从车架到骨架：实现更具竞争力的复合材料结构

随着制造商寻求降低复合材料部件的成本，设计人员努力尽可能高效地使用构成材料，同时实现自动化生产和多种功能的集成。对于汽车应用而言，由于需要短循环时间，因此这一挑战更加严峻。

二次成型或者说是包覆模压成型工艺，即在连续纤维预制件顶部注塑成型热塑性复合材料，多年来一直被认为是一种可能的解决方案。“这种方法已经达到了新的水平，现在实现了热塑性复合材料BIW白车身结构的全自动生产。”西格里SGL Carbon公司轻量化应用中心负责人Christoph Ebel 博士解释道。
这一进步得益于“骨架”设计方法，该方法已经开发了好几年。正如MAI Skelett 项目首次展示的那样，该工艺涉及使用单向（UD）碳纤维热塑性塑料，通过两步法75 秒工艺进行热成型和包覆模压， 从而生产出超过以往所有版本要求的结构屋顶构件。它还集成了附件夹子，并改变了从脆性到延性失效模式的碰撞行为，以提高BIW 剩余强度。
在宝马公司的领导下，项目的重点是实现一个特定的目标：挡风玻璃框架——位于玻璃挡风玻璃上方的两根A 柱之间。其设计基于目前宝马i3 的结构，包括所有的功能和空间要求。
挡风玻璃框架不仅作为屋顶的横向结构构件， 还提供其他功能：刚度，同时降低噪音、振动和粗糙度（NVH）；强度（屋顶压力测试），有助于满足碰撞要求；一种用于内部部件的固定装置（例如， 遮阳板、内饰，用于照明的灯线束等），以及与挡风玻璃、天窗和外部屋顶板连接的支架。
骨架设计的挡风玻璃框架在零件的角落处包含四个UD 纤维增强拉挤杆，封装在包覆成型的框架中，以提供扭转刚度和复杂形状的功能附件。拉挤型材不是全部在一个平面上，而是排列在不同的高度：两个靠近60 毫米高的部分的底部，两个靠近顶部。
对于MAI Skelett 挡风玻璃框架，最终确定了 10×10 毫米见方的横截面。目标是使用较便宜、较粗的碳纤维束。然而，所选择的50K 丝束纤维具有无数长丝的紧密堆积，这使得树脂浸渍更加困难。

SGL 热塑性塑料产品经理Veronika Bühler 说：“总的来说，这一挑战可以通过优化的纤维引导和扩散来克服，以达到最佳浸渍和高达50% 体积的纤维体积含量。”西格里SGL 已经掌握了这项技术，现在提供拉挤成型作为其热塑性工具箱的一部分。
除拉挤增强材料外，还在MAI Skelett 项目中研究了热塑性树脂。测试各种类型的聚酰胺6（PA6 或尼龙6）以确定所需的粘度和流变性，以优化拉挤成型质量和速度。
SGL 通过其热塑性工具箱为该项目提供了一系列材料，其中包括UD 带、有机片、短纤维和长纤维增强复合材料的短切纤维，以及现在的UD 增强拉挤成型，均基于SIGRAFIL 50K 碳纤维，适用于上浆聚丙烯（PP）和聚酰胺基质，包括PA6 或原位PA6。为了实现复合材料结构的最佳性能，必须协调纤维、施胶和基质。
挡风玻璃框架制造的另一个重要方面，是热塑性半成品在成型过程中和成型后的热成型能力。这关系到在包覆成型期间是否能够进一步实现形状的功能化以及熔合。两者都是MAI Skelett 项目设计中的重要因素。

热成型和包覆成型
MAI Skelett 挡风玻璃框架的生产始于碳纤维/ PA6 拉挤型材。然后必须对它们进行修改，以适应组件的形状以及在不同点处的负载引入。选择热成型来做到这一点，首要关注的是碳纤维的高强度和刚度只能通过尽可能保持直线来实现。当拉挤棒在基质流动方向上拉伸，然后在棒的末端变平并弯曲时，实现了这一点。
该方法的第二步是将热成型拉挤型材放置在红外加热器下，使其在不到50 秒内达到温度，然后使用为此目的开发的自动处理系统转移到注塑模具中。项目中的所有部件均在现有的注塑机上生产。然后将纤维增强的化合物包覆成型到型材上和
周围。在包覆成型期间，在模具和工艺中都需要精确度，以便将四个热成型拉挤棒保持在适当位置。两步法，预成型拉挤成型的热成型和包覆成型
的总循环时间约为75 秒。由于热塑性基体在包覆成型之前会重新熔化，因此可以在非常短的循环时间内将预制和热成型棒材成型并粘合到成品部件中。通常，热塑性塑料的可熔性也能够与均匀的金属部件连接。由于热塑性热成型和注塑成型工艺具有出色的再现性和工艺控制，这是大批量生产的关键因素。

延展性失效
评估了使用玻璃和碳纤维的相容模塑化合物的PPA 和PA6 型材，以探索该组件的更具延展性的失效模式。虽然更具延展性的失效模式减少了挡风玻璃框架的承载能力，但从整体上改善了BIW 的结构完整性。
分析方法包括实体建模、钢筋建模（ 几何建模，其中拉挤成型作为钢筋加强包覆成型）和使用壳单元建模，以及这些的各种组合。软件包括FE 解算器ABAQUS（ 达索系统）和由 Sandia National Laboratories 开发的Dakota 参数求解器。OptiStruct 用于拓扑优化。
虽然宝马没有在其最终项目报告中指定首选材料组合，但它确实得出结论，最终模拟和测试结果表明骨架组件超出了当前碳纤维增强塑料（CFRP） 部件的所有要求，除了扭转刚度，被确定不是挡风玻璃框架的关键设计驱动因素。
与当前的CFRP 部件相比，骨架设计超过了碰撞载荷情况下的载荷水平和能量吸收。它还成功地实现了更具延展性的失效模式，这不仅进一步提高了复合材料结构的碰撞性能，而且进一步提高了对碰撞性能的理解以及它与整个BIW 结构的关系。

未来的骨架设计应用
在MAI Skelett 最终报告中，宝马指出，它已经确定了其他六种车辆部件，这些零部件可以从使用骨架设计方法显著降低制造、材料和工装成本中受益。SGL Carbon 建议在汽车和航天座椅结构、仪表盘、机器人手臂、X 射线工作台等方面进行应用。
然而，骨架设计方法得到了进一步的发展，扩展到后续的MAI Multiskelett 项目中的多轴受力构件。它研究了轴承部件和拉挤型材相交的区域，也研究了高荷载引入区域，特别是几个主要荷载路径相交的大型结构部件。与之前的Skelett 项目一样， 对组件设计和低成本的串行生产线进行了研究。

骨架设计如何进一步优化现有复合材料部件的一个例子是2017 年由SGL 和汽车技术专家

加工工艺的主要挑战是找到最优的配置矩阵和纤维材料，纤维长度、层结构和过程技术，以满足更加广泛的需求。
整体设计是一种排他性的安装结构，SGL 集团不仅共享其材料和过程的专业知识，同时也在提供了其在大组件生产的经验。最优混合材料以及生产技术开发在单独的轻量级和应用中心（LAC）， 轻量级的解决方案都是设计用于大规模生产。
“将来，这部件可以用包覆成型热塑性型材的设计取代。”Ebel 说，“这将省略有机片的切割、铺设和修剪操作。此外，横梁也将过时，因为我们将其整合为拉挤型材并包覆它们以实现仪表板设计。这种包覆成型的部件还可以提供更大的空间和灵活性，以容纳所需的附加元件以及用于连接这些元件或电缆等的螺钉和夹子。”
Ebel 承认这将是一项巨大的设计变更。“但它降低了成本并使整个组件更加高效。”
他指出，设计一种几乎没有浪费的工艺是有可能的，因为型材完全按照所需的长度切割，而且在这些步骤中或在过度成型前的热成型过程中不会损失碳纤维增强材料。座椅也是骨架设计的主要候选。“在复合材料中，它们通常由织物或带制成，并且仍然是片状结构。但是我们可以通过整合底部的轮廓和增加刚度来减小平面区域的厚度。拉挤型材不是唯一可以构建的有效UD 产品。
“我们正在轻量级应用中心吸引了很多公司。”

Bertrand（t德国Ehningen）开发的电动汽车碳载体前部内部。集成了所有主要功能和装饰组件。在传统仪表板中，碳载体基于热成型有机薄片作为承载“骨架”以增加刚度。
“碳载体”结合轻量级碳纤维复合材料和集成功能的“完美的案例”用于“创新型材料混合的汽车行业”。在轻型结构领域，碳纤维增强塑料（CFRP） 扮演了重要的角色。整体设计，是基于在Bertrandt创建的基础功能包的基础上开发模型的前汽车内饰及可转换电力驱动车。模型包括所有主要功能和装饰组件的传统仪器面板。结构组件也被重新设计， 使车内感觉更自由、光明和浮动的印象。

Ebel 说，“骨架设计作为一个额外的创新概念引起了很多人的兴趣，并且被我们的访客看作是非常有前景的。”该中心已经建立了自己的设计能力，可以帮助公司整合创新的想法，如骨架概念，为未来的材料高效组件开辟新的设计空间。
“在很多应用中，我们可以使用类似挡风玻璃框架的设计。”布勒说，“对于碳纤维行业来说，从准各向同性铺层发展是很重要的，这使得碳纤维的强度和刚度有了很大的提高。相反，我们必须开发更有效的材料形式，把每一种材料只放在需要的地方。这是这个行业未来所需要的。”
（来源：荣 格）