【独家】解读德国汽车轻量化“灯塔项目”创新成果
来源：中国国际复材展组委会  2018-12-25 15:35:37
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文章关键词： 弗劳恩霍夫化学技术研究所 D-LFT 单向玻璃纤维增强热塑性预浸料 局部高级定制D-LFT 碳纤维 尼龙6 汽车

原文：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-7561.html       德国弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer-ICT），在2018年第24届中国国际复材展创新产品评选活动中，凭借其欧盟公共基金资助项目“电动汽车用多材料、一体化、轻量化设计”项目（SMiLE，System-integrated Multi-material Lightweight design for E-mobility）的研究成果——汽车载重地板模块，获得了2018年的“CCE-JEC创新产品奖”。今天，小编将带大家深入了解该项目所开发的热固性前段载重地板和热塑性后段载重地板所涉及到的关键技术创新点。


一、 项目简介

       SMiLE是欧盟公共基金资助项目，于2017年底结题。该项目采用多种材料和工艺技术对未来电动汽车车身的轻量化材料和生产工艺进行了优化（主要应用于汽车结构部件）。项目参与单位包括汽车制造商奥迪公司（Audi）及其母公司大众汽车集团（VW）、大众集团研究院、德国Karlsruhe技术学院车辆系统技术研究所（KIT-FAST）、弗劳恩霍夫化学技术研究所（Fraunhofer-ICT）和弗劳恩霍夫材料力学研究所（Fraunhofer-IWM）、热塑性复合材料供应商巴斯夫（BASF）、机械设备制造商迪芬巴赫（Dieffenbacher）、工具和模具制造商孚利模（Frimo），以及cleanLASER、ifs、VOITH、WBK、保时捷、蒂森克虏伯、Novelis、Brokelmann Aluminium、斯图加特大学、IAM、弗莱贝格工业大学等20家单位。其中，Audi担任该项目的牵头单位，F-ICT负责复合材料部件的生产。该项目合作单位众多，涵盖了从原材料供应商、制造商、设备供应商、研究机构到终端用户汽车厂在内的整条价值链。同时，由于其项目开发的全局性理念和产业链各环节的密切配合，该项目还在德国全国电动车会议上被德国联邦教育和研究部（BMBF）选为灯塔项目。而该项目这种跨越全产业链的合作模式也为我国产业界的项目开发模式提供了有益的借鉴。


       经多年研究，SMiLE项目采用智能化复合材料-金属多材料设计理念对高效轻量化电动汽车载重地板模块结构进行了细致开发。项目成果作为多种材料白车身结构的一部分，显示出了复合材料和有色金属在中等规模量产环境下应用的巨大潜力。

       电动汽车载重地板分前后两段，前段地板采用碳纤维增强环氧树脂基复合材料、金属嵌入物和聚氨酯泡沫芯材三明治结构制造而成，该结构即为前半段车体的地板，同时承载着电池的重量；后段地板由两种热塑性复合材料外加金属型材和嵌入物复合而成，充当了后备箱和后排客舱的地板。前后两段载重地板通过胶结和机械连接的方式合二为一，同时通过螺栓与铝合金侧梁连接在一起。这种结构充分体现了“合适的材料用于合适的部位”这一“资源-效率”理念，能够使材料消耗最小化，同时也强调了新材料和材料组合在功能一体化汽车部件减重方面的新型结构概念，适合于每天300辆的量产车生产效率。


二、 CFRP前段载重地板的集成设计

       前段地板模块重12.1kg，其中泡沫芯材850g，纤维体积含量达50%。与传统的高强钢结构相比，CFRP前段地板、底梁和集成电池支架共实现减重44%。

       设计阶段，CFRP地板部件的几何外形和铺层结构通过对整车进行模拟计算得到。为了优化用料和部件性能，通过迭代过程计算出了最优的预制件布局，从而使每个预制件都获得最佳的铺层结构。同时，研究人员充分考虑铺层结构、泡沫芯材周边的树脂流动情况、部件厚度的局部变化以及纤维含量的改变等不同条件，对树脂充模情况进行了模拟。同时，采用悬垂模拟计算获得最佳的纤维取向，通过实验结果反馈进一步优化结构模拟算法，从而尽可能精确的对部件质量进行预测。

       在材料选择方面，除了传统的无卷曲织物，该项目还选用了Voith公司的直接纤维铺放系统Voith Roving Applicator对无浸渍碳纤维粗纱进行铺放，实现了近净成形预制件的生产。另外，由于CFRP前段地板由若干次级预制件组装而成，每个预制件在铺层切割后都需要采用单向带贴片进行局部增强，而采用结构简单的单向带贴片能够使材料的利用率达到95%的水平。另外，前段地板还同时使用了快速固化树脂、薄层的泡沫芯材，以及某些用来传导载荷的金属嵌入件。

       在工艺技术方面，Audi公司开发了一种名为ultra-RTM的工艺，并将该工艺用于CFRP三明治结构部件的一体化制造过程。该工艺是对HP-RTM工艺的升级，适合大型部件的低压快速注塑成型。与HP-RTM 140 bar的注射压力相比，ultra-RTM的模内树脂注塑压力小于20 bar。因此，400kN左右的压机压力即可代替原有的2500kN的压机压力，因此，只需要一台小功率的压机即可生产出高品质、高纤维含量的部件，硬件成本显著降低。同时，腔内压力控制注塑工艺被用于在有限的压力稳定性条件下确保泡沫芯材生产工艺的可重复性。

三、 热塑性后段载重地板的创新制造

       后段载重地板由单向玻璃纤维增强热塑性复合材料预浸带、直接长纤维增强热塑性复合材料（D-LFT），外加金属型材和嵌入物组合而成，总重32.9kg。

       在材料选择方面，研究者们选择了耐温性能优异的尼龙6（PA6）作为热塑性树脂基体。综合考虑部件所需达到的强度、刚度及成本要求，选用连续玻璃纤维为增强体，制成单向玻璃纤维增强热塑性预浸带。但由于单向预浸带成本较高，且流动性差，不适合加强筋等复杂结构的生产，因此，同时选择采用具有流动性、适合金属预埋件一体化制造且成本较低的直接长纤维增强热塑性复合材料（D-LFT），在局部形成加强结构。该结构不会产生纤维桥联现象，从而能够更好地吸收碰撞能量。最终，研究者选定了含有40wt%玻璃纤维的巴斯夫Ultramid B3K PA6 D-LFT复合材料和含有60wt%玻璃纤维的8层Ultratape B3WG12 PA6预浸带。

       在工艺技术方面，由于后段载重地板的几何外形复杂，因此研究者们采用迪芬巴赫的Fiberforge 4.0自动铺带（ATL）机按照设计取向进行预浸带的铺放并完成预固化。该工艺使纤维性能利用率最大化，同时减少废料、降低重量和成本，而不造成纤维刚度和强度的损失。

       随后，预浸带堆层由迪芬巴赫Fiberforge RELAY设备转移至Fibercon，在真空条件下，采用F-ICT此前开发的热塑性预浸带快速加热及辐射诱导真空固化技术，将PA6基体加热至其熔点（~230°C）之上，从而使树脂流动、孔洞消除。随后，层压板降温至树脂结晶温度（~180°C）以下，预浸带固化为一个整体。之后，将Fibercon中尚有余温的层压板再次加热至PA6的熔点之上，并立即将其移入迪芬巴赫3600吨的Compress Plus DCP-G 3600/3200 AS压机。

       在预浸带铺放和固化的同时，近旁的D-LFT材料也在由两台迪芬巴赫的在线挤出机混合。第一台挤出机将树脂和添加剂混合，第二台挤出机将纤维切至所需长度，随后树脂、添加剂与纤维完全混合并完成称重，形成D-LFT热坯料，并送入压机。

       随后，采用该项目创新性地开发了一步法D-LFT/模压工艺，即局部高级定制LFT（Local-advanced-tailored-D-LFT），将温度较高的D-LFT坯料置于温度较低的预固化层压板压之上，闭合模具，层压板完全成型，热的D-LFT坯料在1430吨压力下模压为加强筋格栅结构。包括金属嵌入物在内的完整的后段载重地板制作完成。
       SMiLE项目除了在材料和工艺开发方面对金属与非金属材料体系进行了优化和验证外，还开发了适合多材料的连接技术、低工艺温度下的喷漆技术等。多材料复合地板部件，将“合适的材料用于合适的部位”，使每一种材料性能都发挥到极致，确实为下一代电动汽车的车身设计、材料选择和工艺开发指明了可能的方向，显示出了巨大的发展潜力，必将在未来发挥“灯塔”的引领作用。

       该项目所采用的多企业联合、全产业链联动的合作模式，能够针对产业发展亟需的关键技术问题，有效整合全产业链的优势资源，降低研发过程和成果共享的成本，最大程度地促进实验室技术的工程化放大，实现技术向生产力的快速转化。这无疑为我国汽车复合材料行业乃至整个复合材料行业的发展提供了有益的借鉴和参考。

       中国国际复材展作为行业沟通的平台和国际交流的桥梁，在复合材料业内得到了广大同仁的认可和好评，除了一如既往支持我们的国内同行，越来越多的国外企业也愿意将最新的技术和产品带来中国，并借助中国复材展的舞台更好的开拓并服务中国市场。我们也期待如德国Fraunhofer-ICT这样拥有先进技术成果的国外企业携带更多的创新技术和产品到中国复材展来展现他们的风采。 文章来源：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-7561.html

文章关键词： 弗劳恩霍夫化学技术研究所 D-LFT 单向玻璃纤维增强热塑性预浸料 局部高级定制D-LFT 碳纤维 尼龙6 汽车