隨著制造商們尋求降低復(fù)合材料部件的成本，設(shè)計(jì)師們一直在努力地盡可能高效地使用組合材料，同時實(shí)現(xiàn)自動化的生產(chǎn)和多種功能的集成。在汽車應(yīng)用中，對短至1～2min循環(huán)時間的要求，令這一挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。

多年來，二次成型，即在連續(xù)纖維預(yù)成型件上注塑成型熱塑性復(fù)合材料的一些特征，作為一種可行的解決方案而一直受到追捧，比如，CAMISMA項(xiàng)目于2014年展示的一種二次成型的復(fù)合材料座椅靠背。

“現(xiàn)在，這種方法已被引入到一個新的高度上，實(shí)現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料白車身結(jié)構(gòu)的全自動化生產(chǎn)。”西格里碳纖維（SGL Carbon）輕量化及應(yīng)用中心的負(fù)責(zé)人 Christoph Ebel博士解釋道。

這一進(jìn)步要?dú)w功于一種已發(fā)展多年的“骨架”設(shè)計(jì)方法。

正如MAI Skelett項(xiàng)目于2015年首次展示的那樣，這項(xiàng)技術(shù)涉及在一個循環(huán)時間75s的兩步法工藝中，對拉擠成型的單向（UD）碳纖維熱塑性塑料進(jìn)行熱成型和二次成型，以生產(chǎn)一種超越了以前所有版本要求的結(jié)構(gòu)車頂梁。它還集成了附件夾，并為提高白車身的殘余強(qiáng)度而改變了碰撞行為，即從脆性破壞模式變?yōu)轫g性破壞模式。

采用骨架設(shè)計(jì)的擋風(fēng)玻璃框架

為期17個月的MAI Skelett項(xiàng)目得到了德國聯(lián)邦教育與研究部的支持，它由德國Carbon Composites e.V.網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域分部——MAI Carbon公司完成。

該項(xiàng)目的重點(diǎn)是生產(chǎn)一種特殊的示范件，即位于擋風(fēng)玻璃上方兩個A柱之間的擋風(fēng)玻璃框架。

包括所有的功能和空間要求在內(nèi)，其設(shè)計(jì)是基于當(dāng)前的寶馬i3結(jié)構(gòu)。

該擋風(fēng)玻璃框架不僅可用作車頂?shù)臋M向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還提供其他功能，包括：

? 剛性——這還降低了噪聲、振動和不平順性（NVH）

? 強(qiáng)度（車頂壓力試驗(yàn)）——幫助滿足碰撞要求

? 遮陽板、內(nèi)飾和照明線束等內(nèi)部部件的固定體

? 與擋風(fēng)玻璃、天窗和外部車頂板連接的支架

這種骨架設(shè)計(jì)的擋風(fēng)玻璃框架，其4個角落擁有單向纖維增強(qiáng)的拉擠棒，它們被包覆在二次成型的框架之中，以提供扭轉(zhuǎn)剛度和復(fù)雜形狀的功能附件。

這種拉擠的型材不是全都位于同一個平面上，而是被安排在不同的高度上：兩個靠近這一60mm高的部件的底部，還有兩個靠近頂部。

拉擠作為熱塑性工具箱的一部分

對于MAI Skelett擋風(fēng)玻璃框架而言，最終設(shè)計(jì)完成了一個100mm2的橫截面，目標(biāo)是采用較便宜的重絲束碳纖維。

然而，所選擇的50K 絲束纖維擁有緊密結(jié)合的大量細(xì)絲，這使得樹脂浸漬更加困難。

“通常，這一挑戰(zhàn)可以通過優(yōu)化的纖維制導(dǎo)（optimized fiber guidance）以及鋪展以達(dá)到最佳浸漬和50%的高纖維體積含量而得以克服。”西格里熱塑性塑料產(chǎn)品經(jīng)理Veronika Bühler解釋道。

目前，西格里已掌握了這項(xiàng)技術(shù)，并提供拉擠成型以作為其熱塑性工具箱中的一部分。

“憑借我們的熱塑性帶材（也是基于拉擠成型），我們對半成品有了廣泛的了解，所以我們能夠快速適應(yīng)我們當(dāng)前使用的拉擠技術(shù)來創(chuàng)建我們自己的型材。這一過程包括對纖維量、孔隙率和尺寸精度的質(zhì)量檢驗(yàn)?；谧詣踊蜋C(jī)器人操作，使得尺寸精度非常重要?！彼^續(xù)說道，“比如，由于拉擠型材中的殘余應(yīng)力，所以不能有彎曲?！?/p>

除了拉擠的增強(qiáng)材料外，熱塑性樹脂也在MAI Skelett項(xiàng)目中得到了研究。

各種類型的聚酰胺6（PA6）得到了測試，以為實(shí)現(xiàn)最佳的拉擠質(zhì)量和拉擠速度而確定所需要的黏度和流變性。

通過其熱塑性工具箱（包括UD帶、有機(jī)板材、用于短纖維和長纖維增強(qiáng)配混料的短切纖維，以及現(xiàn)在由單向纖維增強(qiáng)的拉擠型材），西格里為此項(xiàng)目提供了一系列的材料，所有這些材料都是基于適合聚丙烯和聚酰胺（包括PA6或原位PA6）基體浸潤的SIGRAFIL 50K碳纖維。

“為了獲得最佳性能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，必須使纖維、浸潤劑和基體材料彼此協(xié)調(diào)。”Bühler表示。

她還對原位PA6作了解釋：“這是在復(fù)合材料部件的成型過程中，當(dāng)反應(yīng)己內(nèi)酰胺單體或反應(yīng)含有催化劑和活化劑的單體時，聚合形成的長聚合物鏈?！睋Q句話說，就是己內(nèi)酰胺原位聚合成聚酰胺。

Bühler表示，作為一種聚合物群體，聚酰胺包括PA66和PA12，以及可作為額外基體材料選項(xiàng)的某些類型的PPA。

制造這種擋風(fēng)玻璃框架的另一個重要方面是這種熱塑性半成品在成型期間以及成型后的熱成型能力，以進(jìn)一步對形狀進(jìn)行功能化以及確保二次成型過程中的熔融膠合，這是MAI Skelett示范部件設(shè)計(jì)中的兩個重要因素。

熱成型和二次成型

生產(chǎn)MAI Skelett擋風(fēng)玻璃框架從拉擠碳纖維/PA6的型材開始。之后，這些型材必須得到修正，以適應(yīng)部件的形狀以及在不同的點(diǎn)引入載荷。

為此而選擇了熱成型，主要考慮的是，只有盡可能地保持直線，才能實(shí)現(xiàn)碳纖維的高強(qiáng)度和高剛性。這需要沿基體材料流動的方向來拉伸拉擠棒，然后對棒的末端進(jìn)行壓扁和彎曲。

熱成型的末端：在MAI Skelett擋風(fēng)玻璃框架中的拉擠棒的末端得到了熱成型，以滿足部件形狀和載荷引入的要求（圖片來自寶馬集團(tuán)的MAI Skelett最終報告）

熱成型的末端：為熱成型拉擠棒的末端，對3種不同的形狀進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果，沿基體材料的流動方向?qū)瓟D棒進(jìn)行拉伸，確保了最佳的纖維排列，從而可以滿足負(fù)載要求（圖片來自寶馬集團(tuán)的MAI Skelett最終報告）

第二步是將熱成型的拉擠型材放到紅外加熱器下，用不到50s的時間加熱它們，然后利用專為此而開發(fā)的一個自動化操作系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)入注塑模具中。

該項(xiàng)目中的所有部件，均在現(xiàn)有的注塑機(jī)上生產(chǎn)。然后，纖維增強(qiáng)的配混料被二次成型到型材的上面和周圍。

為了將4個熱成型的拉擠棒固定到位，在二次成型的過程中，對模具和加工都有精度要求。

該兩步法工藝（熱成型和預(yù)制拉擠型材的二次成型）的總循環(huán)時間大約是75s。

“由于在二次成型前重新加熱了熱塑性基體材料，因而允許在極短的循環(huán)時間內(nèi)，將預(yù)制的熱成型棒材成型并粘接到最終部件上。”Ebel解釋說。

“通常，熱塑性塑料的熔融性還可以實(shí)現(xiàn)與均勻的金屬部件的連接?！盉ühler補(bǔ)充道,并指出，熱塑性塑料的熱成型和注塑成型工藝提供了出色的再現(xiàn)性和過程控制，這是實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

韌性失效

拉擠的骨架：拉擠的型材被用作下一代擋風(fēng)玻璃框架的二次成型纖維增強(qiáng)PA6“肌肉”的承載骨架，該擋風(fēng)玻璃框架比目前的寶馬i3結(jié)構(gòu)更出色（圖片來自西格里碳纖維）

為探索對部件更具韌性的失效形式，PPA和PA6的型材以及與之兼容的、采用玻璃纖維和碳纖維的模塑配混料均得到了評估。

盡管更具韌性的破壞形式減少了擋風(fēng)玻璃框架可以轉(zhuǎn)移的負(fù)載量，卻提高了整個白車身的結(jié)構(gòu)完整性。

采用的分析方法包括實(shí)體建模、鋼筋建模（幾何建模，在此，拉擠型材作為二次成型的加強(qiáng)鋼筋）和采用殼體元素的建模，以及所有這些建模的各種組合。

有限元求解器ABAQUS（Dassault Systèmes，法國巴黎）、由Sandia國家實(shí)驗(yàn)室（美國新墨西哥州Albuquerque）開發(fā)的Dakota參數(shù)求解器以及OptiStruct （Altair Engineering，美國密歇根州特洛伊）等軟件均被用于拓?fù)鋬?yōu)化。

雖然寶馬在其最終項(xiàng)目報告中未指定首選的材料組合，但的確給出了結(jié)論：

? 最終的模擬和測試結(jié)果表明，除扭轉(zhuǎn)剛度（它被確定為不是擋風(fēng)玻璃框架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵驅(qū)動因素）外，這種骨架組件超越了對目前碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）部件的所有要求。

? 在碰撞載荷情況下，這種骨架設(shè)計(jì)的負(fù)載水平和能量吸收超過了當(dāng)前的CFRP 部件，它還成功地實(shí)現(xiàn)了一種更具韌性的破壞模式，這不僅進(jìn)一步提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞性能，而且還對碰撞性能及其與整個白車身結(jié)構(gòu)的關(guān)系有了更深入的理解。

未來的骨架設(shè)計(jì)應(yīng)用

在MAI Skelett最終報告中，寶馬指出，其還發(fā)現(xiàn)了其他6個汽車部件可以從使用這種骨架設(shè)計(jì)方法而提供的生產(chǎn)、材料和模具成本的顯著降低中獲益。

西格里碳纖維（SGL Carbon）建議，將其應(yīng)用在汽車和航空座椅結(jié)構(gòu)、儀表板、機(jī)器人手臂、X射線工作臺及其他方面。

然而，這種骨架設(shè)計(jì)方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展，在后續(xù)的MAI Multiskelett項(xiàng)目（執(zhí)行期是2015年9月至2017年6月）中，它被擴(kuò)展應(yīng)用到了多軸應(yīng)力部件上。

該項(xiàng)目研究了軸承部件與拉擠型材交接的應(yīng)用區(qū)域，同時還研究了高負(fù)載引入的應(yīng)用區(qū)域，特別是大型結(jié)構(gòu)部件上幾個主要載荷路徑的交匯處。就像在上一個Skelett項(xiàng)目中一樣，該項(xiàng)目研究了部件設(shè)計(jì)以及具有成本效益的批量化生產(chǎn)線。

骨架設(shè)計(jì)如何能夠進(jìn)一步地優(yōu)化現(xiàn)有的復(fù)合材料部件的一個例子是，用于一款電動汽車內(nèi)飾的碳纖維前端載體，它由西格里與汽車技術(shù)專家Bertrandt（德國Ehningen）于2017年開發(fā)。

碳纖維載體：采用骨架設(shè)計(jì)方法，這一用于一款電動汽車儀表板的替代設(shè)計(jì)將用拉擠型材取代熱成型的有機(jī)板材，用作二次成型的主承載構(gòu)件，以實(shí)現(xiàn)功能附件和儀表板設(shè)計(jì)，提高效率并降低成本（圖片來自西格里碳纖維）

集成傳統(tǒng)儀表板的所有主要功能和裝飾部件，這種碳纖維載體是基于一種熱成型的有機(jī)板材作為承載骨架來增加剛性。

“未來，這個部件可以被采用二次成型的熱塑性型材設(shè)計(jì)所取代。”Ebel表示，“這可以省去對有機(jī)板材的切割、鋪層和修邊操作。而且，橫梁將不再需要，因?yàn)槲覀兛梢詫⑺蔀槔瓟D的型材并二次成型它們來實(shí)現(xiàn)儀表板設(shè)計(jì)。這種二次成型的部件還將為適應(yīng)所有的附加元件以及用于連接這些元件或電纜的螺釘和夾子而提供更多的空間和更大的靈活性?！?/p>

Ebel承認(rèn)，這將是一個巨大的設(shè)計(jì)變化，但卻降低了成本并使整個組件更高效。他指出，設(shè)計(jì)一個幾乎沒有浪費(fèi)的工藝是可行的，因?yàn)榭梢跃_地將型材切割成所需要的長度，而且在這些步驟中或者在二次成型之前的熱成型中沒有碳纖維增強(qiáng)材料的損失。

Bühler指出，座椅也是這種骨架設(shè)計(jì)的主要候選者。

“復(fù)合材料通常是由織物或帶材制成的板狀結(jié)構(gòu)，但我們可以通過在底部集成型材并增加剛性來減小平面區(qū)域的厚度。”她指出，拉擠的型材不是唯一能夠在周圍建立的有效的UD產(chǎn)品，它也可以是很容易適應(yīng)每個部件負(fù)載路徑的帶材。

Ebel說，“作為一個額外的創(chuàng)新概念，這種骨架設(shè)計(jì)已激發(fā)了參觀輕量化及應(yīng)用中心的很多公司的興趣，我們的客戶認(rèn)為它是有前途的?！彼忉屨f，該輕量化及應(yīng)用中心已具備了設(shè)計(jì)能力，能夠幫助公司整合其創(chuàng)新理念，如為未來節(jié)省材料的部件開辟新的設(shè)計(jì)空間而提供骨架概念。

“有許多應(yīng)用可以采用類似擋風(fēng)玻璃框架的設(shè)計(jì)。”Bühler說，“這對于行業(yè)從準(zhǔn)各向同性鋪層（這使碳纖維的強(qiáng)度和剛性大多數(shù)留在了臺面上）開始向前推進(jìn)是重要的。相反，我們必須研究更有效的材料形式，只將每種材料用在需要的地方，這才是行業(yè)未來的需求。”