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    汽車復合材料探索:1min的循環時間

    文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-06-20【

    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,以將復合材料技術把握在自己的手中。

    在美國,國家公路交通安全管理部門(簡稱“NHTSA”)和環境保護機構(簡稱“EPA”)正在對“公司平均燃油經濟(簡稱 ‘CAFE’)標準”進行修訂,修訂后的標準將在2017~2025年間執行。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歐盟工業管理法規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,這一數字將降低到95g/km。而該委員會正在為2020年之后制定的法規,則作出了更多的承諾。 copyright 123456

    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濟性。而最有效的策略之一就是減重。在汽車行業中,盡管已很少有人對“復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(CFRPs)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:循環時間、成本和材料的可獲取性問題。那么,碳纖維復合材料結構如何才能夠以適應高產量汽車生產的成本和生產速度被制造出來呢?并且,一些汽車制造商已經指出,即使碳纖維變得更加便宜,但是,汽車行業如何才能將自身托付給纖維供給如此不穩定且不可靠的碳纖維復合材料結構呢?

    在經濟衰退前,汽車OEMs提出了這些問題并表示會等待復合材料行業的答案。但是,經濟衰退后的實際情況——石化燃料價格的持續攀升以及全球對溫室氣體排放問題的深刻認識,使得汽車OEMs目前正在大力倡導使用復合材料。

    內容來自123456


    就碳纖維的可獲取性而言,解決這一問題的一種方法是,與一家碳纖維生產商發展成為合作伙伴關系,從而為OEM自身的汽車創建一個專門設計的碳纖維供應鏈。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能3000t的碳纖維工廠,這一產能將服務于寶馬,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構件,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,這是碳纖維復合材料首次在量產化的乘用車上被用于底盤結構件。

    寶馬與西格里的合作,還進一步挑戰了循環周期問題。這種滿足轎車或卡車高產量生產要求的生產節拍,通常被公認為是“每分鐘一個部件”,這是汽車OEMs在金屬沖壓生產中保持了幾十年的生產循環周期。理想狀態下,一家汽車制造商更歡迎一種真正的“60s工藝”,而這是復合材料行業還不能夠承諾的,特別是熱固性復合材料,因為此類材料不可避免地要花費足夠的時間來交聯固化。但復合材料的支持者們總是強調說,由于用于復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,隨著創新成型工藝的不斷推出,成型周期已逐漸降低。 123456


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

    寶馬工藝的循環周期尚不為人知,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(簡稱“RTM”),這是一種比手工鋪層/熱壓罐固化方法(在低產量的超級跑車生產中用于成型CFRP部件)更快的生產工藝。Momentive Specialty Chemicals公司(位于美國俄亥俄州Columbus)的汽車市場開發經理Cedric Ball介紹說,該公司已開發出了幾種適用于高壓RTM(簡稱“HP-RTM”)工藝的快速固化環氧樹脂,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柱側面板。此外,Ball還表示,該公司有一種5min固化的環氧樹脂系統已進入幾款未公布車型的生產中,還有一種2min固化的環氧樹脂系統正處于試驗階段。其中,5min固化的環氧樹脂技術,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?。–annon)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、工藝和模具設計組合正確的RTM工藝,實現一分鐘循環周期不成問題。”Ball說,“樹脂系統是一個關鍵要素。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。” 123,123


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

    這種在汽車行業中史無前例的合作,毫無疑問地為后續發生的一系列類似的碳纖維生產商與汽車制造商合作,以期減輕重量并開發用于碳纖維復合材料的高速生產工藝創造了條件。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。帝人公司表示,該公司已為采用預浸料壓制成型技術的碳纖維復合材料部件生產而開發了一種真正的60s生產工藝。那么,其不同之處是什么呢?這種預浸料采用的是熱塑性的基體材料,因而與熱固性預浸料不同,它無需更長的時間來進行交聯或固化。該合作伙伴關系是于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中心,以充當這項工藝的研發平臺。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(包括單向結構和各向同性結構)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,在一個量產車的生產中整合碳纖維復合材料,要求徹頭徹尾地在設計和工程開發階段,優化對材料的使用并最大程度地降低重量。采用這種工藝生產的部件和結構將于何時出現在通用的汽車上目前尚不清楚。對于這一報道,帝人先進復合材料美國公司的副總經理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的革新應用提供機遇,同時這項技術將有可能使通用汽車公司成為行業游戲規則的改革者。對此,我們備感榮幸。這項當前正在開發的工藝使我們興奮地預見到了我們未來的增長機遇。” 123456

    2011年1月,戴姆勒公司(位于德國斯圖加特)和碳纖維生產商東麗工業公司(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的被稱作“短周期RTM(Short Cycle RTM)”的RTM工藝,生產用于戴姆勒的梅塞德斯-奔馳乘用車的部件。


    圖3 作為汽車復合材料領域的資深專家,Antony Dodworth表示,將碳纖維復合材料整合到轎車或卡車中的最大障礙主要發生在設計和工程開發階段。例如,一個復合材料的車門(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,遠比采用復合材料優化設計的同樣車門要多。但Antony Dodworth說,在汽車制造商們開始意識到需要為復合材料的應用而優化結構設計之前,會有一段時間,汽車部件會被設計成像“黑色金屬”的樣子
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    第四例合作伙伴已經披露了其目標——直接挑戰碳纖維的生產成本。福特汽車公司和陶氏化學汽車部門于2012年4月組建了團隊,來開發具有成本效益的碳纖維復合材料結構,以幫助福特汽車公司實現“到2020年,將新開發汽車的重量減輕340kg”的目標。陶氏化學公司并非是一家老牌的碳纖維生產商,但該公司已與碳纖維生產商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,以尋求一種可低成本生產碳纖維復合材料的方法。通常為大多數碳纖維生產商所采用的源自石油的聚丙烯腈(PAN)原絲,其所生產出的高質量、尤其是高強度的碳纖維是相當昂貴的。ORNL正在試圖開發一種低成本的、可持續的(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合材料的使用,除非其價格下降到US$5/lb。顯然,自此以后經濟環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構上利用其與陶氏的合作成果來使用碳纖維時,陶氏的發言人說:“我們不會披露與這項聯合開發協議(簡稱 “JDA”)有關的目標,但大量使用碳纖維復合材料,從而幫助福特實現汽車減重的愿望這一目的是清晰的。”

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    同樣在2012年4月,RTM技術的專家FRIMO公司(位于德國Lotte)和材料供應商亨斯邁聚氨酯公司(位于比利時Everberg)簽署了一項合作協議,為汽車應用開發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,但其交聯和固化速度極快。亨斯邁已為其Everburg 技術中心購買了一臺FRIMO的試制用生產單元。這臺設備是專為加工聚氨酯樹脂體系而設計的,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合材料。利用該設備,可以準確地描繪出放熱曲線,并可實現預期的固化時間。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)”的技術在汽車制造中的應用。該技術在材料混合和成型中使用的壓力高于217psi(大約是15.2kg/cm2),據說循環周期是5.5~13min, 包括:制備預浸料套料、注射成型、固化和脫模等過程。 123456


    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 (用于輕量化汽車結構的可負擔的復合材料)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工程服務公司 (位于英國Grantham),將檢驗在主流汽車上使用高性能復合材料的潛力。Umeco在 ACOMPLICE中的作用是開發快速固化的預浸料,并確保通過使用機器人實現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將與這些技術一起被開發出來,以提高部件的生產效率。該工藝以 Umeco的Dform預浸料壓制工藝為基礎。 copyright 123456

    “我們擁有一些快速固化的樹脂,而不只是環氧樹脂。” Umeco 的市場戰略總監Nigel Blatherwick說,“其中的一些樹脂已接受了一級供應商和OEMs的評估。然而,我們正以3個核心要素為目標,開發4min循環時間的工藝——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,因為對于先進復合材料的應用而言,部件設計、生產工藝和材料這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制造技術公司(位于加拿大安大略米德蘭)一起,研發了一種快速固化的非熱壓罐系統,用于成型以熱固性樹脂為基體的碳纖維復合材料,循環時間大約需要17min, 目標循環時間是10min。Plasan公司已在美國密歇根州威克瑟姆開放了一個技術中心,緊鄰汽車行業的客戶。2011年夏天,該技術中心試制生產了一種6層碳纖維復合材料的飾板,它擁有A級表面質量和出色的固結性。 內容來自123456

    實際上,如果碳纖維復合材料在結構性汽車部件上瀕于廣泛的應用,則很有可能發生曾在航空和其他行業中出現的那種情況,即初期的沖動所表現出來的,是設計并制造出像“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,復合材料在汽車行業應用的最大障礙不是來自與材料或加工工藝相關的因素,而是設計方面的問題。他說:“大多數的汽車應用是受剛性要求的驅使,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計可能性,由此而帶來的挑戰就是,要求制成的結構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。”

    本文來自123


    Umeco公司的Blatherwick也表示,當汽車OEMs關注零部件的成本時,要將復合材料整合應用到轎車或卡車中,就需要對設計過程進行更加全面的分析。雖然隨著零部件的年產量從數百增加到數千乃至數十萬時,循環周期成為一個主要問題,但就OEM所關注的采用先進復合材料的成本而言,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,還有一系列現實問題需要解決,如:材料表征、虛擬模擬、廢料水平、連接技術和回收利用等。但是,如果材料供應商、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。”

    鑒于復合材料在汽車結構上的應用尚處于初級階段,Dodworth表示,隨著汽車行業在開發過程中對復合材料的逐步適應,可以期待著“汽車復合材料部件的設計會在一個穩步的發展進程中逐漸成熟起來”。反之則并非如此。相應地,這可能是汽車復合材料真正實現自動化生產的前奏。“一些重要的歐洲汽車制造商們目前正在尋求新的復合材料制造能力,以滿足他們高產量的應用需求。關于這種高產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技術將日益依賴于自動化,因而將涉及到對設備和產能的投資能力,同時要求相對而言不能對人工費率太敏感。” 123456

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


    作者:Jeff Sloan 
     

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