从奥迪R8碳纤维复材后壁看汽车结构的复合材料应用之路

  • 发布:2018/1/12 8:58:07
  • 来源:盖世汽车

奥迪碳纤维复材从预研发到奥迪R8、A8碳纤维部件的生产的整个阶段,包括:奥迪研发前所面临的技术难题、选择自主研发的原因、载荷工况的设计工作、超快速树脂传递模塑的研发之路、技术成功后向供应商的推广应用及未来的研发之路。

据外媒报道,奥迪选择自行设计研发其碳纤维复材结构件,公司期望未来能实现高速量产。如今,在先进复材(advanced composites)这一细分市场内,车用复材或将成为业内各材料供应商及零部件制造商的宠儿,作为其眼中的第二大重要目标市场,该细分市场的地位几乎可媲美航空行业。

奥迪碳纤维复材预研发阶段所面临的难题

然而,钢材和铝材仍受到汽车行业的青睐,复材的成长还需要时间和业内同行的努力,因为其面临以下挑战:复材结构复杂,由于这类复材由纤维材料与其他材质混合而成,这意味着要实现所需的性能参数,当前的设计及模拟实验还面临很多难度。

不同于钢材及铝材,复材尚未实现标准化作业生产,这意味着其生产成本较高,生产周期更长。尽管各大车企积极致力于汽车轻量化,竭力减轻车重。为此,奥迪愿意抓住这一机遇,重点研发碳纤维复材。

如今,首先要面对的问题是:奥迪应从何种入手?

目前最普遍的做法就是从小批量应用开始,逐步实现高速量产,这从各车企的产品开发战略中就可以清楚地感受到。在最近的7年里,奥迪就是这样操作的。公司的研发工作始于其模块化跑车系统(Modular Sports-Car System,MSS),公司将该车身框架设计应用到奥迪R8 Coupe、奥迪R8 Spyder、奥迪R8 LMS(赛车)及兰博基尼Huracan等众多车型中,兰博基尼Huracan是一款两座式跑车,其采用了后置发动机的设计布局。

奥迪将MSS作为一款工具,旨在将先进的碳纤维复材应用到白车身(body-in-white,BIW)中,从而减轻车重并提升车辆的性能。随着车辆电气化的不断推进,奥迪更坚定了这一构想。奥迪轻量化设计中心碳纤维复材(CFRP)技术研发专员David Roquette表示,第一代奥迪R8车型采用了铝材,但奥迪决定在第二代R8中采用MSS项目所研发的碳纤维复材。

那么,第二个问题是:碳纤维材料将被应用到哪个车身部件中呢?

Roquette表示,奥迪耗费了三年时光,对白车身进行了多次研发及评估,最终找到了答案。他与同事利用公司内部研发的优化软件包,对白车身的23项载荷工况(load cases)进行了识别,随后再加以区分。然后,他们对各个白车身部件施加了各向异性应力(anisotropic stresses),将数值设置到最大值,然后再从中找到了最适合采用碳纤维复材的部件。

Roquette指出:“然而,应力只是其中的一项因素,经济性也很重要。奥迪在制造碳纤维材料时能否兼顾到上述两点吗?奥迪拥有碳纤维复材制造所需的技术吗?成本及重要方面能取得改进及成功吗?”随着研发工作的不断推进,奥迪的研发人员渐渐找到了符合上述标准的车用零部件——以传动轴通道(driveshaft tunnel)及(轿厢)后壁(rear wall)。后壁的作用在于将乘客舱(passenger compartment)与后发动机舱(rear engine compartment)隔开。据Roquette透露,2016款R8 Spyder和Coupé车型的后壁均采用了碳纤维复材,从而大幅提升了扭应力(torsional stress)及车辆的刚度(vehicle stiffness),还实现车身减重。

载荷工况的设计工作

Roquette的同事Felix Diebold表示,当奥迪复材研究中心首次关注上述的23种载荷工况时,公司正寻找新机会,希望利用碳纤维复材增强白车身的扭应力,同时减轻其重量,从而提升车辆的总体强度及乘客的安全性。于是,奥迪的设计工程师们将单向碳纤维织物加强件(woven carbon fiber fabric reinforcements)与快速硫化环氧树脂体系(fast-cure epoxy resin system)相结合。

Diebold表示,奥迪希望R8 Spyder的部分复材部件能采用泡沫夹层结构(foam-cored sandwich construction),特别是B柱填充物及后壁这两个部件。Roquette表示,奥迪采用泡沫夹层,其旨在减少各结构件、B柱填充物、强化件(consolidate part)中碳纤维的用量,同时提升其强度及刚度。

当奥迪R8 Spyder的车顶收起后,该款车型就变了一辆敞篷车。因此,强化B柱的性能就显得至关重要了。在非敞篷模式下,其底盘的稳定性及刚度取决于车门、车顶梁(roof frame)等部件的刚度及强度。在敞篷模式下,车门等部件更是要确保所需的稳定性及刚度。

奥迪希望采用树脂传递模塑(resin transfer molding,RTM)工艺,向被碳纤维包裹的泡沫材料中注入环氧树脂。Diebold回忆道,该计划的主要难题在于寻找一种易操控的内层芯材(core material),且该材料既不能太重(密度为100-150 kg/m3),也不能太轻。否则,在RTM加工过程中,该材料易被压碎。

奥迪最终敲定了一款全新方案,采用了基于聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide,PMI)的泡沫,属于市面上相对较新的一款产品。Diebold表示:“该材质不易被压碎,易于处理。当时还尝试了其他芯材,但存在受热、成本或其他限制因素,最终无法采用该材料。”

他补充道,可采用模塑对泡沫材料加工成各种3D形状,实现凸起件、嵌入件(inserts)及其他金属部件的一体化。在对复材泡沫芯材进行加工时,无需进行机加工及研磨。此外,据Diebold称,聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)材料拥有均质芯材结构(homogenous cell structure),可耐受液压静力(hydrostatic testing)试验。

超快速树脂传递模塑的研发之路

最后一项研发难题在于:RTM工艺的精整(refinement),奥迪期望利用新工艺将各类材料融合到一起。相较于奥迪的研发目标,上述工艺精整显得颇为琐碎,最终,奥迪决定将该项工作移交给了一家一级供应商,由其负责相关的生产工作。

Roquette表示,高压树脂传递模塑(HP-RTM)成为汽车复材制造商的宠儿,尽管奥迪也曾考虑过是否要采用该工艺,但其注塑压力高达120-bar。若注入点的压力较高,会对泡沫芯材的一体性造成影响,奥迪并不想在性能上做出妥协。于是,公司寻求新方法,期望在降低注塑压力的同时确保生产周期不会被拖长。

这看似是一项无可能实现的任务,直到奥迪与致力于模压传感器(mold cavity pressure sensors)研发工作的研发机构取得联系后,该难题才得到解决。双方对RTM工艺中的(fine-tune)了注塑压力、压缩力(compression force)及模具间隙进行了精准调整(微调),从而进一步优化了该模塑工艺。

Roquette表示,奥迪与这类研究机构合作。据测试验证,在进行模塑工艺期间,若磨腔压力(cavity pressure)是一项基本控制变量(governing and primary variable),那么模具间隙高度及压缩力或许是一个可调节的中等值,可调整该数值,从而确保生产周期尽可能地快。即使无法做到很快,但至少也要比高压RTM工艺快很多。为此,奥迪将该工艺命名为超快速树脂传递模塑(ultra-RTM)。

对于奥迪R8 Spyder的夹层结构(sandwich structures),注塑压力不超过40 bar,最大模塑间隙可达0.6毫米,最大压缩力可达500 MT,而模具温度不得超过123℃。凭借该项新工艺,注塑时间可缩短至15秒,而整体生产周期时间可控制在5分钟以内。这意味着零部件的加工可采用体积较小、价格相对便宜的压缩机,且能耗较低,不会对芯材的一体性造成威胁(不易被压碎)。

新工艺向制造商的推广应用之路

Roquette表示,当奥迪首次打算为MSS制造复材零部件时,公司所制定的首个生产策略是与欧洲汽车复材加工商开展合作,因为后者或许拥有所需的产能及专业技术,可高效而快速地设计并制造奥迪所需的零部件。然而,奥迪最终还是决定自行研发这类复材及相关的加工技术。

Roquette表示:“据我们所知,若奥迪真的想要在复材领域取得技术突破,首先奥迪的研发人员务必要精通该领域的技术,其次,务必要采用自主研发。奥迪拥有一支规模超大的研发团队,所有人都在日复一日地花精力钻研该项目。”

等到奥迪材料及工艺的自主研发取得成果,并将其成果转交给负责实际生产的两大欧洲复材供应商时,对方也对觉得该合作所涉及的技术与产品均存在不确定性。Roquette表示:“因为这并非是奥迪从开放市场上购得的(成熟)技术。奥迪挑选的供应商也生产过这类材料,拥有多年的生产技术经验。然而,奥迪转交的自主研发技术与供应商所采用的技术截然不同。对于该项新技术,供应商方面有点难以接受。”

他还说道:“为此,奥迪为供应商提供了相关的技术展示,告知其新技术的应用方法。最终,奥迪说服了供应商,由后者负责这类零部件的生产,供应商为此也承担了许多风险。作为一家车企的供应商,要做到这一点确实很不容易。”

成本居高制约制造 奥迪继续探索新工艺

然而,该技术研发及应用并未止步于2016款R8 Spyder。2017年,奥迪引入了一款四座豪华车奥迪A8,该款车型采用了碳纤维复材后壁及后窗台板(upper rear shelf),上述两款部件都采用了碳纤维复材,也都采用了超快速RTM工艺。

Roquette表示:“体积越大,所需的工作量就越多。碳纤维成品部件的成本还是太高了。如今,公司将目光放在产品的方方面面,不仅仅是碳纤维的价格问题,还有RTM工艺的生产速度。此外,还要考虑树脂价格、粘合剂价格,整个材料链的价格。为此,我们务必采用全新的理念。”

关键词:

奥迪R8碳纤维复材后壁,车用复合材料

[责任编辑:张赞丽]

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