(wěn)步的發(fā)展進程中逐漸成熟起來”。反之則并非如此。相應(yīng)地，這可能是汽車復(fù)合材料真正實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的前奏。“一些重要的歐洲汽車制造商們目前正在尋求新的復(fù)合材料制造能力，以滿足他們高產(chǎn)量的應(yīng)用需求。關(guān)于這種高產(chǎn)量的制造能力會來自哪里，則不存在任何的成見或偏見，只要它易于與歐洲接觸即可。滿足這類制造要求的生產(chǎn)技術(shù)將日益依賴于自動化，因而將涉及到對設(shè)備和產(chǎn)能的投資能力，同時要求相對而言不能對人工費率太敏感。”

那么，哪里才有可能成為這一切研發(fā)的引領(lǐng)之地呢？Blatherwick說：“在Umeco公司，我們正將先進復(fù)合材料納入到支持未來5～10年實現(xiàn)重要增長的整體確定性發(fā)展規(guī)劃中。”盡管當前汽車復(fù)合材料的進展尚籠罩在保密階段，但顯而易見，復(fù)合材料行業(yè)正在分享著前所未有的來自汽車行業(yè)的熱情，它預(yù)示著未來的發(fā)展趨勢。


作者：Jeff Sloan　
來源：Composites Technology