德國(guó)碳復(fù)合材料 eV (CCeV) 是一個(gè)由公司和研究機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟，其成員遍布高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。MAI Carbon 是該聯(lián)盟下的幾個(gè)分支機(jī)構(gòu)之一。2012年1月19日，經(jīng)獨(dú)立評(píng)審團(tuán)評(píng)審，MAI Carbon通過(guò)德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）尖端科技產(chǎn)業(yè)集群第三輪評(píng)選碳纖維汽車，成為五家尖端科技產(chǎn)業(yè)集群之一。邊緣技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群。堡和英戈?duì)柺┧厝牵?jì)劃到2020年形成碳纖維復(fù)合材料大型產(chǎn)業(yè)集群。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，MAI Carbon成員公司開(kāi)展的聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目圍繞碳纖維汽車全生命周期展開(kāi)部分，

MAI Carbon由奧迪、寶馬、Premium Aerotec、空中客車直升機(jī)、福伊特、SGL、IHK Swabia、德國(guó)碳纖維復(fù)合材料研究所（LCC）、慕尼黑工業(yè)大學(xué)等創(chuàng)立，目前擁有120多家會(huì)員單位。自2012年以來(lái)，該機(jī)構(gòu)成員之間的聯(lián)合研發(fā)項(xiàng)目多達(dá)39個(gè)，經(jīng)費(fèi)從幾十萬(wàn)歐元到幾百萬(wàn)歐元不等。

今天小編就給大家展示一個(gè)名為“MAI Skelett”的MAI Carbon的示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目是復(fù)合材料制造商尋求降低組件成本的新嘗試。通過(guò)不斷的努力，研究人員使用多種材料混合使用“正確的材料用于正確的部分”，同時(shí)最大限度地滿足大規(guī)模生產(chǎn)中自動(dòng)化和功能集成的需求。

碳纖維汽車零部件項(xiàng)目簡(jiǎn)介

MAI Skelett碳纖維汽車零部件項(xiàng)目已獲得德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）190萬(wàn)歐元的資助，為期17個(gè)月。公司和 Eckerle 公司。該項(xiàng)目對(duì)擋風(fēng)玻璃上方和兩A柱之間的擋風(fēng)玻璃橫向框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)工作，并形成產(chǎn)品和工藝示范。它的設(shè)計(jì)基于現(xiàn)有的 BMW i3 車型，并符合車型設(shè)計(jì)的所有功能和結(jié)構(gòu)要求。目標(biāo)部件不僅是車頂橫向框架結(jié)構(gòu)，它提供了良好的剛度（可有效降低 NVH：噪聲、振動(dòng)和粗糙度）、強(qiáng)度（幫助車頂部件滿足壓縮試驗(yàn)中的沖擊要求），并可用于遮陽(yáng)板，裝飾件的固定，

該項(xiàng)目首次提出“骨架”的設(shè)計(jì)理念，采用單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和拉擠成型工藝，通過(guò)兩步熱成型-包覆成型的方法，在75秒內(nèi)生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)件，超越前一階段. 版本部件的工藝要求，實(shí)現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料在白車身結(jié)構(gòu)中的大規(guī)模應(yīng)用。此外，該項(xiàng)目增加了白車身部件的殘余應(yīng)力，將其斷裂方式從脆性變?yōu)轫g性，從而改善了部件的碰撞行為。采用“骨架”設(shè)計(jì)的擋風(fēng)玻璃框架在彎道處有四根單向碳纖維增強(qiáng)復(fù)合拉擠桿，它們通過(guò)復(fù)合成型工藝封裝在組件中。在 4 根拉擠桿中，兩根靠近零件底部，兩根靠近頂部，不在同一平面內(nèi)，便于扭轉(zhuǎn)剛度和復(fù)雜形狀與零件的功能連接。

碳纖維部件的材料選擇

碳纖維汽車零部件項(xiàng)目采用價(jià)格相對(duì)低廉的大絲束碳纖維作為增強(qiáng)材料。由于50k大絲束碳纖維單絲排列緊密，樹脂浸潤(rùn)非常困難。因此，需要結(jié)合纖維展寬技術(shù)優(yōu)化纖維取向，以達(dá)到理想的預(yù)浸效果，同時(shí)保證50%左右的高纖維體積含量。西格里已經(jīng)掌握了這項(xiàng)技術(shù)，并將拉擠型材納入其“熱塑性產(chǎn)品選項(xiàng)盒”。

除了增強(qiáng)纖維外，該項(xiàng)目還研究了不同類型的 PA6 樹脂，以確保它們的粘度和流變性能針對(duì)拉擠速率和產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化。西格里的“熱塑性產(chǎn)品選配箱”為該項(xiàng)目提供了多種材料，包括碳纖維單向膠帶、有機(jī)片材、各種長(zhǎng)度的短切纖維、單向碳纖維增強(qiáng)拉擠成型。以上材料由SIGRAFIL 50k碳纖維和適用于聚丙烯、聚酰胺等熱塑性樹脂基體的上漿劑制成。聚酰胺熱塑性樹脂有多種類型，包括PA6、PA66、PA12，部分類型的PPA可以作為候選材料。一些PA6甚至可以在成型過(guò)程中通過(guò)反應(yīng)原位獲得。

碳纖維汽車零部件的熱成型和復(fù)合成型工藝

最初為 MAI Skelet 項(xiàng)目選擇的材料系統(tǒng)是碳纖維增強(qiáng) PA6 復(fù)合材料。然后，研究人員調(diào)整了材料成分，使其能夠適應(yīng)零件的形狀和不同零件的承載需求。熱成型工藝的選擇主要考慮碳纖維需要盡可能的筆直以顯示出高強(qiáng)度和高剛度。因此，拉擠棒材沿樹脂基體流動(dòng)方向拉伸，其端部彎曲加寬。

第二步，將熱成型的拉擠棒置于紅外加熱器下，在50秒內(nèi)加熱到指定溫度，然后由機(jī)械臂轉(zhuǎn)移到注塑模具中。短切纖維樹脂糊通過(guò)復(fù)合成型工藝注入型材上或型材周圍。復(fù)合成型工藝對(duì)模具和工藝的精度要求極高，以保證熱壓后拉擠棒材的位置不變。

拉擠棒材熱成型和二次成型兩步工藝的總循環(huán)時(shí)間約為 75 秒。由于熱塑性樹脂基體可以在包覆成型工藝之前重新熔化，因此熱壓拉擠棒可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成并與包覆成型材料接合。熱塑性樹脂的這一特性甚至允許它們與金屬部件形成粘合。同時(shí)，熱塑性樹脂基復(fù)合材料的熱成型和注塑成型工藝也可以獲得一致的產(chǎn)品質(zhì)量和工藝可控性，這對(duì)于規(guī)模化生產(chǎn)至關(guān)重要。

碳纖維汽車零部件強(qiáng)度測(cè)試

與玻璃纖維和碳纖維樹脂漿料相容的PPA和PA6樹脂基拉擠碳纖維汽車零部件具有較好的韌性，斷裂方式也是韌性斷裂。雖然韌性斷裂模式的獲取損失了擋風(fēng)玻璃框架可以傳遞的部分載荷，但它顯著提高了白車身的結(jié)構(gòu)完整性和整體性能。

盡管寶馬在項(xiàng)目結(jié)束報(bào)告中沒(méi)有具體說(shuō)明其首選的材料組合，但報(bào)告得出的結(jié)論是，最終的模擬和測(cè)試結(jié)果表明，“骨架”結(jié)構(gòu)除了抗扭剛度外，還超越了單純的 CFRP 部件。所有性能數(shù)據(jù)，而扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)于擋風(fēng)玻璃框架來(lái)說(shuō)不是關(guān)鍵數(shù)據(jù)。與普通碳纖維復(fù)合材料零件相比，“骨架”結(jié)構(gòu)件在碰撞過(guò)程中的載荷水平和能量吸收水平更優(yōu)越。同時(shí)，該部件具有韌性斷裂模式，不僅進(jìn)一步提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞斷裂性能，而且明確了其斷裂行為與白車身整體結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

碳纖維汽車“骨架”設(shè)計(jì)的未來(lái)應(yīng)用

寶馬在閉幕報(bào)告中表示，當(dāng)“骨架”設(shè)計(jì)理念應(yīng)用于其他六款汽車零部件時(shí)，還可以顯著降低生產(chǎn)成本、原材料成本和工裝成本。SGL 還提議將該技術(shù)用于汽車和航空座椅、儀表板、機(jī)械臂、X 射線臺(tái)等。

對(duì)“骨架”設(shè)計(jì)理念的研究并未停止，在隨后的研發(fā)項(xiàng)目 MAI Multiskelett 中，將設(shè)計(jì)方法擴(kuò)展到多軸受力構(gòu)件，重點(diǎn)研究拉擠型材的承重構(gòu)件和連接件，尤其是具有多個(gè)負(fù)載路徑相交的大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件。我不會(huì)在這里詳細(xì)介紹。

以“骨架”概念設(shè)計(jì)的擋風(fēng)玻璃橫框結(jié)構(gòu)碳纖維汽車，采用拉擠工藝和復(fù)合成型工藝，有效縮短工藝周期，減少材料浪費(fèi)，詮釋了碳纖維在單向載荷結(jié)構(gòu)件中的有效運(yùn)用。是下一代碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)和規(guī)模化生產(chǎn)的典型示范。同時(shí)，利用其他零部件的碳纖維邊角料制作復(fù)合成型工藝所需的樹脂漿料，可以有效提高零部件的功能性和性能，是提高碳纖維汽車零部件可持續(xù)性的有效途徑。

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