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ZT【CFRP造車術(shù)】(二)通過多軸基材降低材料成本 已有1人參與
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【CFRP造車術(shù)】(二)通過多軸基材降低材料成本 量產(chǎn)性較高的RTM工藝 采用VaRTM工藝雖可在小批量生產(chǎn)時減少模具費用，但成型時間長達4個小時。作為維修部件單獨購買翼豹的車頂時，價格高達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很有希望成為進一步降低成本的方法。RTM工藝需要上下模具及樹脂注入機，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。 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。 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）。 圖5 德國西格里集團的多軸基材 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的合資公司制造。PAN纖維在寶馬與西格里集團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）〕。再用機器人將預(yù)成型坯投入RTM成型機，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）機器人將預(yù)成型坯投入RTM成型機。 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旗下的德國SGL Kumpers公司負責，編織機由德國August Herzog生產(chǎn)。（未完待續(xù)，記者：林 達彥，《日經(jīng)汽車技術(shù)》） 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負責成型。左起分別為August Herzog公司的編織機、編織物預(yù)成型坯、RTM成型品。 [ Last edited by comma on 2012-9-8 at 22:11 ] |
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