骨架設(shè)計(jì)可提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合汽車結(jié)構(gòu)

隨著制造商尋求降低復(fù)合材料零件的成本，設(shè)計(jì)人員一直在努力使復(fù)合材料盡可能有效地使用，同時(shí)使生產(chǎn)和多功能集成自動(dòng)化。在汽車應(yīng)用中，周期時(shí)間要求短至1至2分鐘，這一挑戰(zhàn)變得更加關(guān)鍵。多年來(lái)，作為一種可行的解決方案，一直在尋求將熱塑性復(fù)合材料注塑在連續(xù)纖維預(yù)成型件上的包覆成型技術(shù)，例如CAMILMA項(xiàng)目在2014年展出的包覆成型技術(shù)。復(fù)合材料座椅靠背。西格里碳素輕量化和應(yīng)用中心負(fù)責(zé)人克里斯托夫·埃貝爾（Christoph Ebel）博士解釋說(shuō)：“現(xiàn)在，這種方法已被引入了一個(gè)新的高度，可以實(shí)現(xiàn)熱塑性復(fù)合材料白車身的全自動(dòng)生產(chǎn)?！?/p>

這一進(jìn)步歸功于已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多年的“骨架”設(shè)計(jì)方法。正如MAI Skelett項(xiàng)目在2015年首次展示的那樣，該技術(shù)涉及熱成型和拉成型單向（UD）碳纖維熱塑性塑料的分兩步工藝，循環(huán)時(shí)間為75秒。產(chǎn)生超過(guò)所有以前版本的結(jié)構(gòu)屋頂梁。它還集成了附件夾，并改變了碰撞行為，以提高白車身的殘余強(qiáng)度，從脆性破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐哪Ｊ?。具有骨架設(shè)計(jì)的MAI Skelett示范擋風(fēng)玻璃框架這個(gè)為期17個(gè)月的MAI Skelett項(xiàng)目由德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部支持，該項(xiàng)目由MAI Carbon（德國(guó)Carbon Composites e.V.的區(qū)域分部）完成。網(wǎng)絡(luò)。項(xiàng)目重點(diǎn)它是一種特殊型號(hào)的產(chǎn)品，擋風(fēng)玻璃上方兩個(gè)A柱之間的擋風(fēng)玻璃框架。包括所有功能和空間要求，該設(shè)計(jì)基于當(dāng)前的BMW i3架構(gòu)。擋風(fēng)玻璃框架不僅可以用作屋頂?shù)膫?cè)向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還可以用于其他功能，包括：?剛性–還可降低噪音，振動(dòng)和粗糙度（NVH）?強(qiáng)度（車輛壓力測(cè)試）–-有助于滿足碰撞要求?內(nèi)部組件的固定裝置，例如遮陽(yáng)板，內(nèi)飾和照明線束?連接至擋風(fēng)玻璃，天窗和外部車頂面板的支架。擋風(fēng)玻璃框架的骨架設(shè)計(jì)具有4個(gè)角單向纖維增強(qiáng)拉擠桿，包裹在包覆成型的框架中，以提供對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度和復(fù)雜形狀的功能連接。

拉擠型材并非全部位于同一平面上，而是以不同的高度排列：兩個(gè)靠近60 mm高的部件的底部，兩個(gè)靠近頂部。拉擠成型作為熱塑性工具箱的一部分對(duì)于MAI Skelett擋風(fēng)玻璃框架，最終設(shè)計(jì)完成了100mm2的橫截面，目的是使用更便宜的重型絲束碳纖維。但是，所選的50K絲束纖維具有大量緊密結(jié)合的細(xì)絲，這使得樹脂浸漬更加困難。 SGL熱塑性塑料產(chǎn)品經(jīng)理VeronikaBühler解釋說(shuō)：“通常，可以通過(guò)優(yōu)化纖維引導(dǎo)和鋪展以實(shí)現(xiàn)最佳浸漬和50％高纖維體積來(lái)克服這一挑戰(zhàn)?！蹦壳?，西格里已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)，并將拉擠成型作為其熱塑性工具箱的一部分提供。 “我們的熱塑性塑料帶（也基于對(duì)于拉擠成型，我們對(duì)半成品有廣泛的了解，因此我們可以快速適應(yīng)當(dāng)前用于創(chuàng)建自己的輪廓的拉擠成型技術(shù)。該過(guò)程包括對(duì)纖維體積，孔隙率和尺寸精度的質(zhì)量檢查?；谧詣?dòng)化和機(jī)器人操作，尺寸精度非常重要。她繼續(xù)說(shuō)：“例如，由于拉擠型材中的殘余應(yīng)力，不能彎曲?！背死瓟D增強(qiáng)材料外，MAI Skelett項(xiàng)目還研究了熱塑性樹脂。已經(jīng)測(cè)試了各種類型的聚酰胺6（PA6），以確定最佳的拉擠質(zhì)量和拉擠速度。需要粘度和流變性。通過(guò)其熱塑性工具箱（包括UD膠帶，有機(jī)板，短纖維和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的短切纖維，以及現(xiàn)在用單向纖維增強(qiáng)的拉擠型材），West Gerry為該項(xiàng)目提供了一系列材料，全部基于SIGRAFIL 50K碳纖維適用于聚丙烯和聚酰胺（包括PA6或原位PA6）的基體浸漬。

 “為使復(fù)合結(jié)構(gòu)具有最佳性能，纖維，膠料和基質(zhì)材料必須相互配合。布勒說(shuō)。她還解釋了原位PA6：“這是一條長(zhǎng)的聚合物鏈，是在復(fù)合部件的成型過(guò)程中，使己內(nèi)酰胺單體反應(yīng)或使包含催化劑和活化劑的單體反應(yīng)時(shí)聚合而成的。換句話說(shuō)，己內(nèi)酰胺聚合了Bühler說(shuō)，作為一種聚合物，聚酰胺包括PA66和PA12，以及某些類型的PPA，它們可以用作附加的基體材料選擇。玻璃框架的另一個(gè)重要方面是玻璃的熱成型能力。熱塑性塑料半成品成型期間和之后進(jìn)一步成型功能化和確保包覆成型過(guò)程中的熔膠是MAI Skelett演示組件設(shè)計(jì)中的兩個(gè)重要因素。熱成型和包覆成型MAI Skelett擋風(fēng)玻璃框架的生產(chǎn)始于拉擠碳纖維/ PA6型材。然后必須修改這些輪廓以適應(yīng)零件的形狀并在不同點(diǎn)引入載荷。為此選擇了熱成型，并且主要考慮因素是，僅通過(guò)保持直線盡可能直即可獲得碳纖維的高強(qiáng)度和剛度。這需要在基體材料的流動(dòng)方向上拉伸拉擠桿，然后擠壓和彎曲桿的端部。熱成型端：對(duì)MAI Skelett擋風(fēng)玻璃框架中拉擠桿的端部進(jìn)行熱成型，以滿足零件形狀和載荷引入的要求（來(lái)自寶馬集團(tuán)MAI Skelett最終報(bào)告的圖片）熱成型端：對(duì)熱成型拉擠桿的端部進(jìn)行了測(cè)試在三個(gè)不同的形狀上。

結(jié)果，拉擠桿沿基材的流動(dòng)方向拉伸，確保最佳的纖維排列以滿足負(fù)載要求（圖片來(lái)自寶馬集團(tuán)MAI Skelett的最后一步）第二步是放置熱成型的拉擠成型件在紅外加熱器下加熱型材，在不到50秒的時(shí)間內(nèi)加熱它們，然后使用專門為此目的開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化操作系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。進(jìn)入注塑模具。項(xiàng)目的所有部分均在現(xiàn)有的注塑機(jī)上生產(chǎn)。然后將纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料包覆成型在型材上和型材周圍。為了將四個(gè)熱成型的拉擠成型桿固定在適當(dāng)?shù)奈恢茫瑢?duì)模具和包覆成型過(guò)程中的加工有精確的要求。兩步過(guò)程（熱成型和預(yù)成型拉擠型材的二次成型）的總循環(huán)時(shí)間約為75 s。 “因?yàn)樗窃诘诙纬尚椭疤砑拥募訜釤崴苄曰|(zhì)材料，從而允許在非常短的循環(huán)時(shí)間內(nèi)形成預(yù)成型的熱成型棒并將其粘結(jié)到最終零件上。埃貝爾解釋道。 “一般來(lái)說(shuō)，熱塑性塑料的可熔性也使其可以連接到均勻的金屬零件上。” Bühler補(bǔ)充說(shuō)，并指出熱塑性熱成型和注射成型工藝具有出色的可重復(fù)性和工藝控制能力，這是實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。彈性故障拉擠骨架：使用拉擠型材下一代擋風(fēng)玻璃框架的二次成型纖維增強(qiáng)PA6“肌肉”承重框架，優(yōu)于目前的BMW i3結(jié)構(gòu)（SGL碳纖維圖片）零件的韌性以破壞的形式評(píng)估了PPA和PA6的輪廓以及使用玻璃纖維和碳纖維的相容模塑材料。盡管更堅(jiān)硬的故障形式降低了擋風(fēng)玻璃框架可以傳遞的負(fù)荷，但白車身整體的結(jié)構(gòu)完整性得到了改善。所使用的分析方法包括實(shí)體建模，鋼模型（幾何模型，其中拉擠型材用作次級(jí)鋼筋），以及使用殼單元進(jìn)行建模，以及所有這些模型的各種組合。

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)新墨西哥州阿爾伯克基開(kāi)發(fā)的Dakota參數(shù)求解器）和OptiStruct（美國(guó)密歇根州特洛伊市阿爾特爾工程公司）使用有限元求解器ABAQUS（法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)，法國(guó)巴黎）進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。寶馬在最終項(xiàng)目報(bào)告中沒(méi)有指定首選的材料組合，但確實(shí)給出了結(jié)論：?最終的模擬和測(cè)試結(jié)果表明，除了扭轉(zhuǎn)剛度外（已確認(rèn)除了是擋風(fēng)玻璃框架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素之外，這種骨架組件還超出了當(dāng)前碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）組件的所有要求。 ?在碰撞載荷的情況下，此骨架設(shè)計(jì)的載荷水平和能量吸收超過(guò)了當(dāng)前CFRP組件的載荷水平，并且成功實(shí)現(xiàn)了更具延性的破壞模式，不僅進(jìn)一步提高了復(fù)合結(jié)構(gòu)的碰撞性能。并且對(duì)碰撞性能及其與整個(gè)白車身結(jié)構(gòu)的關(guān)系有更深入的了解。未來(lái)的骨架設(shè)計(jì)應(yīng)用寶馬在MAI Skelett的最終報(bào)告中指出，它還發(fā)現(xiàn)，使用這種骨架設(shè)計(jì)方法可以顯著降低生產(chǎn)，材料和工具成本，從而可以使其他六個(gè)汽車零部件受益。西格里碳素公司建議將其應(yīng)用于汽車和航空座椅結(jié)構(gòu)，儀表板，機(jī)械臂，X射線工作臺(tái)等。但是，在隨后的MAI Multiskelett項(xiàng)目（執(zhí)行期為2015年9月至2017年6月）中，這種骨架設(shè)計(jì)方法得到了進(jìn)一步發(fā)展，并已擴(kuò)展到多軸應(yīng)力組件。該項(xiàng)目研究了將軸承部件轉(zhuǎn)移到拉擠型材的應(yīng)用領(lǐng)域，還研究了高載荷（尤其是大型結(jié)構(gòu)部件上的幾個(gè)主要載荷路徑的交點(diǎn)）引入的應(yīng)用領(lǐng)域。與先前的Skelett項(xiàng)目一樣，該項(xiàng)目著眼于組件設(shè)計(jì)和具有成本效益的批量生產(chǎn)線。骨架設(shè)計(jì)如何進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有復(fù)合材料零件的一個(gè)例子是用于電動(dòng)汽車內(nèi)飾的碳纖維前端支架，該支架由SGL和汽車技術(shù)專家Bertrandt（德國(guó)埃寧根）于2017年開(kāi)發(fā)。碳纖維支架：使用骨架設(shè)計(jì)方法，這種用于電動(dòng)汽車儀表板的替代設(shè)計(jì)將用拉擠型材代替熱成型的有機(jī)板，用作拉模的主要承重構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)功能連接和儀表板設(shè)計(jì)。提高效率并降低成本（來(lái)自SGL碳纖維的圖片）集成了傳統(tǒng)儀表板的所有主要功能和裝飾組件，這些儀表板基于熱成型的有機(jī)板作為承重骨架，以提高剛度。 Ebel說(shuō)：“將來(lái)，該零件可以由包覆成型的熱塑性模塑設(shè)計(jì)代替?！?“這消除了對(duì)有機(jī)片材進(jìn)行切割，層壓和修整的需要。而且，不再需要橫梁，因?yàn)槲覀兛梢詫⑵浼傻嚼瓟D型材中并進(jìn)行包覆成型以實(shí)現(xiàn)儀表板設(shè)計(jì)。這種包覆成型的組件還將提供所有其他組件以及用于連接這些組件或電纜的螺釘和夾子的適配。 Ebel承認(rèn)這將是一個(gè)巨大的設(shè)計(jì)更改，但它將降低成本并提高整個(gè)組件的效率。他指出，設(shè)計(jì)一種幾乎不浪費(fèi)的工藝是可行的，因?yàn)榭梢詫⑿筒木_地切割成所需的長(zhǎng)度，并且在這些步驟中或在包覆成型之前不進(jìn)行熱成型時(shí)，不會(huì)損失碳纖維增強(qiáng)材料。布勒指出，座椅也是這種骨骼設(shè)計(jì)的主要候選者。 “復(fù)合材料通常是由織物或膠帶制成的板狀結(jié)構(gòu)，但是我們可以通過(guò)整合底部的輪廓并增加剛度來(lái)減小平坦區(qū)域的厚度?！彼赋?，拉擠輪廓并不是唯一的一個(gè)可以建立的。一種有效的UD產(chǎn)品，它也可以是很容易適應(yīng)每個(gè)組件加載路徑的條形。 “作為一種額外的創(chuàng)新概念，這種骨架設(shè)計(jì)激發(fā)了許多公司訪問(wèn)輕量級(jí)應(yīng)用中心的公司，” Ebel說(shuō)。興趣，我們的客戶認(rèn)為這是有希望的。他解釋說(shuō)，“輕量級(jí)應(yīng)用中心”已經(jīng)具有設(shè)計(jì)能力，可以幫助公司整合其創(chuàng)新思想，例如為將來(lái)節(jié)省材料的組件提供新的概念空間。 “有許多應(yīng)用程序可以使用類似的塊?！睋躏L(fēng)玻璃框架的設(shè)計(jì)。 Bühler說(shuō)：“這對(duì)于行業(yè)從準(zhǔn)各向同性鋪裝向前邁進(jìn)非常重要，因?yàn)檫@些鋪墊使碳纖維的大部分強(qiáng)度和剛度都留在桌子上?！毕喾矗覀儽仨氀芯扛行У牟牧闲问?，僅在需要的地方使用每種材料，這是該行業(yè)的未來(lái)。 ”