汽車行業(yè)復(fù)合材料零件制造技術(shù)進(jìn)展

楊錦華

摘要：截止到2018年6月底，全國機(jī)動車保有量達(dá)到3.19億輛，如此眾多的汽車帶來了嚴(yán)重的能源消耗與環(huán)境污染問題。汽車輕量化是降低能耗，減少排放最有效的措施之一。研究表明汽車質(zhì)量每減100kg，可節(jié)省燃油 0.3-0.5L，減少 CO2排放8-11g，加速性能提高8-10%，制動距離縮短2-7m[1]。汽車輕量化可以使用復(fù)合材料。將復(fù)合材料應(yīng)用于汽車行業(yè)，一方面需要對依據(jù)復(fù)合材料的性能特點進(jìn)行更好的設(shè)計，另一方面選擇合適的技術(shù)制造復(fù)合材料汽車零件顯得尤為重要。從現(xiàn)有的復(fù)合材料制備技術(shù)中，選取已經(jīng)應(yīng)用于汽車行業(yè)的樹脂傳遞模塑工藝、纏繞工藝以及真空輔助樹脂灌注工藝的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合評述。并對未來汽車行業(yè)復(fù)合材料零件制造技術(shù)的低成本化提出參考意見。

Abstract： By the end of June 2018， the number of motor vehicles in China had reached 319 million， which has caused serious energy consumption and environmental pollution. Vehicle lightweight is one of the most effective measures to reduce energy consumption and emissions. Studies show that for every 100kg of vehicle mass reduction， fuel saving is 0.3-0.5L， CO2 emission reduction is 8-11g， acceleration performance is improved by 8-10%， and braking distance is shortened by 2-7m[1]. Lightweight cars can be made of composite materials. To apply composite materials to the automobile industry， on the one hand， it is necessary to design better according to the performance characteristics of composite materials， and on the other hand， it is particularly important to select the appropriate technology to manufacture composite automobile parts.From the existing composite material preparation technologies， the research status of resin transfer molding technology， winding technology and vacuum-assisted resin filling technology which have been applied in automobile industry were reviewed. The paper also gives some Suggestions on the future low-cost manufacturing technology of composite parts in automobile industry.

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料零件;汽車;制造技術(shù)

Key words： composite parts;car;manufacturing technology

1 ?復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，通過某種加工方式而制成的新的固體材料[2]。復(fù)合材料問世后，高昂的成本及較難的技術(shù)要求，限制了它的廣泛應(yīng)用，初期僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。1953年，美國Ford公司制造出全世界首臺復(fù)合材料車身的賽車，復(fù)合材料首次應(yīng)用于汽車行業(yè)。

此后美國Ford公司及歐洲研究機(jī)構(gòu)均對碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了研究及嘗試。2011年，寶馬公司于法蘭克福車展，首次發(fā)布i3電動概念車和i8混動概念跑車，碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用達(dá)到一個新的高度，同時在汽車行業(yè)又掀起了一陣研究復(fù)合材料應(yīng)用的熱潮。

傳統(tǒng)的汽車材料為高強(qiáng)度鋼，使用時間最長，工藝成熟，但其高密度使得汽車重量久高不下，不利于對汽車進(jìn)行減重。而碳纖維復(fù)合材料的密度僅為高強(qiáng)度鋼的三分之一，將其用于汽車中，可有效進(jìn)行輕量化。復(fù)合材料具有可設(shè)計性和各向異性，可根據(jù)汽車不同部位所需性能選擇不同的基體與增強(qiáng)體，選擇空間大，提高材料利用率;復(fù)合材料和其構(gòu)件同時成型，免去了金屬材料前期各種加工過程，且同時復(fù)合材料可對車體的各個生產(chǎn)制造過程進(jìn)行整合與優(yōu)化，提高零件制造效率。

現(xiàn)今，汽車車身、引擎蓋、車門、輪轂、板簧等零件上均已成功使用復(fù)合材料代替金屬材料，使用性能表現(xiàn)優(yōu)異，各高檔豪華車品牌也都將復(fù)合材料用與汽車生產(chǎn)中，蘭博基尼、布加迪威龍、奧迪R8、賓利等一系列車型都使用了碳纖維復(fù)合材料作為車身材料[3-6]。

2 ?汽車行業(yè)復(fù)合材料成型技術(shù)

復(fù)合材料的成型技術(shù)有手糊成型、熱壓罐成型、液態(tài)成形、模壓工藝、纏繞工藝等。本文介紹已經(jīng)應(yīng)用于汽車行業(yè)零件制造的樹脂傳遞模塑工藝、纏繞工藝以及真空輔助樹脂灌注工藝。

2.1 樹脂傳遞模塑工藝

樹脂傳遞模塑工藝，英文簡稱RTM工藝，是指在一定溫度和壓力下，把低粘度的樹脂注入到預(yù)先鋪覆好增強(qiáng)纖維的模具中，然后固化成型的一種復(fù)合材料成型方法，于1940年由歐洲Macro公司開發(fā)，屬于復(fù)合材料液體成型技術(shù)。上世紀(jì)60-70年代，受制于樹脂、纖維及模具，發(fā)展較為緩慢。進(jìn)入80年代，隨著原材料工業(yè)發(fā)展，尤其是紡織復(fù)合材料技術(shù)進(jìn)步，樹脂傳遞模塑工藝逐步成熟和完善，得以大力推廣。樹脂傳遞模塑工藝中，使用雙面模具進(jìn)行制造，制件表面質(zhì)量好，精度高，尺寸穩(wěn)定。2018年北京車展中，康得復(fù)材展示了使用樹脂傳遞模塑工藝制造的碳纖維復(fù)合材料引擎蓋，其分別制造引擎蓋的外板和內(nèi)板，中間加入泡沫夾心后，使用結(jié)構(gòu)膠黏劑進(jìn)行粘接后完成引擎蓋的制造，比原金屬引擎蓋減重約30%。另外奇瑞A5的行李箱內(nèi)板，奧迪A6的行李箱蓋、發(fā)動機(jī)罩板，蘭博基尼的超級跑車車廂，江鈴輕卡系列的側(cè)防護(hù)板，備胎箱等，均使用樹脂傳遞模塑工藝制造。

2.2 真空輔助樹脂灌注工藝

樹脂傳遞模塑工藝中，需要雙面模具，且在合模之后需要較高的壓力，對模具要求較高，一般使用鋼制模具，同時需匹配相應(yīng)的注射系統(tǒng)以及大噸位壓機(jī)，如果成型較大零件，則需要的模具等規(guī)格也需要增大，成本較高。因此一般小型汽車構(gòu)件在前期驗證和大型客車車身制造時，使用真空輔助樹脂灌注工藝。

真空輔助樹脂灌注工藝，英文簡稱VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）工藝，其原理與樹脂傳遞模塑工藝原理相近，僅需一面光滑硬質(zhì)（鋼材、玻璃鋼等）模具，在模具上方鋪覆預(yù)成型體及塑料真空袋，利用真空泵將預(yù)成型體中的氣體抽出并壓實，同時利用真空負(fù)壓將樹脂抽入預(yù)成型體，通過真空壓下樹脂的緩慢流動，實現(xiàn)對纖維織物的滲透浸漬。浸漬完成后，再按照樹脂的固化工藝進(jìn)行保壓固化，完成復(fù)合材料構(gòu)件的制造。真空輔助樹脂灌注工藝成本更低，不需要匹配專業(yè)注射機(jī)及大噸位壓機(jī)，只需單面模具且對模具要求也低，操作簡便，成型質(zhì)量較好，可為樹脂傳遞模塑工藝及高壓樹脂傳遞模塑工藝進(jìn)行前期制造論證。但是整體制造時間較長，效率較低，多用于制造大型零件諸如客車車身、軌道交通等。

2.3 纏繞工藝

纏繞成型技術(shù)是將纖維通過樹脂浸潤后成型在芯摸上，在常溫或者高溫下進(jìn)過旋轉(zhuǎn)固化得到復(fù)合材料零件的一種制造技術(shù)。一般來說，使用纏繞成型技術(shù)制造的構(gòu)件是標(biāo)準(zhǔn)的回轉(zhuǎn)體，便于纖維更好的進(jìn)行鋪貼，壓力容器居多。纏繞成型過程中，纖維逐步纏繞在旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體模具上，模具可在零件制造完成后脫出進(jìn)行重復(fù)使用，降低成本，也可作為成型后零件的一部分，節(jié)省脫模的時間。

隨著中國制造2025計劃的提出，國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域掀起了智能化、自動化的改革。現(xiàn)今大部分的纖維纏繞機(jī)使用智能化控制技術(shù)，逐步的迭代升級。國內(nèi)眾多公司紛紛針對纖維纏繞技術(shù)的相關(guān)設(shè)備及理論研究進(jìn)行攻關(guān)，成果豐碩，部分技術(shù)已經(jīng)領(lǐng)先國外公司。目前在汽車領(lǐng)域，傳動軸和公交車的CNG高壓氣瓶等使用纏繞成型技術(shù)進(jìn)行制造，性能可靠。

3 ?汽車行業(yè)復(fù)合材料零件制造技術(shù)現(xiàn)狀

復(fù)合材料零件整體成本中，原材料的成本僅占不到百分之二十，剩余的百分之八十均為制造過程的成本。現(xiàn)今，復(fù)合材料無法在汽車行業(yè)進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，實現(xiàn)對金屬材料大量替換的主要原因就是其成本居高不下。因此為有效降低復(fù)合材料零件的成本，一方面升級原材料諸如纖維和樹脂的生產(chǎn)技術(shù)，降低成本;另一方面可針對制造技術(shù)進(jìn)行升級，降低制造過程的成本。針對降低制造過程的成本，本文提出了以下幾種方式。

3.1 復(fù)合材料制造整體化

復(fù)合材料零件制造中，設(shè)備成本占總成本很大比例，因此，為提高設(shè)備的利用率，可開發(fā)一次性整體成型技術(shù)。針對汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計，擺脫金屬結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)復(fù)合材料的性能特點進(jìn)行設(shè)計，整合各部分，降低零件數(shù)量，減少加工過程，可有效降低成本。

3.2 復(fù)合材料模具使用模塊化

汽車零件復(fù)合材料制造技術(shù)中，模具的成本同樣高居不下。模具可由金屬、陶瓷、玻璃鋼和塑料等材料制成。一般模具由模具基座和成型模具組成。樹脂傳遞模塑工藝及高壓樹脂傳遞模塑工藝中，對模具要求較高，成型模具為金屬。為有效降低模具成本，可將原來整塊模具進(jìn)行模塊化制造與使用，針對模具不同位置的性能要求，使用不同的材料，同時結(jié)合到汽車零件形狀的設(shè)計，盡可能的減少模塊化模具的數(shù)量，提高每個模塊的利用率，使用模具模塊可以組合成更多的零件進(jìn)行制造，降低模具的成本。

3.3 復(fù)合材料制造技術(shù)智能化

復(fù)合材料相應(yīng)的理論還不完善，使得前期實驗與調(diào)試需要消耗大量的人力物力，同時人為因素也在一定的程度上影響著結(jié)果的準(zhǔn)確性與可信性。因此可結(jié)合仿真分析、人工智能、VR虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，對復(fù)合材料制造技術(shù)進(jìn)行前期驗證與指導(dǎo)，降低實際實驗次數(shù)，減少人為因素影響，提高零件制造效率，有效降低成本。

4 ?總結(jié)與展望

未來汽車的節(jié)能減排將會面臨越來越嚴(yán)苛的局面，新能源汽車的發(fā)展成為未來汽車行業(yè)的主要方面。針對汽車進(jìn)行輕量化一方面可有效提高新能源汽車的續(xù)航里程，另一方面也可降低燃油車的尾氣排放，提高能源利用率，汽車輕量化刻不容緩。復(fù)合材料可有效的降低汽車重量，將會在汽車行業(yè)進(jìn)行大量的使用。明確汽車行業(yè)復(fù)合材料零件的制造技術(shù)，以及更好的降低復(fù)合材料零件制造技術(shù)的成本將對未來復(fù)合材料在汽車行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要的作用。

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