用纤维缠绕工艺生产后举升门的支撑结构框架

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI(本刊编译) 发布时间:2021-08-31
麦格纳国际公司采用显著改善的纤维缠绕工艺,生产出了对后举升门的性能起着关键作用的轻质支撑结构框架。


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麦格纳国际生产的后举升门构成

汽车的后举升门或者后舱门,从金属向复合材料的转变已经历了缓慢的几十年。虽然直到2013年,第一个无金属支撑结构的全塑料/复合材料的后举升门实现了商业化,但今天,大多数的后举升门仍然拥有这种支撑构件,在其上,则附有外蒙皮和内板。这样的后举升门,特别常见于较大、较重的运动型多功能车(SUVs)和后门较大的跨界多功能车(CUVs)上。

然而,2019年首次出现在日本丰田汽车公司的丰田Supra跑车上的复合材料后举升门,可能是举升门的下一次革命。一种纤维缠绕的复合材料框架取代了金属框架,而且据说还以低于传统金属结构的重量而提供了更高的刚性和强度。其设计灵活性更大,特别适合安装在紧凑的空间。据介绍,这项纤维缠绕工艺已得到了明显改善,随着兴趣的增加和应用的激增,它完全能够满足大批量的汽车生产对速度和成本目标的要求。

三边制造

麦格纳国际公司(以下简称麦格纳,加拿大安大略省奥罗拉)是北美的一级集成商,但在欧洲,其子公司Magna Steyr AG & Co. KG(以下简称Magna Steyr,奥地利格拉茨)还为需要额外制造能力的OEMs设计和组装完整的汽车。

麦格纳最新参与了一个涉及丰田和宝马等汽车制造商的有趣项目,自2013年以来,丰田和宝马就一直在设计和制造项目上展开合作。针对最新的项目,丰田希望重新启用其Supra品牌,并与宝马展开了合作,为该车型提供设计和调试,以及提供了一辆姊妹车——宝马的双人座Z4。这两款汽车采用相同的发动机、悬架和转向系统。Magna Steyr在格拉茨同时组装这两款车,并为Supra提供座椅、车身面板、门闩和后举升门。虽然这两款车都有很多创新,但安装在Supra上的后举升门却是体现复合材料设计创新的最显眼的部件。


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一种创新的全复合材料纤维缠绕空间框架首次被用在丰田Supra双人座跑车的后举升门上,它由位于奥地利格拉茨的Magna Steyr AG & Co. KG组装(图片来自丰田汽车公司)

波希米亚人的曼彻斯特

在麦格纳参与2020款Supra车型项目之前的几年,其位于捷克利贝雷茨的公司,就一直在探索将复合材料的空间框架技术用于一些潜在的应用领域。幸运的是,该地区作为领先的纺织中心,有着悠久的传统,曾被称为“波希米亚人的曼彻斯特”。利贝雷茨团队寻求一种技术架构,以便能够支撑高负载,降低总重量,确保严格的尺寸公差,并能采用高重复性和再现性的工艺进行生产,从而满足欧洲汽车制造商对性能和生产的要求。

“我们得出结论,我们需要一个热固性的产品,它具有高的耐热性和尺寸稳定性。” 麦格纳全球产品线(复合材料后举升门)总监 Riad Chaaya回忆说,“我们还知道,我们需要一个封闭的形状,其横截面的形状和厚度能够有所不同,这对于优化力学性能、安装空间、质量和成本都非常必要。而且,这样的部件能够采用每年生产15万个部件的工艺被生产出来。我们研究了很多技术,包括吹塑、编织和纤维缠绕,但没有一个能很好地满足我们的需求。经过多次试验后,我们选择了纤维缠绕作为满足我们所需的最佳匹配,因为它允许我们控制纤维的方向和数量,从而能够以最低的重量获得最高的模量。”

尽管纤维缠绕有很多好处,但令人担心的是,相对于传统的汽车生产要求,其速度可能过于缓慢。此外,该团队需要一种方法来开始和结束缠绕过程,以便创造一个封闭的形状框架。幸运的是,虽然该团队没有纤维缠绕的历史, 但利贝雷茨的纺织生产传统则意味着当地到处都是擅长粗纱和纤维缠绕的专家。

“我们很幸运,这些专家有激情重新启用他们的传统知识来帮助我们以新的方式应用它,从而满足大批量的汽车生产要求。”麦格纳外饰技术负责人(捷克共和国)Josef Půta博士补充道。

“由于传统的纤维缠绕相对于我们的要求过于缓慢,我们和我们的合作伙伴想了很多办法让它运行得更快。”麦格纳利贝雷茨的工业化负责人Lukáš Strouhal回忆说,“我们考虑了加快工艺中每一个步骤的方法,也考虑了完全不同的方法。虽然我们不能对我们是如何做到的透露太多,但我们可以说,我们在速度上取得了巨大的进步。”

麦格纳及其合作伙伴开发了许多树脂系统,包括环氧树脂、聚氨酯(PUR)和一种聚氨酯/乙烯基酯的混合物,同时添加了各种增强材料,从玻璃纤维到碳纤维,直至玄武岩纤维。最终选用的系统是PUR与玻璃纤维,它在纤维效率、性能、成本和生产速度之间实现了最佳平衡。

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麦格纳通用的纤维缠绕空间框架技术(上)的首个应用是丰田Supra车型的后举升门(下)的支撑结构,这种由PUR/玻璃纤维制成的框架具有变化的直径和壁厚(上图来自麦格纳国际公司,下图来自SPE汽车部门)

麦格纳的通用纤维缠绕空间框架分三步生产,每一步都为速度提升而得到了精心优化。首先,通过反应注射成型(RIM)工艺生产出一个硬质多孔的PUR芯核;然后,将芯核作为芯轴,在其上缠绕玻璃纤维;第三,将PUR灌注到缠绕的结构中,使其在高压树脂传递模塑成型(HP-RTM)工艺中固化。需要特别注意的是,在树脂灌注和固化期间,要保证芯核不塌陷。Půta解释说,他们开展的大量工作是:确定所用粗纱、浸润剂和树脂的种类,并与供应商密切合作,对材料进行改性,以及确定每一层需要缠绕的纤维数量和纤维方向。毫无疑问,该公司已获得了诸多专利,从设计和芯核生产,到纤维缠绕机器,还有他们掌握的其他商业机密,总之,覆盖了各个方面。

“我们在每个工艺步骤和产品上都有多项创新。”Strouhal解释说,“你可以把我们的一个框架拆开,看看它的形状和结构,然后你仍然会想:为什么要这么做?是怎么做到的?”

虽然麦格纳利贝雷茨团队还没有开发出针对某一特定应用的空间框架技术,但他们将得到一个有趣的机会来应用它。

极具挑战性的后举升门

麦格纳拥有生产乘用车后举升门的悠久历史,据说,该公司在北美和欧洲为2013 宝马i3城市电动汽车制造了第一个全烯烃的后举升门,并为FCA NA LLC(美国密歇根州奥本山)的2019 Jeep Cherokee SUVs 设计和制造了下一代的全烯烃后举升门。总之,无论是利贝雷茨的研究成果,还是将金属举升门结构转变成复合材料和塑料的悠久历史,对于Supra项目来说,后举升门的生产都是可以实现的。

Supra后举升门提出了一系列的挑战。”Chaaya回忆道,“首先,安装空间非常有限,这意味着公差要求非常严格,线性热膨胀系数值必须要小心管理,以确保举升门能够开、合自如;其次,门的形状更具挑战性。丰田不仅希望举升门更轻,而且对车后部的装饰有着非常特殊的造型要求;第三,考虑到该车辆的计划产量,如果用金属来实现这种形状,所用模具会非常昂贵。实际上,我们得出的结论是,用一块金属来制造举升门的框架而且还要满足丰田的设计和性能要求,这是不可能的,这就意味着空间框架必须要由复合材料制成,更确切地说,是热固性复合材料。”

外层表皮是经过喷涂的、注射成型的滑石粉增强TPO面板,而内板采用的是长玻纤增强聚丙烯(PP)。内、外板均采用双组分的PUR 结构粘合剂被粘接到框架上。Chaaya补充说,很多工作是用来优化空间框架,完善举升门的设计,以满足扭转载荷要求。早期的挑战是,找到一种能够精确模拟材料特性的方法,从而在预测结果与实测结果之间实现精确关联。


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凭借紧凑的安装空间、侵略性的造型和严格的扭转载荷要求,使得Supra后举升门成为一项极具挑战性的应用(图片来自丰田汽车公司)

“为确保与我们的材料模型具有良好的相关性,我们经过了艰苦的努力。我们必须对缠绕的每一层进行模拟,并要结合形状、半径和缠绕本身的要求。”他补充说,“虽然一开始我们只偏离了20%,但经过多次调整以及确定最佳的方式,我们改善了刚度,最终与预测结果非常接近。在这么大的框架上,我们还设法将尺寸公差控制在1mm。”

诸多优势


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最终的复合材料框架要比相应的金属框架轻10%,而质量分解效应则有助于整个后举升门要比相应的金属举升门轻20%~25%(图片来自麦格纳国际公司)

最终的圈形框架拥有可变的直径和壁厚,但有一个50~60 mm的标称直径。除了角落里的一个小支架、像门闩和铰链这样的硬附件,以及用箔片接地的整体天线外,整个框架(104cm×111cm)完全是复合材料的,甚至用来将内饰板连接到举升门下半部分的耳状支架也是复合材料的,而且是通过HP-RTM工艺制成。虽然这种复合材料的框架要比相应的金属框架轻10%,但质量分解效应则意味着整个后举升门要比相应的金属举升门轻20%~25%。

更轻的举升门使得消费者在打开和关闭时无需花费太大的力气,对于工人来说,在车辆装配过程中更容易安装。此外,在车辆使用寿命期间也更节省燃油。这种复合材料的系统还消除了金属举升门所需的卷边和点焊/连接等加工步骤。

Chaaya暗示说,该公司正在开展另一个大型纤维缠绕汽车项目,并表示,麦格纳认为,这项技术除了后举升门外还有其他用途。“车门、行李箱盖、发动机盖、FEMs(前端模块)甚至是无人驾驶车辆,如由玻纤缠绕的框架构成的公交车,都可以使用这样的空间框架。”他补充说,“如果我们采用碳纤维织物,就不用将框架藏在里面了——将碳纤维漂亮的表面暴露出来,这是一种身份的象征。”

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