奥迪R8座椅后壁:生产的前奏

作者:JEFF SLOAN 文章来源:PT塑料网 发布时间:2018-05-17
奥迪汽车公司自主设计并开发了碳纤维复合材料的结构,该公司希望能够实现该结构的高产率生产。

奥迪汽车公司经过几年的研究,确定了在哪些部位以及如何将复合材料应用到其2016 R8 Spyder车型的模块化跑车系统(MSS)上

奥迪汽车公司经过几年的研究,确定了在哪些部位以及如何将复合材料应用到其2016 R8 Spyder车型的模块化跑车系统(MSS)上。这款汽车的后壁集成了B柱,其CFRP的传动轴通道采用碳纤维复合材料成型。在此款汽车中,一个可折叠的后壁将乘员舱与后发动机舱分隔开来。由于没有车顶结构,因此,后壁和通道必须为汽车提供整个中等大小的汽车所需要的刚性和结构支撑(图片来自奥迪汽车公司)

对于汽车OEMs而言,应用复合材料的问题是:从哪里开始?最受欢迎的且明智的策略之一是,从低产量的应用开始,然后向高产量方向发展。这就是奥迪汽车公司(以下简称“奥迪”)7年前的想法,当时该公司开始开发其为R8 Coupe、R8 Spyder、R8 LMS(赛车)和兰博基尼Huracan等车型的应用而设计的模块化跑车系统(Modular Sports-Car System,简称“MSS”),所有这些车型,都是发动机后置的双人座汽车。

特别是随着汽车向电动化方向发展,奥迪的模块化跑车系统(MSS)被视为是“将先进材料应用于白车身上以减轻重量并提高效率”的一种工具。奥迪轻量化设计中心CFRP技术开发专家 David Roquette说,第一代R8是铝的,但奥迪决定下一代的MSS项目要应用碳纤维复合材料。但问题是,应用在哪里?为寻找答案,奥迪开展了一项为期3年的白车身评估。Roquette与其同事采用一种内部开发的优化的软件包来确定白车身上的23种负载情况,然后确定白车身上的哪些部位承受的各向异性应力最大,这些部位即被认为是最适合采用复合材料。

奥迪R8模块化跑车系统(MSS)的CFRP后壁和通道:白车身的负载情况表明,复合材料是用在后壁、B柱和通道结构上的最有效的材料

奥迪R8模块化跑车系统(MSS)的CFRP后壁和通道:白车身的负载情况表明,复合材料是用在后壁、B柱和通道结构上的最有效的材料。可模压的3D泡沫芯材优化了强度/重量比,而且聚甲基丙烯酰亚胺材料还防止了芯材被压碎。这种三明治结构减少了碳纤维的用量,控制了成本,要求采用低压高速的RTM工艺

“然而,还不只是应力问题。”Roquette介绍说,“还有经济问题。我们可以制造它吗?我们有技术吗?成本和重量是否合理?”随着开发工作的推进,符合这些标准的部位发生了变化,最终是围绕着传动轴通道以及将乘员舱与后发动机舱分隔开来的后壁。在2016 R8 Spyder和Coupé车型上,碳纤维复合材料在这些部位得到了应用,显著提高了汽车的扭转应力和刚性,同时为汽车减重带来了良好的机遇。

为负载情况而设计

双重保护防止芯材被压破:为减少碳纤维用量,同时满足后壁、B柱和通道的强度和刚性要求
双重保护防止芯材被压破:为减少碳纤维用量,同时满足后壁、B柱和通道的强度和刚性要求,奥迪想要采用一种三明治结构,它含有可模压的聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫芯材,该芯材采用了抗挤压的原材料。虽然如此,为避免芯材被压破,奥迪还为部件的制造而开发了一种低压树脂传递模塑成型工艺(图片来自赢创)

Roquette的同事、同样是奥迪技术中心的CFRP专家Felix Diebold介绍说,当奥迪对复合材料的研究首先集中在之前提到的23种负载情况时,该公司特别需要寻找的机会是,复合材料将能够在哪些部位提高白车身的扭转刚度并减轻重量,由此来提高整个车辆的强度和乘员安全性。在实施设计工程的过程中,奥迪提出了一种铺层方案,包括采用单向的和机织的碳纤维织物增强材料以及采用一种快速固化的环氧树脂系统。

此外,Diebold介绍说,奥迪想要采用含泡沫芯材的三明治结构来制造R8 Spyder车型上的一些复合材料部件,特别是B柱和后壁的上方。Roquette说,之所以决定采用泡沫芯材,是因为公司想要减少每个结构中所使用的碳纤维数量,以及在B柱中集成部件并提高强度和刚性。作为一款敞篷车,增强B柱的性能对于Spyder是至关重要的。因为在一辆非敞篷车中,底盘的稳定性和刚性是由地板/通道断面和车顶框架提供的,但对于敞篷车而言,地板/通道断面必须提供所有的稳定性和刚性。

奥迪想要通过树脂传递模塑成型(RTM)工艺,来生产由环氧树脂浸润的碳纤维和泡沫芯材所构成的三明治结构。Diebold回忆说,这项计划的主要问题是,要找到一种易于处理的芯材,它既不能太重(密度在100~150 kg/m3)、也不能太轻而导致在RTM加工中易于破碎。最终,奥迪在市场上找到了一种新的解决方案和相对新的产品,即一种聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫。“它完全能够受压,不易压碎,易于处理。”Diebold说,“我们也尝试了其他芯材,但热量、成本或其他一些限制问题使得它们不可能得到应用。”他补充说,这种泡沫可以被成型为几乎任何的三维形状,允许集成轴套、嵌件和其他金属部件,避免了复合材料结构制造中与泡沫芯材相关的典型的加工和铣削。此外,PMI拥有均匀的泡孔结构,经得起水压试验。

一种新型RTM工艺

在2017 SPE汽车复合材料会议及展示会上展示的R8 Spyder车型的后壁和B柱
在2017 SPE汽车复合材料会议及展示会上展示的R8 Spyder车型的后壁和B柱。 在研究过程中,奥迪对23种负载情况做了评估,以确定在模块化跑车系统(MSS)上的哪些部位存在最大的各向异性载荷,这些部位即可应用碳纤维复合材料

开发中的最后一道难题是对RTM工艺进行改进。这项工作非同小可,因为奥迪最终要将其开发的技术移交给一级供应商进行生产。

虽然高压RTM(HP-RTM)已受到了汽车复合材料制造商们的欢迎,但Roquette 说,考虑到注射点处的注射压力高达120bar甚至更高,会对泡沫芯材的完整性带来威胁,因此,促使奥迪去寻找一种能够降低注射压力同时又不会延长循环时间的方法。在与一些研究人员取得联系后,这项研究有了眉目。这些研究人员采用模腔压力传感器来精细调整RTM中注射压力、成型压力和模具间隙之间的相互作用,以优化成型工艺。

Roquette介绍说,奥迪与这些研究人员的研究表明,在成型过程中,如果型腔压力是控制变量和主变量,如果生产不比HP-RTM的循环时间更快,就可以通过调节模具的间隙高度和成型压力,来实现更快的生产节拍。奥迪将其工艺称作“超级RTM”。在生产R8 Spyders的三明治结构时,注射压力不超过40bar,模具间隙开启多达0.6 mm,最低成型压力500t,模具温度不超过123℃。采用这项新的工艺,注射时间可以被缩短至15s,整个循环时间不到5min.。这也意味着部件可以在更小型、更便宜的压机上成型,能耗更低,且不存在有损芯材完整性的风险。

为未来而开发

将MSS概念扩展应用到其他车型中
将MSS概念扩展应用到其他车型中:新的奥迪A8豪华级汽车采用了略有改进的复合材料后壁。为使这些部件实现高产率的生产,奥迪一直致力于研究材料和加工技术(图片来自奥迪汽车公司)

Roquette表示,当奥迪最初着手制造用于模块化跑车系统(MSS)的复合材料部件时,其策略是利用欧洲的汽车复合材料制造商,因为他们有能力和经验来高效而快速地设计和制造OEM所需要的部件。但最终奥迪决定,这样的复合材料和加工经验首先应在自身内部开发出来。

“我们认为,如果我们真的想要在复合材料领域获得一些突破性的技术,我们自己必须要理解它,而且必须自己去开发。”Roquette说,“我们拥有一个庞大的团队,每天只专注于这个项目。”

等到了需要移交材料和工艺的时候,奥迪已为其R8而发展了两家欧洲的汽车复合材料供应商,他们负责实际的制造。“这不是我们能够在开放的市场上可以买到的技术。”Roquette说,“所以,当我们与我们的供应商接触时,他们已经拥有很长时间的复合材料制造经历了,对他们而言,接受这项新的技术非常困难。的确,我们为他们提供了这项技术,并向他们介绍了应如何应用这项技术。但最终要制造出好的部件,还是取决于供应商,所以他们冒的风险很大。因此,作为一家汽车OEM的供应商,的确很不容易。”

在2016 R8 Spyder车型的应用中积累的经验也得到了延续。2017年,奥迪推出了其4人座的豪华级A8车型,它采用了一种碳纤维复合材料的后壁和后壁上隔板,两个部件都采用超级RTM工艺制成。当然,要达到更高的产量,还有很多工作要做。Roquette说:“最终的碳纤维部件仍然成本太高,这不只是纤维的价格和RTM的效率问题,而是来自各个方面,包括树脂和粘结剂的价格,这是由整个供应链导致的,因此,我们必须不断采纳新的思想。”

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