宁波市家电行业协会

您当前的位置: 首页 > 技术指导 > 基于“新常态”战略的汽车塑料工程绿塑创新驱动...

基于“新常态”战略的汽车塑料工程绿塑创新驱动的分析研究(六)

[ 吉祥坊线上官网 ] 发表于 2015-07-22 13:16:05 浏览量:0
 5.3  汽车绿色碳纤维复合材料塑料工程的绿塑创新驱动

 碳纤维是一种以聚丙烯腈(PAN)、沥青、粘胶纤维等为原料,经预氧化、碳化、石墨化工艺而制得的含碳量大于90%的特种纤维。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能。通过提高强度来减轻汽车重量方面,最佳选择是碳纤维复合材料(CFRP。碳纤维复合材料是车用复合材料增长最快的部分,年均复合增长率达到了22%。推动碳纤维复合材料快速增长的动力是底盘和传动部件应用的需求。

碳纤维被国际上称之为第三代材料,因为用碳纤维制成的复合材料具有极高的强度,汽车应用工业级碳纤维复合材料是第三次工业革命在汽车上的体现。实现汽车的绿色塑料工程更多的靠塑料复合材料实现,玻纤增强复合材料不足以和金属匹敌,具有轻质高强度、高模量、耐高温、导电等一系列性优异的综合性能碳纤维复合材料实现“以塑胜钢”,引领汽车划时代的变革

几十年前曾预言碳纤维复合材料会取代金属用来制造汽车底盘结构件。现在,这个预言变成现实并推向普及化。

5.3.1  汽车碳纤维复合材料的绿色化性能

碳纤维是一种与人造丝、合成纤维丝一样的纤维状碳材料,是目前世界高科技领域中十分重要的新型工业材料,大幅提高汽车的绿色化性能。根据2013 年全球CRP 市场的统计(CCeV AVK 发布),碳纤维在汽车上的应用年增长速率预计为34%,到2020 年可能会达到23000 吨。

轻量节能资源化。碳纤维复合材料构件同比纯塑料构件轻30~40%,实现汽车减重化的革命,进一步达到节油、节电,降低对不可再生的石油资源的利用。巴西研发出利用甘蔗生产出生物碳纤维,更体现出碳纤维节约不可再生资源的绿色化特性。

安全寿命周期可靠化。碳纤维复合材料构件同比纯塑料构件强度同比钢件高4~5倍。常规的纯塑料成型加工的汽车保险杠,碰撞性能较弱,实际仅起到包装装饰的功能,没有达到人身保险的功能。碳纤维复合材料成型的保险杠的厚度如为2mm,强度不低于8mm厚的钢板,大幅提高了保险杠的抗冲击性能,高速撞击下保护乘员安全等众多方面有着与普通工程塑料、钢板件无与伦比的优势。普通汽车开到时速150公里如果发生碰撞,乘坐人员生还几率就基本为0,碳纤维车架则大大提高了汽车的安全性能。真实发生的事例就是,使用碳纤维车架的F1赛车在赛场上以300公里的时速发生碰撞,驾驶员还可以继续参赛。碳纤维和铝锡合金复合材料制造的制动器,耐高温干摩擦的性能及抗磨寿命大幅高于传统材料制造的制动器。

生态环保清洁化。碳纤维复合材料构件质轻、转动惯量小,有效降低噪声及减少震动阻尼,提高乘员的舒适度。碳纤维复合材料具有强度高、模量高、耐高温、抗蠕变、耐疲劳性好等优点,易实现自润滑的性能,在某些运动构件中,可少用或不用润滑油,有效降低环境污染、实现清洁运行。自润滑意味着提高汽车的使用寿命,减少对资源的利用。

车型个性化。碳纤维复合材料实现汽车外罩的个性化设计,进一步迎合市场的个性化发展的需求。

塑料应用拓展化。工程塑料填充碳纤维后,复合材料除持有原工程塑料性能外,提高了强度和刚度,更有利于以轻量化的特性取代汽车金属合金结构件,拓展塑料的应用领域。

5.3.2 汽车行业应用碳纤维复合材料领域的绿塑创新驱动

节约不可再生能源和提高燃料效率的汽车轻量化解决方案正推动碳纤维应用快速增长。

碳纤维复合材料在汽车上主要可应用于发动机罩、翼子板、车顶、行李箱、门板、底盘等零部件中。为了确保足够的安全性能,在主承载车身结构件上汽车厂商通常要选择强度,刚性及耐冲击性能均很高的材料用于制主承力结构件,这时环氧树脂碳纤维增强复合材料就成为理想的材料选择。车门动机行李舱门前后保险翼子板扰流板等次承力结构件,其结构大都为层合实体结构和复合材料三明治夹心结构面板选用高强度高模量碳纤维复合材料制作,芯材选用一定刚度和强度的低密度材料如泡沫、蜂窝等,胶结层将面板和芯材连接在一起。

5.3.2.1 由高端汽车向普及型汽车的应用领域发展的绿塑创新驱动

碳纤维发展之初由于原料制造成本过高、成型加工技术单一等因素,制约了碳纤维复合材料的应用领域,最初仅在一些对性能有极高要求的高端的F1 赛车、超级跑车小批量车应用,如兰博基尼、柯尼塞格、雷克萨斯LFA、 GT-R、保时捷911 GT3 承载式车身等。随着碳纤维制造成本的下降、复合材料制造工艺的成熟、绿色化环保标准的日趋严格,各大主机厂纷纷进行碳纤维复合材料的汽车零部件的开发,如今被广泛地应用于高价值的普及型民用轿车上,如宝马德国SGL等。

宝马公司的BMW i3 电动汽车,首次在国际上实现碳纤维复合材料车型的量产化,成为了汽车用碳纤维复合材料领域的标杆。LifeDrive架构的乘员模块是铝质车架上安装碳纤维复合材料乘用舱,诸多套件、车身覆盖件也是全部采用了碳纤维复合材料制造,整车重量仅为1.25吨。BMW i3选择在公司内生产碳纤维复合材料构件以降低制造成本,并大力投资于专用技术的开发宝马公司2015i8插电式混动车也将上市,采用了以碳纤维材料打造的底盘,用以削减车身重量、提升燃油经济性。

沃尔玛公司最新大型18轮的运输卡车,采用碳纤维复合材料,燃油效率提高了1倍,降低了碳排放。主体由一块长53英尺的碳纤维面板代替传统的钢板件,是汽车重量减少了1814kg,降低了钢材资源的消耗;碳纤维结构件增加了设计和加工的灵活性,采用凸面结构的碳纤维车头更符合空气动力学的原理,并且可增加车载空间。

5.3.2.2 由装饰件向结构件的应用领域发展的绿塑创新驱动

碳纤维复合材料起初仅应用汽车顶蓬和车身的装饰部件,提高赛车、超级跑车的安全型。碳纤维原材料制造、成型加工技术的科技进步,碳纤维复合材料由贵族化走向大众化。2003款戴姆勒克莱斯勒Dodge Viper 运动车首次应用碳纤维复合材料会取代金属用来制造汽车底盘结构件。 

用碳纤维增强塑料(CFRP)制造的板簧为14kg,减轻重量76%。在美国、日本、欧洲都已使板簧、圆柱形螺旋弹簧实现了纤维增强塑料化,除具有明显的防振和降噪效果外,还达到轻量化的目的。

德国的知名轮毂制造专家WWHEELSANDWORE研发的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列,采取两片式设计,外环为碳纤维材质打造,内毂为轻量化的合金,搭配不锈钢制的螺丝,较一般同尺码的轮毂可减重40%左右

奔驰、宝马、奥迪、大众、本田、日产等公司碳纤维制造汽车座椅加热垫热效率高达96%, 并在加热垫中均匀密布, 保证热量在座椅加热区域均匀释放碳纤维适宜人体吸收人体的红外线波长充分减少驾乘疲劳,增加舒适度。英国Kahm公司使用碳纤维复合材料制得的RX-XR型高级轿车专用车轮,重量仅为6kg,可高速行驶,并可最大限度地降低车轮的径向惯性力

英国DYMAC公司开发的世界最轻碳纤维/ 镁车轮由碳纤维轮网和镁刹车盘两部分组成,并用镀钛的特殊硬件连接起来。碳纤维制动盘能够承受2500 的高温,而且具有非常优秀的制动稳定性广泛用于竞赛用汽车上

插电式大众XL1的防滚架采用碳纤维增强复合材料制造。全新福特方程式赛车将采用新型的碳纤维材料单体底盘,从而达到其所制定的F3安全标准。碳纤维复合材料的低密度和高比模量综合效应,发动机转速可达到10000r/min。碳纤维复合材料制造的发动机部件和传动系统部件具有减震吸能和降低噪声的功能,用其制成的保险杠等防撞系统则具有吸收冲击能的功能。

美国Morison公司为Dcna公司生产供通用汽车公司用碳纤维复合材料汽车传动轴,两件合并成一个传动轴简化成单件,与钢材料相比,可减重60

5.3.2.3 实现汽车由燃油化向清洁能源化领域发展的绿塑创新驱动

碳纤维复合材料是汽车最理想的超轻量化的材料。清洁能源化汽车的关键是实现超轻量化,这一切离不开碳纤维复合材料的应用。

轻量化是实现电动车、混合动力车、生物燃料车以及太阳能车的技术关键汽车进一步轻量化的解决的零部件的关键件是汽车的高强度、高刚度的零件及大型部件,增强改性工程塑料无法达到这些零部件的力学性能的技术要求。碳纤维复合材料以优异的强度、刚度及轻量化的性能能满足工程塑料不能实现的“以塑代钢”的汽车领域,例如,底座、传动轴、轮毂等高强度、高刚度的零部件。碳纤维复合材料是清洁汽车实现最佳轻量化的最佳制造材料。

碳纤复合维材料太阳能汽车。日本帝人集团的Toho Tena公司在2010年联手Sakai Ovex公司成功研制出刚性极强的超轻量化的太阳能汽车车用碳纤维复合材料,联合在轻量化汽车设计、复合材料选择、结构评估等方面优势显著的日本帝人集团的GHCraft公司,联合打造全新太阳能汽车。国内在研发太阳能汽车领域,未能实现理想的轻量化,进展缓慢,日本的研发理念值得借鉴。

碳纤复合维材料电动汽车。国内第一台采用碳纤复合材料制成车身的民用客车正式研制成功。这辆碳纤维复合车身的纯电动大巴,车身仅重160公斤,较传统客车总体减重可达40%- 60%,因此在同样油耗或电耗的情况下,车辆每小时可以多行驶50公里。2015120日上午,中国首辆碳纤维新能源汽车在江苏盐城正式下线,该车由盐城市国有资产投资集团全资子公司江苏奥新新能源汽车有限公司开展战略性合作、实施强强联手、依靠创新驱动自主研发,下线的奥新e25紧凑型A级车,具有核心技术自主知识产权,在国内量产汽车上首次采用全碳纤维材质乘客舱设计,融合智能能源管理系统、碳纤维轻量化车身技术、轻质高强高韧铝合金底盘等核心技术,与同类汽车相比车重减轻50%、零部件减少40%,为电池腾出重量空间,降低单位里程能耗,提高了动力和续航里程。该车型百公里耗能低于10度电,续航里程最高可达440公里,中等距离城际间往返无需充电。成为中国第一个2万辆碳纤维纯电动汽车制造工厂。

压力储罐是燃气汽车、氢能汽车的关键部件,采用碳纤维复合材料成型压力储罐,不但满足性能要求,而且实现压力储罐的轻量化。越来越多的大型公交车和卡车也趋向于采用压缩天然气燃料。随着环保汽车的开发,以氢为燃料的燃料电池汽车已为市场所接受氢气储罐使用碳纤维复合材料材料制作。美国福特汽车Hummer H2H 越野车也开始使用氢燃料电池,预计2015年氢燃料电池汽车将会达到一定的市场规模。东丽的高强度碳纤维将用于Mirai的高压氢燃料储罐,确保达到此类储气瓶安全、高强度以及轻量化的要求。2020 年日本将有500万台汽车使用燃料电池。

汽车电动化必需实现电池轻量化,轻量化、功率密度高的锂电池是目前主要的选择,同时更能提高锂电池的寿命周期。碳纤维复合材料材料是制造锂电池组外壳的主要选择。插电式混合动力驱动使用锂电池组是应用的发展趋势。  东丽公司为即将问世的丰田Mirai燃料电池车燃料电池组电极基板(Electrode Substrate)提供炭纤维复合材料纸,帮助电池组促进气体扩散,提高耐久性,增强电池性能,并有利于节省空间。

5.3.2.4 实现汽车结构精简化及易维修保养化的绿塑创新驱动

戴姆勒克莱斯勒公司开发适合批量生产的模压成型碳纤维复合材料(SMC)的大型底盘车外左右防护板支架部件Dodge Viper 运动车整个防护板支架系统的两个较小的支架和两个大灯支座这四个结构件应用碳纤维复合材料模压成型后,总重量只有13.5磅,但它们却取代了1520个金属零件,使重量减轻了402mm厚的支架支承了整个车体的前端,并为34个部件提供了附着点,前端的刚度提高了22%美国Morison公司为Dcna公司生产汽车传动轴,采用碳纤维复合材料可使原来由两件合并成一个传动轴简化成单件,与钢材料相比,可减重60供通用汽车公司用

5.3.3  碳纤维复合材料件的成型加工技术的绿塑创新驱动

成型加工技术是将原材料转化为结构件,碳纤维复合材料在汽车上的应用离不开成型加工技术的发展。不同的成型加工技术对构件的性能会带来较大的影响。

碳纤维复合材料构件的成型加工技术主要方向是实现高速高效化、节材批量化、清洁环保化。

5.3.3.1  树脂传递模塑(RTM) 成型加工技术的绿塑创新驱动[6]

早期车用部件的生产采用手糊成型和喷射成型,但手糊和喷射工艺(开模模塑)严重污染环境,劳动强度大,制品的质量难以控制,主要用于生产汽车零件中形状简单的部件,难以满足汽车工业化生产和环保的要求。手糊成型是手工把纤维织物和树脂交替地铺层在已被覆好脱模剂和胶衣的模具上,然后用压辊滚压压实脱泡,最后在常温下固化成型。生产周期长,工作环境差,要求手艺娴熟,适合制作汽车样件或小批量生产随着碳纤维复合材料件应用于汽车领域的拓展,手糊成型已不能适应大批量汽车生产及清洁化生产的要求。

树脂传递模塑(RTM)是取代手糊成型的绿色化加工技术,是世界上公认的低成本复合材料成型技术,已逐渐取代手糊工艺成为汽车零部件的重要成型方法。该工艺是将纤维经预成型预编织处理,纤维铺放可按构件的力学要求采取不同的排放型式,铺放在模具型腔内合模后设备用压力将树脂注入模腔,浸润预编织的碳纤维,固化成型。一般采用多模多工位机械注射模式,生产效率较高适于批量生产方式。构件表面粗糙度接近于模具型腔粗糙度,尺寸精度高,内应力低,可做结构复杂零件及镶件,如汽车地板、车顶、发动机罩等。需要树脂灌注设备及多套模具。为适于高质量铺放,一般采用立式合模机构,上模为单模注射,下模为多个移动模。以双模二工位为例,注射结束,移出放有构件的下模,实现制品冷却;同时移入另一放有碳纤维预编织件的下模至注射工位,实现注塑。适用于小批量、多品种的汽车结构件,如发动机水箱、隔热罩、发动机罩等。Schuler公司36000kN压力的RTM成型设备,1个上模、2个下模的双工位,合模面3.6×2.4m,1mm/s的定位速度,4m对角线合模面上0.05mm的平行度,上模的闭合的最高速度1000mm/s,气缸驱动下模双工位滑座的移动,位于四个台角的伺服气缸调整滑座的与上模的平行度,以达到可靠的抽真空的实现。

树脂传递模塑(RTM)在成型过程中,按设计要求可用模具先形成所需形状,再固化成型,所制结构件不但整体性好,而且减少了零部件的数量及接头等紧固件,节省了原材料、工时和模具费用,降低了制造成本,缩短了生产周期。

5.3.3.2 SMC成型加工技术的绿塑创新驱动

 SMC经常被用作模压复合材料制品的半成品。SMC成型工艺是将碳纤维片材按制品尺寸、形状及厚度等要求裁剪,然后将多层片材叠合后放入金属模具中进行加热、加压成型的方法。该工艺成型效率高、制品表面光洁、尺寸稳定性好,适于大批量生产,性价比较高。SMC工艺的成功开发和机械化模压技术的应用使复合材料在汽车工业上的用量年增长率达到25%。SMC已被广泛应用于发动机罩、导风罩、气门罩壳、水箱部件、发动机隔音板、加热盖板、气缸盖、进气支管、出水口外壳、水泵和燃料泵等汽车制件。

戴姆勒克莱斯勒公司开发的采用重叠加料来混合碳纤维和玻纤SMC材料的技术。采用含有55%无规则短切碳纤维的乙烯基酯SMC2mm厚度的左右防护板支架,取代了15~20个金属零件,使重量减轻了40磅前端的刚度提高了22%。

麦格纳国际公司的分部麦格纳外壳公司开发了CFS—Z碳纤维片状模塑料, 采用独特的配方和生产技术,麦格纳已能够将碳纤维加工和技术延伸到车身外部壁板。通过采用先进材料持续开发汽车零部件和系统,使麦格纳能够帮助其客户满足汽车和卡车燃油经济性和排放标准。麦格纳外壳公司于2014年3月28日宣布,将为二款2016年型的汽车提供由碳纤维复合材料制造的汽车车身壁板。  

5.3.3.3 碳纤维增强热塑性复合材料件的热压成型技术的绿塑创新驱动

通用公司与日本帝人合作开发热塑性碳纤维复合材料零部件60s 内热冲压成型技术,计划用于2015 年以后上市的面向普通客户的主力车型冲压成型热可塑性树脂可采用PP(聚丙烯)及PA(聚酰胺)等。碳纤维含浸而成的中间材料的基材(基片)方面,准备了碳纤维单向定向排列的单向性基材、以及所有方向的强度都相等的等向性基材2种。以往的热碳纤维增强热塑性复合材料件进行接合时,要使用螺栓。热塑性碳纤维增强热塑性复合材料件,通过加热即可使部件间相互熔接,解决了用螺栓接合时接合部位会产生振动以及龟裂的难题。成型的轻型车车体骨架,重量降低到了采用钢板时的约1/5

中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位研制出具有完全自主知识产权的连续碳纤维复合材料快速热压成型成套装备,能够实现连续碳纤维复合材料汽车部件的自动化制备,效率达到56件/天,并分别采用APA6及PCBT热塑性单体经原位聚合成型制备出大尺寸复合材料汽车底板。该项目突破了碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型关键技术,在复合材料体系、热压成型工艺、液态成型工艺、设计技术、连接技术以及关键装备等方面取得重要进展。2014年4月26日,通过了由中国科学院科技发展促进局组织专家对中科院宁波材料技术与工程研究所、化学研究所等单位联合承担的中国科学院知识创新工程重要方向项目“碳纤维增强热塑性复合材料结构件成型技术研究”的现场技术验收。

5.3.3.4 碳纤维复合材料注塑成型技术的绿塑创新驱动

    注塑碳纤维复合材料的构件,同比玻璃纤维复合材料的重量可降低25%,而强度可提高约2倍。碳纤维复合材料实现注塑成型是碳纤维复合材料的重大科技进步,也是实现某些碳纤维复合材料件低成本批量化、扩大应用范围的科学发展。

5.3.3.4.1 注塑成型的碳纤维复合材料工程的绿塑创新驱动[7]

碳纤维复合材料的注塑成型取决于碳纤维复合材料注塑原料的开发。 碳纤维熔点在3000左右,本身不可注塑加工,只有碳纤维填充的塑料才可以注塑加工。碳纤维复合材料中碳纤维作为增强填充物,碳纤维的长度不超过2mm,可用成本较低的大丝束碳纤维,以降低原料成本。

目前,碳纤维价格昂贵,以科学经济的技术,加强碳纤维复合材料性能的研究,发挥碳纤维的最大效能,提高碳纤维复合材料件的力学性能,是碳纤维复合材料绿塑创新驱动的重点之一。按基体塑料的类型分为热塑性和热固性。

1碳纤维增强热塑性碳纤维复合塑料

以热性塑料为基体、短碳纤维为增强分散质。碳纤维增强热塑性塑料易于成型加工及回收循环应用,强度与刚性高,蠕变小,热稳定性高,线膨胀系数小减摩耐磨,不损伤磨件,阻尼特性优良。近年来,以热塑性树脂为基体的纤维增强热塑性复合材料发展迅猛, 在世界范围内正掀起一股研究开发此类高性能复合材料的高潮。

典型的热塑性碳纤维复合材料的注塑原料为碳纤维+PPS美国复合材料生产商RTP公司成功推出一款新型碳纤维复合热塑性工程塑料,该复合工程塑料基体由PEEK(聚醚醚铜)、高性能PPA、PPS(聚苯硫醚)以及PEI(聚醚酰亚胺)多种工程塑料树脂复合而成,碳纤维的含量为20-40%,将耐高温聚合物与纤维增强型材料有机结合,使新一代工程塑料的性能不但具备工程塑料所需的高抗冲击性的机械性能,还继承了碳纤维低密度、耐腐蚀、易成型的优良性能。2013年10月,帝人公司宣布推出P系列热塑性颗粒材料适用于复杂部件的注塑成型。2013年10月,东丽公司宣布推出新的碳纤维增强的聚苯硫醚(PPS)热塑性注塑颗粒材料,该材料改进了碳纤维和PPS塑料接触面的粘结性,提高了抗拉强度,使用该材料制备CFRTP部件,其抗拉强度与铝铸件相当,质量却轻了近45%。

热塑性树脂具有树脂价格便宜且生产效率高的特点。热固性CFRP的代表性成型方法之一是RTMResin Transfer Molding,树脂传递成型)法,这种方法的节拍时间最短也要几分钟。而对于热塑性CFRP的片材,只要事先预热,用1分钟左右的节拍时间即可冲压成型。由于汽车组装工厂的节拍时间约为1分钟,因此使用热塑性CFRP可实现同步生产。热塑性CFRP技术不仅可用于超级跑车等部分高档车,而且还可用于大量生产车型。

2)热固性碳纤维复合塑料

以热固性塑料为基体,碳纤维为增强分散质以碳纤维及其织物为分散质的纤维增强塑料。碳纤维及其织物与环氧、酚醛等树脂制成的复合材料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大,耐水性好等特点。聚丙烯腈基碳纤维增强热固性树脂复合材料指的是由碳纤维作增强体,热固性树脂作为基质的一类复合材料,是目前使用最为广泛的树脂基复合材料。

由于工装模具成本低,热固性材料系统对产量较低的应用来说具有一定的优势。这种常常是新一级别车型、特种车辆或基于已有平台的改款车的首选。由于树脂固化时间长,整个周期时间也就相应延长,因此将其应用到高产量车辆上,其成本便会让人望而却步。

固性碳纤维复合塑料制件回收应用的技术尚须创新。

3)碳纤维复合材料性能研究的绿塑创新驱动

强碳纤维复合材料性能重点研究下述方面:

碳纤维复合材料性能与基体塑料之间的关系;碳纤维填充率与碳纤维复合材料性能之间的关系;碳纤维长度与碳纤维复合材料性能之间的关系;碳纤维分布率及去向与碳纤维复合材料件性能之间的关系;成型工艺与碳纤维分布率及去向之间的关系;复合填充与碳纤维复合材料性能之间的关系。

5.3.3.4.2 碳纤维复合材料注塑技术的绿塑创新驱动 

制品设计。碳纤维复合材料的注塑制品二次加工比较困难,比如在成型产品上钻孔,普通的钻头,钻几个孔,钻头就磨损了。所以在注塑设计时要避免二次机加工。

高耐磨注塑螺杆。碳纤维复合材料塑化对螺杆磨损增大,螺杆寿命有所减短。螺杆设计的剪切性能不要太强,防止破坏碳纤维的长度影响材料性能;螺杆的混炼性能应加强,以提高熔融质量

成型模具。碳纤维成型时模具中使用的脱模剂,会使注塑时碳纤与塑料不能粘接,改良碳纤维成型的工艺,在碳纤维成型过程中,不使用脱模剂,使碳纤维复合塑料构件表面成型后无脱模剂残留。碳纤维复合塑料的流动性下降,在注塑时须相应提高注射温度。

5.3.3.4.3 高光无痕注塑成型技术应用于碳纤维复合材料汽车件成型绿塑创新驱动 

提高碳纤维复合材料注塑构件的表面质量是注塑构件的技术重点。高光无痕模具是一种以高温蒸汽作为加热介质,通过急冷急热控制系统控制模具温度。普通的注塑成型技术,成型的碳纤维复合塑料构件的外观不是很好,而采用高光无痕注塑成型技术,由于模具表面高温,使成型材料表面结晶比率增加,提高表面效果非常好。

5.3.3.5  3D打印成型技术应用于碳纤维复合材料汽车件成型的绿塑创新驱动

   3D打印(3D printing)打印技术出现在20世纪90年代中期,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,之前这项技术只用于军事、医疗等领域,而近些年,3D打印技术已经走进了汽车领美国LocalMotors公司与辛辛那提股份有限公司(CincinnatiIncorporated)、橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory)以及SABIC通力合作,携手研发了大尺寸增材制造(BAAM)机器加工SABIC材料并打印聚合物组件, SABIC的创新材料和加工知识,融合先进增材制造技术,解决创新成本过高的难题其速度不仅比现有的增材制造机器快200-500倍,制造出的零部件的尺寸同时也大了10

3D打印在汽车行业应用的价值主要还是体现在设计与研发阶段,能更好缩短设计与研发的过程,通过3D打印技术可以提高新车和零部件的设计与开发的效率,将设计师的理念更迅速转化成现实产品,特别是设计外观方面,至少比图纸来得直观、可以触碰,降低整体的开发成本;部分汽车零部件可以通过此类方式来降低损耗达到环保;整合汽车零部件数量,减少加工量,实现低碳排放型、清洁化制造加工。国际汽车制造巨头,诸如福特本田、宝马、大众、现代等公司的研发设计部门都已经使用3D打印机来打印相关的零件做验证甚至是打印一台完整的车来验证车辆的空气动力学特性等重要参数;利用3D打印来改善制造环节,例如缩短生产时间、加速开发新型方向盘和仪表面板、定制概念车。

实现从打印模型到打印产品实际的质的飞跃。3D打印汽车之父的美国人JimKor2013年初,世界首款3D打印混合动力汽车Urbee 2面世,绝大多数零部件来自3D打印。美国Local Motors 公司与辛辛那提股份有限公司(Cincinnati Incorporated)、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)以及SABIC 通力合作,携手研发IMTS 2014 上全世界首款3D 打印汽车Strati 所需的技术和材料,在美国芝加哥2014年国际制造科技大展(IMTS) 上推出了全球首款3D打印电动汽车“Strati”,车重1200磅,宽近2m,长1.9m,全身材质为碳纤维复合塑料、塑料,只有40个零件,整个车体打印时间44h,从在展场打印到组装完工,仅需不到五天时间。依靠电动能源,充一次电花费3.5小时,可以行驶大约100公里最高时速可以达到80公里每小时。

3D打印汽车实现汽车个性化。未来,汽车工业将进入个性化生产时代,即产品将按照个别消费者的需要和喜好而度身订造。传统的汽车制造,模具占汽车制造成本的很高比例,不可能实现个性化。3D打印汽车圆了时尚人的只能在哆啦A梦动画片里才能见到“特殊汽车”的梦随着3D打印的发展,我们很快便可见到款式更多样化的汽车陆续在市场推出;塑料的多面性和灵活性,让汽车厂商能基于同一款车和同一套零部件,配以不同的汽车外壳,迎合消费者的个人口味,此举亦可同时减低厂商研发新型号汽车的成本。

3D打印汽车领域工业化应用,其中关键是涉及到高强度、高刚度的3D打印的碳纤维复合塑料原料的复合技术和应用技术的开发。

未来3D打印汽车还会在动力、工艺、续航里程、车型等细节上再次突破Local Motors公司正在研究用3D打印机打印出更大的汽车,到时候,3D打印版的SUV、MPV、跑车出现在人们的视野里也不是没有可能。

5.3.3.6 碳纤维复合材料件的高速高效的浸渍成型技术的绿塑创新驱动

间隙浸渍成型技术。德国公司BREYER 发布了一种带有新的模具技术的间隙浸渍机这种新技术可以在15 分钟内生产出CFRP 汽车前箱盖板。Plasan Carbon Composites公司是美国唯一的豪华轿车CFRP车体面板一级供应商,同时自身拥有可将CFRP部件的生产成型时间缩短至17 min的技术。

预浸料压缩模塑法。日本三菱丽阳公司开发的预浸料压缩模塑法,采用热固性环氧树脂 (固化时间2~5min)预浸料预先成型坯,在模具加热后用高压机( 压力2.9~9.8MP a )进行成型的方法。成型周期约10min,面向汽车部件批量生产成为可能。另外,由于高温高压压力,所以制品表面平滑性很高,优美涂装是可能的,作为A级外板利用也是可行的。    

5.3.3.7 热固性碳纤维复合材料件的连接技术的绿塑创新驱动

     材料连接:碳纤维复合材料属于脆性材料,机械连接会产生应力集中,造成多种形式的失效,需要充分考虑复合材料连接部位的力学分布情况,设计连接位置及强度,另外碳纤维具有导电性能,与金属部件连接会产生电化学腐蚀,造成结构失效,需要研究合适的胶接或机械连接材料,达到最好的装配性能碳纤维复合材料件的连接需要充分考虑连接部位的力学分布情况,科学设计连接位置及型式,以保证成型件的强度不被破坏。

加热加压连接法。碳纤维具有导电性能,与金属部件连接会产生电化学腐蚀,造成结构失效,需要研究合适的胶接或机械连接材料,达到最好的装配性。研发集热板熔融、震动熔融、超音波熔融等为一体的加热和加压连接法,实现连接部位一体化的同时增加接合部的纤维体积分数,提高强度,避免容易对CFRTP材料产生结构损伤的钢焊接技术。

粘结剂。陶氏汽车系统创新BETAFORCE结构胶解决方案助力宝马i3打造全碳纤维复合材料车身,保证胶层的连续发布,粘合面之间持续、紧密的结合,晾胶时间可根据安装需求进行调节。

连接结构。戴姆勒克莱斯勒公司在对各种重叠加料安排进行试验后,设计了一种结构完善的连接界面,即使一次CF-SMC加料的末端夹心在两次CF-SMC加料的末端之间,这很像一个舌榫接头。搭接的长度为4in,尺寸更小,重量减轻6.5lb,同时又使门的凹处的刚度提高了2倍。

5.3.3.8碳纤维复合材料件的表面涂装技术的绿塑创新驱动

碳纤维复合材料件的表面的光洁度,需要涂装才能提高。澳大利亚公司Quickstep正在快速跟踪其一项专利的喷射树脂技术的商业化该技术可以让碳纤维复合材料汽车面板在几分钟内就快速生产出来,并且成本低,从模具出来就具有较高的表面质量。

5.3.3.9 碳纤维复合材料件的批量化高速成型技术的绿塑创新驱动

成本是碳纤维应用的最大阻碍,包括材料的成本部件制造的成本装配的成本车辆装配因此改变而带来的成本,以及涂装系统因此改变而带来的成本。

碳纤维复合材料件批量化生产是走向低成本化的发展方向。批量化涉及到碳纤维复合材料的种类及技术,成型设备及技术的开发。奔驰与日本东丽成立合资公司,开发短循环 RTM技术,为戴姆勒公司轿车提供大批量生产的CFRP 部件。日本帝人公司正和通用汽车以及其他汽车生产商合作,开发快速批量化生产的碳纤维复合材料部件,且生产周期不到1 分钟。日本三菱丽阳成立合资公司,采用碳纤维车量产i3身;福特与陶氏化学合作,计划2015 年开始在福特新车上批量采用碳纤维零部件,2020 年起大面积使用,最大能够减轻车重340kg 

5.3.4 碳纤维复合材料工程绿塑创新驱动的科学发展方向

随着汽车领域对碳纤维复合材料的不断研究和应用,轻质、高强的碳纤维复合材料应用成本下降,碳纤维复合材料零部件的应用会越来越广泛。

中国汽车制造业发展很快,但在应用碳纤维复合材料于汽车工业,远远落后于日本、欧美等工业发达国家,形成汽车“大国”,而非“强国”。汽车新一轮的革命,其中最突出的标志是碳纤维复合材料的应用。可以预测,谁引领碳纤维复合材料应用技术,谁就引领汽车的发展方向,谁就有汽车发展的话语权。

设计能力绿塑创新:碳纤维复合材料可设计性强,零部件集成设计能力、碳纤维复合材料铺层设计能力(包括铺层数量、角度、层间结合方式)等都需要大量的经验积累,才能最大限度的发挥碳纤维复合材料的优势

成型工艺的绿塑创新。碳纤维通常经过编织- 铺贴- 与树脂浸润- 高温成型,耗费大量劳力且生产效率较低,还需进一步优化工艺或研究新的工艺,缩短加工周期

碳纤维复合材料差异化。201310月,帝人宣布推出全新品牌CFRTPSereebo®,包括种系列中间材料。其中U系列(单向中间材料)可提供高定向强度;I系列(各向同性中间材料)可保证CFRTP制品形状的均一和多方向上的高强度;P系列(热塑性颗粒材料)适用于复杂部件的注塑成型,为将来在汽车上的全面应用做铺垫。

碳纤随着汽车制造商应用面和数量的产能增加,其生产成本预计在未来35年内显著降低,我们不能等其价格降低了而开发应用,现在应积极投入开发研究,才能不落后于国际汽车制造的同行。

低成本工业用普通模量级(12K碳纤维的开发。坚持自主创新是发展我国碳纤维的唯一出路。我国除了华皖碳纤维及少数科研院所具有完整的产业链外,绝大部分企业仅仅具有部分碳纤维及其制品的生产工艺。

5.3.5 碳纤维复合材料汽车领域应用展望

目前,碳纤维的高价格阻碍了目前在汽车领域的大面积应用。在未来10 年里,碳纤维复合材料构件的成本有望下降70%。

 宝马和西格里将联合投资1亿欧元以上,用以将碳纤维的年产量由目前的3000吨倍增至6000吨。西格里公司一名高管认为,未来几年中用于汽车的碳纤维零部件的生产成本有望得到大幅缩减,使得该材料成为一种能够替代传统钢铁或铝材料的新的标准材料。西格里技术与创新负责人Hubert Jaeger认为,目前轻质碳纤维零部件的平均成本为100欧元/千克,其中每千克的材料成本与制造成本分别为20欧元和80欧元,未来碳纤维材料的制造成本有望被削减九成,从而将其整体成本降至30欧元/千克以下。陶氏化学公司正在研发使用聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯)作为前躯体生产碳纤维,因为聚烯烃有可能将转化率提高至70%75%。如果物理性能能够达标,预计到2017在试线生产规模下成本可降至11美元/千克。

发展汽车碳纤维复合材料项目,不但可以提高碳纤维产品的附加值,还可通过延伸碳纤维产业链,实现碳纤维产品从上游到下游的生产、研发一体化,提高汽车产业链的竞争实力。

5.4 纤维复合材料注塑技术的绿塑创新驱动的重点

纤维复合材料注塑应用越来越广泛。纤维在注塑成型过程中,纤维的取向、分布的均匀度、残余长度熔接痕形貌、表面浮纤等直接影响到制品的力学性能及表面质量,这些要素都与注塑技术相关。实现上述要素最佳的性能,绿塑创新注塑技术,达到降低玻璃纤维的填充率又得到制品理想的力学性能。

注塑技术研究重点:螺杆和喷嘴的构型、注塑技术参数与制品的纤维残余长度分散性以及制品力学性能之间的关系;成型过程中的纤维取向、熔接痕形貌、表面浮纤等的变化规律模具温度制品的表面质量之间的关系

加强注塑工艺与制品力学性能、表面质量之间内在要素的研究,提高绿塑创新的科技含量。例如,吴新明等[8]通过对长玻纤增强注塑聚醚醚酮复合材料加工工艺与力学性能的研究,出冷却速率、成型压力、成型温度及模具温度对复合材料的力学性能及外观的影响非常重要。当模具温度为1800C,注塑机料筒温度为前段温度3750C,中段温度4250C,后段温度4250C,注射压力120MPa,保压100MPa,背压0.5MPa,冷却速率为中速时,PEEK复合材料微观形貌断面规整,PEEK与玻纤结构紧密,制品力学性能优良,表面光滑,颜色正常,其综合性能最佳。

提高设备的运行稳定性及控制精度,稳定制品质量。例如,注塑速率波动,长纤维在喷嘴和流道出的剪切速率发生变化,纤维平均长度发生变化,制品的弯曲、拉伸、冲击等力学性能发生变化。

注塑模拟软件开发及应用。模拟注塑参数对纤维的分布、长度等主要参数的变化趋势,预测制品的力学性能,提高生产效率。通过模拟注塑参数设定实际工艺参数,通过对制品的力学性能的测试,修正实际工艺参数。

线配混的挤注复合注射技术。挤出机的塑化混炼的优异性能,与注射结合起来,组成在线混炼挤注复合系统。在线配混注射,混炼螺杆挤出机在工作中是连续稳定运转的,克服了普通注塑机中由于螺杆的启停和有效长度的变化而引起物料塑化和混炼质量差异这一缺陷。纤维通过螺杆的旋转带入到均匀混合好的聚合物熔体中,不需要经历与固态塑料颗粒的摩擦和挤压过程,减少了纤维在固体输送和熔融过程中的损伤折断,使配混过程相对比较温和,保证了制品中的纤维最大长度,纤维的增强功能得到充分发挥。用户可以根据需求,配混纤维比率。有利于以较小的纤维的配混率达到制品的强度和刚度,节约价格昂贵的纤维,降低制品成本。

三菱重工塑料技术公司(Mitsubishi Heavy Industries Plastic Technology)在2014年日本国际塑料机械展览会(IPF Japan上宣布,开发出了在即将成型的瞬间添加玻璃纤维及碳纤维等纤维,能够以纤维长度较长的状态来成型的射出成型机。 以前,要想以纤维较长的状态进行射出成型,一般会使用混入了较长纤维的树脂颗粒作为成型材料。而三菱重工塑料此次开发的射出成型机则是使用没有添加强化纤维的树脂颗粒,在颗粒于成型机内熔化的阶段,添加作为强化纤维的纤维束。这样便可省去制造长纤维颗粒的工序,大幅削减材料成本。 三菱重工塑料将在已有的射出成型机“eM”系列中增加混入纤维的机构,并备独创形状的螺杆。利用新开发的成型机制造的成型品的强度与原来使用长纤维颗粒时相比,为同等或以上水平。采用的树脂为聚丙烯和聚酰胺,纤维可使用玻璃纤维和碳纤维。设想用于汽车的后门内板、仪表板、油箱罩、翼子板及车顶等大型部件的成型用途。

<友情连结>新利客户端/亚博手机棋牌/九卅娱乐官方下载/