模压成型的环氧碳纤维凯迪拉克引擎盖

作者:SARA BLACK 文章来源:AI《汽车塑化》 发布时间:2017-05-02
自动化地加工预浸料引擎盖的内、外层板,不仅减轻了20% 的重量,而且获得了A级表面的外饰效果。

汽车制造商和一级汽车供应商们始终在对“可实现轻量化的多种材料”进行评估,以此来满足燃油经济性标准,一级汽车供应商巨头麦格纳国际公司(Magna International Inc.,加拿大安大略省奥罗拉)就是一个例子。这家领先的汽车供应商在全球29个国家拥有超过14万名员工。2008年,该公司启动了碳纤维复合材料计划,开始投入产品和工艺的开发之中。该公司全球副总裁Tom Pilette回忆说,那时,他们开始开发用于结构部件和A级表面车身板的复合材料,并与商用级碳纤维制造商Zoltek公司(美国密苏里州布里奇顿)制定了一项联合开发协议,在其部件开发中采用Zoltek公司的50K 碳纤维丝束材料。Pilette 表示:“我们看到了轻量化的发展趋势,但也知道这将是一个漫长的过程。”

报价机缘

正是由于早期的研究工作,为该公司带来了2013年向通用汽车公司(美国密歇根州底特律)提供报价的机会——通用汽车公司计划在2016款凯迪拉克ATS-V和CTS-V系列轿车上采用复合材料的引擎盖。这两款车型都是更高性能的凯迪拉克轿车,每一款车型需要的引擎盖每年大约是7000 个,也就是说,麦格纳国际公司每年需要生产14000个引擎盖,但实际上,其拥有的产能更大。这些引擎盖在于美国佐治亚州亚特兰大举行的JEC Americas 2016展会中获得了JEC汽车创新奖。

麦格纳国际公司轻量化复合材料全球产品线总监Andrew Swikoski解释说,鉴于其位置高于汽车重心并位于轴的前向,因此凯迪拉克引擎盖是适合实现轻量化的良好候选部件。所使用的环氧碳纤维复合材料为其提供了所需要的刚性,从而避免了引擎盖的“颤振”,而且与铝或钢的引擎盖相比,还减轻了20%~30%的重量(减重幅度取决于所比较的钢或铝的等级)。

该引擎盖采用一种非热压罐的模压成型工艺被生产出来,每个部件的成型时间仅几分钟,还获得了A级外饰表面效果。Pilette介绍说,该引擎盖项目的一个重要成就,是这些部件能够像同类的金属部件一样进行后处理,也就是说,这种环氧碳纤维材料能够承受麦格纳常规的金属部件涂装工艺及其相应的烘烤温度,因而无需采用离线手工喷涂以及“巧妙处理与填补”步骤。“我们的目标是,实现复合材料部件的无缝、在线最终加工。”Pilette指出。

A级表面的卡迪拉克引擎盖:一级汽车供应商麦格纳国际公司为通用汽车公司2016卡迪拉克V系列的两款车型设计了这种复合材料的引擎盖,该引擎盖采用了Barrday Composite Solutions公司为其订制的环氧碳纤维预浸料(图片来自麦格纳国际公司)

走向成功的迭代工艺

该引擎盖采用一种单向碳纤维的内、外层设计。可选配暴露碳纤维纹理的内层由粘合剂进行粘接,钢硬点在铰链和闩锁附件位置得到粘接。外层板厚度1.2 mm,内层板厚度0.8 mm。为实现可被接受的成品外表面,在Magna-NRC复合材料卓越中心(麦格纳与加拿大的复合材料联合研究中心,位于加拿大安大略省Concord 的麦格纳厂区内),麦格纳国际公司与材料供应商Zoltek和Barrday Composite Solutions(美国马萨诸塞州米尔伯里)紧密合作,经历了树脂化学成分开发、预浸料叠层设计、工装设计和循环时间调整的“多次迭代”。由此而确定的预浸料树脂系统,由Barrday公司提供,这是一种增韧的订制环氧树脂。结合Zoltek的纤维,Barrday公司制成了一种拥有高玻璃化转变温度(Tg)的预浸料,这使得麦格纳能够运行其涂装生产线的温度。

模压工艺证明了其潜力:由麦格纳国际公司设计的剪刃钢模具,被安装在其子公司Polycon Industries的压机上,在几分钟之内就能成型出卡迪拉克引擎盖。此图显示的是为ATS-V系列的卡迪拉克引擎盖生产的环氧碳纤维内层板(图片来自麦格纳国际公司)

“通常,一个预浸料部件的费用往往是由多个层组合在一起的,而这些层需要由人工花费时间进行铺放。”Pilette解释说。

麦格纳团队已完善了一个自动化的加工单元。该加工单元由机器人铺放标准宽度、0.02 mm厚的多层材料,从而创建出一种“模塑套料”。其中,Barrday 预浸料按0°/90°的取向铺放,它们被CNC 切割成套料形状,然后由机器人将其铺放到模具中。专利的模具工装(上、下模),采用了一种剪刃钢设计,拥有其独特性以及模具功能的专有组合,据说能够在闭合模具和施加压力的过程中管理好叠层材料的移动。“一旦接触到加热的模具,预浸料就开始固化,因此要求叠层材料必须精确放置好而且要保持在位。该模具则有助于保持树脂的相容性,确保其对纤维的良好浸润以及部件的厚度。” Pilette补充说,在为模压成型开发预浸料叠层形状的过程中,由Siemens PLM Software Inc.(美国德克萨斯州Plano)提供的Fibersim软件是一种非常有用的制造工具。

Barrday预浸料由Barrday公司位于加拿大安大略省剑桥的工厂制造,然后由麦格纳的子公司Polycon Industries(加拿大安大略省圭尔夫)负责成型。加工从自动化的铺层、套材切割和模具上料开始。在模具闭合且施加压力后,需要花费大约10 min.的固化时间。一台机器人取出成型好的部件,将其送到一个仿形切割单元进行修边,然后进入粘接单元。对内、外层板的粘接也是自动化的,而由手工定位的金属铰链和封装元件,也由机器人进行粘接,所采用的Pliogrip两组分聚氨酯粘接剂由亚什兰高性能材料(Ashland Performance Materials,美国俄亥俄州哥伦布)提供。随后,粘接好的部件进入麦格纳的涂装生产线,喷涂后,被运往通用汽车公司。“随着对环氧树脂的调整,我们现在正在努力将固化时间缩减一半。”Pilette表示。

其他的面板,更多的平台

现在一种强大而成功的成型工艺已被开发出来。Pilette 和Swikoski 都表示,麦格纳的目标是,扩展这项新开发技术在多种碳纤维复合材料车身板上的应用,而且要在更多的平台上这样做。“我们通晓这些材料,同时,依靠我们自己的化学家和实验室,再加上与我们的供应商合作伙伴的合作,我们能够确保提供满足客户需求的解决方案。”Pilette总结道。

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