CFRP造車術(shù)介紹

據(jù)日經(jīng)BP社報道，CFRP（碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，簡稱碳纖維復(fù)合材料）與鋼板及鋁合金相比，雖可大幅減輕重量，但因為成本高，此前只被用在賽車及超級車上。目前業(yè)內(nèi)正在開發(fā)可快速且低成本制造CFRP的技術(shù)。在已有使用先例的熱塑性CFRP方面，出現(xiàn)了采用RTM（樹脂傳遞模塑）成型工藝使成型品的成本降至以往的1/5～1/7的“可行方案”。而且，為了能夠在2020年前后正式采用，業(yè)內(nèi)也開始挑戰(zhàn)利用熱塑性CFRP將成本降至1/10以下的“理想方案”。

　　RTM工藝可使高強(qiáng)度高剛性的熱塑性CFRP快速成型。通過成型后再向模具中注入樹脂，以及在強(qiáng)化纖維中不使用紡織品的改進(jìn)措施來降低成本。采用該工藝每月可生產(chǎn)數(shù)千個CFRP部件，成型品的成本也有望降至原來的1/5～1/7。寶馬公司的“i3”與豐田的“雷克薩斯LFA”均積極導(dǎo)入了RTM工藝。另外，使用原來的預(yù)浸料也可在5～10分鐘內(nèi)成型的技術(shù)也已誕生。 copyright 123456

　　在賽車及跑車中使用最多的是將預(yù)浸料層疊并利用熱壓使其固化的熱塑性CFRP。比如，日產(chǎn)汽車的“LEAF”（中國名：聆風(fēng)）的馬達(dá)、再比如將減速機(jī)中置的EV賽車“LEAF NISMO RC”演示款都使用預(yù)浸料制造了從駕駛室到通風(fēng)罩的絕大部分部件（圖1）。


圖1　日產(chǎn)汽車的“LEAFNISMO RC”
（a）駕駛室與通風(fēng)罩使用了CFRP，重量為925kg，比量產(chǎn)車輕了495kg。（b）馬達(dá)中置。（c）單體車身以預(yù)浸料工藝成型，上部以防滾架加固。駕駛座后方裝有鋰離子充電電池。

　　制造上述車輛的NISMO（日產(chǎn)賽車運(yùn)動國際公司）還采用相同的方法制造了參加全日本GT錦標(biāo)賽“GT500”級別比賽的“GTR”的CFRP駕駛室。LEAF NISMO RC盡可能地去掉了GT車使用的夾在預(yù)浸料之間的蜂窩面板及嵌入部件，通過簡化構(gòu)造，降低了駕駛室的制造成本。

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　　雖說成本大幅低于GT車，但LEAF NISMO RC的駕駛室的制造成本仍高達(dá)數(shù)百萬日元，這個價格可以買一輛汽車了。單殼體車身的重量為150kg，單位重量的成本非常高，折合每公斤數(shù)萬日元。

不使用熱壓罐

　　原來的制造方法因?qū)盈B預(yù)浸料需要花費(fèi)人力，而且使用熱壓罐的固化時間較長，所以成本較高。因此，研究人員為降低成本而省去了層疊工序及熱壓罐固化工序，改進(jìn)了成型工藝。

　　改進(jìn)的成形工藝主要有兩種，一種是為成型飛機(jī)部件等不需要入爐的大型部件而開發(fā)的VaRTM（真空輔助樹脂傳遞模塑），另一種就是RTM（圖2）。VaRTM是在模具內(nèi)層疊碳纖維，以薄膜袋包覆模具后進(jìn)行真空處理，這一點(diǎn)與預(yù)浸料的成型相似。但該方法不使用熱壓罐，而是利用真空負(fù)壓使樹脂浸漬在纖維中，然后對模具加熱使其固化。

本文來自123

圖2　VaRTM（Vacume assisted RTM）與RTM（豐田的比較）

　　RTM工藝以上下模具夾住預(yù)成型坯（將纖維片層疊后按最終形狀賦形并臨時焊接），然后向模具內(nèi)注入樹脂并使其固化。

　　富士重工業(yè)2011年發(fā)售的400輛限量車型“翼豹WRX STItS”的車頂就使用了VaRTM工藝〔圖3（a）〕。據(jù)該公司介紹，在小批量生產(chǎn)時，因不需要制造模具，所以模具費(fèi)用低于RTM。


圖3　富士重工業(yè)的“翼豹WRX STI tS”的車頂
（a）采用東麗的VaRTM工藝成型，車頂?shù)闹亓繙p輕到了5kg。（b）前后夾住樹脂墊圈以螺釘固定，左右螺母部分進(jìn)行了陽離子電沉積涂裝

　　翼豹WRX STItS的車頂重疊了4層將纖維織成格子狀的“平織”片材并注入了樹脂。對模具加熱30分鐘左右使其固化后，再進(jìn)行熱處理后工序，最后進(jìn)行涂裝。該部件由東麗負(fù)責(zé)成型，碳纖維使用了名為“T300”的拉伸強(qiáng)度達(dá)到3.5GPa的通用產(chǎn)品，纖維為將3000根纖維絲扎成一束的“3k”產(chǎn)品。 123456

　　車頂?shù)膭傂苑浅Ｖ匾Ｌ祭w維單體的彎曲剛性較高，但CFRP由于改變了纖維的方向并將其層疊在一起，所地會導(dǎo)致某個方向的剛性降低。為此，相對于鐵（Fe）制車頂?shù)暮穸葹?.7mm，CFRP車頂?shù)暮穸葏s達(dá)到了1.6mm，為前者的兩倍以上，由此來確保剛性。而質(zhì)量則由10kg減至6kg（車頂本身為5kg），減輕了4kg。

　　車頂以粘合方式及螺釘來固定在車身上，前后和左右均有8個螺釘固定。改進(jìn)點(diǎn)是，為了防止Fe與CFRP的接觸部發(fā)生電解腐蝕，采取了用聚氨酯墊圈來絕緣、使用不銹鋼螺釘、以及對嵌入件施以陽離子電沉積涂裝等措施〔圖3（b）〕。


量產(chǎn)性較高的RTM工藝

　　采用VaRTM工藝雖可在小批量生產(chǎn)時減少模具費(fèi)用，但成型時間長達(dá)4個小時。作為維修部件單獨(dú)購買翼豹的車頂時，價格高達(dá)35萬日元。即便按成本為售價的一半來計算，成型品單位重量的成本也達(dá)到了3.5萬日元/kg，與采用預(yù)浸料的方法差別不大。

　　RTM很有希望成為進(jìn)一步降低成本的方法。RTM工藝需要上下模具及樹脂注入機(jī)，雖然初始投資較高，但成型時間只有7～90分鐘。由于能夠縮短成型時間，因此可大幅降低每個部件的設(shè)備折舊費(fèi)。

　　除了邁凱輪的MP4-12C及意大利蘭博基尼的“AventadorLP 700-4”在駕駛室成型時采用了RTM工藝之外，年產(chǎn)1萬輛以上的寶馬“i3”也采用了該工藝。

　　下面以i3為例推算一下RTM成型品的成本。假設(shè)車輛價格為400萬日元，車身價格應(yīng)該低于100萬日元，在此暫且假設(shè)車身成本為50萬日元。該車的EV模式續(xù)航距離可達(dá)到130～160km，因此需要容量為20kWh左右的鋰離子充電電池，光是電池成本就需要100萬日元以上，所以能劃分給車身的成本肯定不多。假設(shè)駕駛室的重量為Fe車身200kg左右的一半，也就是100kg，駕駛室成本為50萬日元的話，成型品成本就是5000日元/kg。 copyright 123456

　　該車之所以大膽采用CFRP駕駛室，是因為輕量化車身有利于減少搭載的鋰離子充電電池的容量，從而削減電池部分的成本。i3在兼做電池保護(hù)架的鋁合金梯形車架上，安裝了CFRP駕駛室，以螺釘和粘合方式將二者固定在一起（圖4）。如果車身較輕，便可相應(yīng)地減少電池的容量。


圖4　寶馬“i3”的試制車身
在裝有鋰離子充電電池與懸掛的鋁合金底盤上，安裝了CFRP車身。

通過多軸基材降低材料成本

　　為降低材料成本，技術(shù)人員改進(jìn)了從預(yù)成型坯使用的片材、纖維到原料的整個供應(yīng)鏈。RTM成型的絕大部分部位都采用多軸基材，該材料是將纖維單向排列、用白線縫合而成的。

　　多軸基材將UD（單向）片材以相互垂直的方向?qū)盈B起來，然后將其縫合在一起，使之同時具備X軸及Y軸方向的強(qiáng)度。CFRP大多使用“平織”片材，但不需要編織的UD材料造價較低（圖5）。 123456


圖5　德國西格里集團(tuán)的多軸基材
重疊了方向互相垂直的纖維，通過縫合實現(xiàn)了一體化。該公司也向?qū)汃R公司供應(yīng)這樣的材料。


　　技術(shù)人員還改進(jìn)了纖維絲的制造工藝。為寶馬公司供應(yīng)的碳纖維以PAN（聚丙烯）纖維為原料，該原料由三菱麗陽與德國西格里集團(tuán)的合資公司制造。PAN纖維在寶馬與西格里集團(tuán)的合資工廠灼燒后制成碳纖維，通過預(yù)先扎成較粗的“5k”（5000根）束，實現(xiàn)了UD片材的低成本制造。

在RTM工藝中使用中空預(yù)成型坯

　　使用多軸基材的RTM實例是，以前就開始采用CFRP的寶馬“M3”車頂成型工藝。首先，將軋輥放在預(yù)成型坯成型機(jī)上拉出纖維〔圖6（a）〕。然后將纖維放在預(yù)成型坯的成型模具上〔圖6（b）〕。此時，為了臨時粘合層疊起來的各層片材，需要預(yù)先涂上粘合材料。接下來，關(guān)閉模具進(jìn)行加熱，使預(yù)成型坯凝固成車頂?shù)男螤?，然后沖切掉溢出模具的部分〔圖6（c）〕。再用機(jī)器人將預(yù)成型坯投入RTM成型機(jī)，注入樹脂使其固化〔圖6（d）〕。


圖6　RTM的成型工序
（a）從軋輥上拉出碳纖維，（b）將纖維放在對預(yù)成型坯成型的模具上，（c）涂上粘合劑后關(guān)閉模具，讓預(yù)成型坯凝固并切邊，（d）機(jī)器人將預(yù)成型坯投入RTM成型機(jī)。

雖然i3的側(cè)板是作為具有大尺寸開口部的單張板成型的，但預(yù)成型坯被分成了幾個小塊。制作側(cè)板的成型品（圖7）時，用裝訂機(jī)將成型坯的重疊部分固定在一起，將預(yù)成型坯的小塊連在一起，作為大預(yù)成型坯放在模具中。而后擋泥板等則由多個部件成型后粘合而成。


圖7　i3的側(cè)板
分成小部件來制作預(yù)成型坯，用裝訂機(jī)固定重疊部分。采用RTM成型工藝制成一體化的側(cè)板。

　　除了多軸基材以外，i3的CFRP部件還采用了中空形狀的預(yù)成型坯，例如車窗周圍就使用了像繩扣一樣編織的預(yù)成型坯（圖8，圖上看不到）。該部分采用了利用發(fā)辮原理制造繩索或帶子的編織技術(shù)。形成中空形狀時，將纖維編織纏繞在用失蠟鑄模制造的芯軸上，RTM成型后再將芯軸熔化掉。


圖8　車窗周圍使用了編織物預(yù)成型坯
圖片中看不出來，車窗周圍的車頂及發(fā)動機(jī)罩附近的水平部材使用了像繩扣一樣的編織物。

　　該技術(shù)還被用在了寶馬上一代“M6”的前后保險杠上（圖9）。預(yù)成型坯的成型由西格里集團(tuán)旗下的德國SGL Kumpers公司負(fù)責(zé)，編織機(jī)由德國August Herzog生產(chǎn)。


圖9　上一代“M6”的保險杠也使用了編織物預(yù)成型坯
由SGL Kumpers負(fù)責(zé)成型。左起分別為August Herzog公司的編織機(jī)、編織物預(yù)成型坯、RTM成型品。


LFA在3處采用了RTM工藝

　　日本廠商方面，豐田的雷克薩斯LFA是首款CFRP車。該車最初采用鋁（Al）合金設(shè)計，但中途改成了CFRP設(shè)計，駕駛室由CFRP制成，底盤部分由鋁合金制成。白車身重量為193kg，比使用鋁合金時減輕了約100kg（圖10）。

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圖10　豐田“雷克薩斯LFA”的白車身
重量為193kg，其中CFRP占65％，鋁合金占35％。

　　制造雷克薩斯LFA駕駛室時采用了三種成型方法。側(cè)欄及前部艙壁等具有中空構(gòu)造的主要骨架采用了預(yù)浸料工藝，前部碰撞吸能盒、A柱及地板采用了RTM工藝，后部部件采用了以碳纖維加固的SMC（片狀模壓料）成型工藝（圖11）。


圖11　采用預(yù)浸料、RTM及SMC工藝
大部分采用預(yù)浸料工藝，地板、A柱及碰撞吸能盒采用RTM工藝制成。后部部件采用SMC成型工藝制成。

　　駕駛室是在采用各種方法成型的部件上涂粘合劑，放在夾具上，在爐內(nèi)固化60分鐘使其合為一體。外板方面，采用RTM工藝制成了前部發(fā)動機(jī)罩，采用VaRTM工藝制成了CFRP車頂。 內(nèi)容來自123456

　　主要骨架采用預(yù)浸料工藝的原因是小批量生產(chǎn)，而且由于是一次構(gòu)造材料所以要具備充分的強(qiáng)度。此次，預(yù)浸料纖維使用了除氣特性出色且能夠提高強(qiáng)度的多軸基材。而且，并未使樹脂完全浸漬在纖維束中，而是采用了處于半浸漬狀態(tài)的“半浸料”，該材料基本不需要使用熱壓罐便可獲得較高的質(zhì)量。

　　RTM工藝由豐田自動織機(jī)協(xié)助開發(fā)，特點(diǎn)是將名為Vf的碳纖維含有率（質(zhì)量百分比）提高到了55％左右，接近于預(yù)浸料的比率60％。設(shè)計之初，地板由6個部件粘合而成，因此需要很多模具。此次采用RTM工藝實現(xiàn)了一體成型，從而減少了部件數(shù)量和模具數(shù)量。

地板部分有10個預(yù)成型坯（圖12）。各預(yù)成型坯利用專用模具按部品形狀進(jìn)行局部裝配及預(yù)成型。將這些預(yù)成型坯、用于吸收側(cè)面碰撞沖擊能量的波板狀部件，以及放入波板中空部的發(fā)泡芯放入模具，然后用RTM成型機(jī)注入環(huán)氧樹脂和固化劑。成型時間為45分鐘左右。

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圖12　地板采用RTM工藝將10個預(yù)成型坯合為一體
最初的設(shè)計將地板分為6個部件，后來采用RTM工藝統(tǒng)合成了一個部件。不僅減少了模具，還將工時縮短了80％，與粘合組裝相關(guān)的機(jī)械加工減少了50％。成型時結(jié)合使用了RTM工藝與注入壓縮工藝。

　　預(yù)成型坯使用了多軸基材（圖13）。豐田有機(jī)材料技術(shù)部長、負(fù)責(zé)雷克薩斯LFA開發(fā)的小澤學(xué)表示：“多軸基材的特點(diǎn)是成本較低，與織物不同，纖維呈直線狀，所以可提高強(qiáng)度”。


圖13　RTM用多軸基材
與寶馬的基材一樣，重疊并縫合了兩張方向相互垂直的纖維。

　　A柱預(yù)成型坯使用的中空編織物是利用村田機(jī)械的編織機(jī)生產(chǎn)的。該編織機(jī)不僅可改變編織物的截面形狀，還能使芯軸往返，通過重疊數(shù)層來增加編織物的厚度。LFA的A柱最厚部分使芯軸往返了6次，重疊了12層。如圖14所示，A柱與平板狀支架采用RTM工藝一體成型。而且，平板使用了外板剩余的邊角料，有效利用了昂貴的碳纖維。 copyright 123456


圖14　用編織物制作預(yù)成型坯的A柱
以編織物制作了中空形狀的預(yù)成型坯。采用RTM工藝將其與利用邊角料的支架一體成型。

　　此外，豐田自動織機(jī)公司還開發(fā)出了三維織物（圖15），可用于碰撞吸能盒的新預(yù)成型坯。該產(chǎn)品并不是二維纖維片，在將纖維片層疊之后還沿著Z軸方向穿過了纖維絲（圖16）。


圖15　三維織物與碰撞吸能盒
碰撞吸能盒的前端截面積較小，往后逐步增大，使其在碰撞時從前端開始變形。


圖16　三維織物的織機(jī)
（a）由纏繞在四周豎起的紡針上制造纖維片的裝置，以及（b）沿著厚度方向插入纖維絲的裝置構(gòu)成?？芍圃旌穸葹?0mm以上的織物。 內(nèi)容來自123456

　　CFRP碰撞吸能盒的特點(diǎn)是沖擊能量吸收功能出色，其比強(qiáng)度大于金屬，而且不像金屬制品那樣會留下壓碎的殘留物。據(jù)東麗介紹，CFRP吸能盒單位重量吸收的能量比鐵制品高2.5倍。豐田自動織機(jī)此次開發(fā)的織物在遭到破壞時碳纖維夾層不會剝離，吸收能量是二維產(chǎn)品的1.2～1.5倍。


東麗實現(xiàn)RTM高速化

　　東麗為了降低成型成本，在RTM工藝的高速成型方面作出了不懈努力。以LFA為例，本來成型時間為45分鐘，東麗將其縮短到了7分鐘，最終目標(biāo)是5分鐘。如果通過提高速度來降低成型成本，便有望將單位重量的成本降至原來的1/5～1/7。

　　東麗與英國Gordon Murray Design公司合作，制造出了CFRP概念車“TEEWAVE AR1”（圖17），采用RTM工藝制造了駕駛室。駕駛室僅由3個部件構(gòu)成，重量為45kg，比鐵制駕駛室減輕了53％，但仍確保了12,000Nm/°的扭曲剛性，這一數(shù)值與普通車相當(dāng)。


圖17　東麗的CFRP試制車“TEEWAVE AR1”
（a）車身尺寸為長3975×寬1766×高1154mm，車身重量為846kg。其中鋰離子充電電池重220kg。（b）駕駛室由三個RTM部件（地板、儀表板、后部面板）構(gòu)成，重量為45kg。

　　東麗長期致力于RTM的高速成型，以前實現(xiàn)10分鐘的成型時間時，預(yù)成型坯配置為1分鐘，樹脂注入為3分鐘，樹脂固化為5分鐘，脫模為1分鐘。為了將耗時最多的固化縮短至5分鐘，該公司改進(jìn)了固化劑。沒有使用原來的胺類固化劑，而是開發(fā)出了注入之初緩慢凝固、隨著不斷固化而呈指數(shù)函數(shù)聚合的陰離子聚合類固化劑。

　　以上介紹的是生產(chǎn)效率高于預(yù)浸料工藝的RTM工藝應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大的情況，而三菱麗陽則采用了與其他公司不同的方法。該公司開發(fā)出了通過改進(jìn)傳統(tǒng)預(yù)浸料實現(xiàn)高速成型的技術(shù)“PCM（Prepreg Compression Molding）”。這是一種對預(yù)浸料進(jìn)行熱沖壓成型的技術(shù)，成型時間只有5～10分鐘，估計可實現(xiàn)與RTM工藝同等的成本。目前已開始向汽車廠商提供樣品，最早將在兩年左右以后實用化。

　　PCM技術(shù)首先加熱預(yù)浸料，并進(jìn)行接近最終形狀的預(yù)成型。然后，再將其投入正式模具中，進(jìn)行熱沖壓成型。改進(jìn)點(diǎn)是開發(fā)出了固化時間較短的樹脂。

　　三菱麗陽試制的行李艙蓋采用PCM技術(shù)制成了外側(cè)，以預(yù)浸料熱壓罐成型技術(shù)制成了內(nèi)側(cè)，重量比相同形狀的鋁合金行李艙蓋輕40％（圖18）。厚度僅為1.1mm，重疊了5層UD預(yù)浸料。能夠大幅實現(xiàn)薄型化的原因是，UD的強(qiáng)度比織物出色，而且優(yōu)化了纖維的層疊方向。


圖18　三菱麗陽的熱沖壓成型品
對熱塑性UD預(yù)浸料進(jìn)行預(yù)成型之后進(jìn)行熱沖壓。重量為2.4kg，比鋁合金行李艙蓋輕40％。內(nèi)側(cè)骨架以熱壓罐成型并粘合在一起。

據(jù)三菱麗陽介紹，PCM工藝的成型壓力為3～10MPa，高于RTM的0.5～5MPa，成型品表面的平滑性也高于RTM工藝，而且壓力達(dá)到2MPa以上時，表面不容易產(chǎn)生空隙等，可減少涂裝的前處理等。 copyright 123456

　　PCM工藝適合比較簡單的形狀，很難實現(xiàn)有凸條花紋或深沖壓的形狀。實現(xiàn)復(fù)雜形狀時，三菱麗陽打算將其與采用碳纖維的SMC工藝相結(jié)合。該公司還在開發(fā)在模具內(nèi)與SMC一體成型以及形成中空部的技術(shù)（圖19）。


圖19 內(nèi)側(cè)骨架采用SMC的實例
外側(cè)采用預(yù)浸料工藝，內(nèi)側(cè)采用SMC工藝，在模具內(nèi)同時成型為一體的前發(fā)動機(jī)罩。SMC工藝的形狀自由度很高，適合復(fù)雜形狀。



（日經(jīng)BP社）