骨架设计实现更具竞争力的复合材料汽车结构

随着制造商们寻求降低复合材料部件的成本，设计师们一直在努力地尽可能高效地使用组合材料，同时实现自动化的生产和多种功能的集成。在汽车应用中，对短至1～2min循环时间的要求，令这一挑战更加严峻。

多年来，二次成型，即在连续纤维预成型件上注塑成型热塑性复合材料的一些特征，作为一种可行的解决方案而一直受到追捧，比如，CAMISMA项目于2014年展示的一种二次成型的复合材料座椅靠背。

“现在，这种方法已被引入到一个新的高度上，实现了热塑性复合材料白车身结构的全自动化生产。”西格里碳纤维（SGL Carbon）轻量化及应用中心的负责人 Christoph Ebel博士解释道。

这一进步要归功于一种已发展多年的“骨架”设计方法。

正如MAI Skelett项目于2015年首次展示的那样，这项技术涉及在一个循环时间75s的两步法工艺中，对拉挤成型的单向（UD）碳纤维热塑性塑料进行热成型和二次成型，以生产一种超越了以前所有版本要求的结构车顶梁。它还集成了附件夹，并为提高白车身的残余强度而改变了碰撞行为，即从脆性破坏模式变为韧性破坏模式。

采用骨架设计的挡风玻璃框架

为期17个月的MAI Skelett项目得到了德国联邦教育与研究部的支持，它由德国Carbon Composites e.V.网络的区域分部——MAI Carbon公司完成。

该项目的重点是生产一种特殊的示范件，即位于挡风玻璃上方两个A柱之间的挡风玻璃框架。

包括所有的功能和空间要求在内，其设计是基于当前的宝马i3结构。

该挡风玻璃框架不仅可用作车顶的横向结构构件，还提供其他功能，包括：

• 刚性——这还降低了噪声、振动和不平顺性（NVH）

• 强度（车顶压力试验）——帮助满足碰撞要求

• 遮阳板、内饰和照明线束等内部部件的固定体

• 与挡风玻璃、天窗和外部车顶板连接的支架

这种骨架设计的挡风玻璃框架，其4个角落拥有单向纤维增强的拉挤棒，它们被包覆在二次成型的框架之中，以提供扭转刚度和复杂形状的功能附件。

这种拉挤的型材不是全都位于同一个平面上，而是被安排在不同的高度上：两个靠近这一60mm高的部件的底部，还有两个靠近顶部。

拉挤作为热塑性工具箱的一部分

对于MAI Skelett挡风玻璃框架而言，最终设计完成了一个100mm2的横截面，目标是采用较便宜的重丝束碳纤维。

然而，所选择的50K 丝束纤维拥有紧密结合的大量细丝，这使得树脂浸渍更加困难。

“通常，这一挑战可以通过优化的纤维制导（optimized fiber guidance）以及铺展以达到最佳浸渍和50%的高纤维体积含量而得以克服。”西格里热塑性塑料产品经理Veronika Bühler解释道。

目前，西格里已掌握了这项技术，并提供拉挤成型以作为其热塑性工具箱中的一部分。

“凭借我们的热塑性带材（也是基于拉挤成型），我们对半成品有了广泛的了解，所以我们能够快速适应我们当前使用的拉挤技术来创建我们自己的型材。这一过程包括对纤维量、孔隙率和尺寸精度的质量检验。基于自动化和机器人操作，使得尺寸精度非常重要。”她继续说道，“比如，由于拉挤型材中的残余应力，所以不能有弯曲。”

除了拉挤的增强材料外，热塑性树脂也在MAI Skelett项目中得到了研究。

各种类型的聚酰胺6（PA6）得到了测试，以为实现最佳的拉挤质量和拉挤速度而确定所需要的黏度和流变性。

通过其热塑性工具箱（包括UD带、有机板材、用于短纤维和长纤维增强配混料的短切纤维，以及现在由单向纤维增强的拉挤型材），西格里为此项目提供了一系列的材料，所有这些材料都是基于适合聚丙烯和聚酰胺（包括PA6或原位PA6）基体浸润的SIGRAFIL 50K碳纤维。

“为了获得最佳性能的复合材料结构，必须使纤维、浸润剂和基体材料彼此协调。”Bühler表示。

她还对原位PA6作了解释：“这是在复合材料部件的成型过程中，当反应己内酰胺单体或反应含有催化剂和活化剂的单体时，聚合形成的长聚合物链。”换句话说，就是己内酰胺原位聚合成聚酰胺。

Bühler表示，作为一种聚合物群体，聚酰胺包括PA66和PA12，以及可作为额外基体材料选项的某些类型的PPA。

制造这种挡风玻璃框架的另一个重要方面是这种热塑性半成品在成型期间以及成型后的热成型能力，以进一步对形状进行功能化以及确保二次成型过程中的熔融胶合，这是MAI Skelett示范部件设计中的两个重要因素。

热成型和二次成型

生产MAI Skelett挡风玻璃框架从拉挤碳纤维/PA6的型材开始。之后，这些型材必须得到修正，以适应部件的形状以及在不同的点引入载荷。

为此而选择了热成型，主要考虑的是，只有尽可能地保持直线，才能实现碳纤维的高强度和高刚性。这需要沿基体材料流动的方向来拉伸拉挤棒，然后对棒的末端进行压扁和弯曲。

热成型的末端：在MAI Skelett挡风玻璃框架中的拉挤棒的末端得到了热成型，以满足部件形状和载荷引入的要求（图片来自宝马集团的MAI Skelett最终报告）

热成型的末端：为热成型拉挤棒的末端，对3种不同的形状进行了试验，结果，沿基体材料的流动方向对拉挤棒进行拉伸，确保了最佳的纤维排列，从而可以满足负载要求（图片来自宝马集团的MAI Skelett最终报告）

第二步是将热成型的拉挤型材放到红外加热器下，用不到50s的时间加热它们，然后利用专为此而开发的一个自动化操作系统将其转入注塑模具中。

该项目中的所有部件，均在现有的注塑机上生产。然后，纤维增强的配混料被二次成型到型材的上面和周围。

为了将4个热成型的拉挤棒固定到位，在二次成型的过程中，对模具和加工都有精度要求。

该两步法工艺（热成型和预制拉挤型材的二次成型）的总循环时间大约是75s。

“由于在二次成型前重新加热了热塑性基体材料，因而允许在极短的循环时间内，将预制的热成型棒材成型并粘接到最终部件上。”Ebel解释说。

“通常，热塑性塑料的熔融性还可以实现与均匀的金属部件的连接。”Bühler补充道,并指出，热塑性塑料的热成型和注塑成型工艺提供了出色的再现性和过程控制，这是实现大批量生产的关键因素。

韧性失效

拉挤的骨架：拉挤的型材被用作下一代挡风玻璃框架的二次成型纤维增强PA6“肌肉”的承载骨架，该挡风玻璃框架比目前的宝马i3结构更出色（图片来自西格里碳纤维）

为探索对部件更具韧性的失效形式，PPA和PA6的型材以及与之兼容的、采用玻璃纤维和碳纤维的模塑配混料均得到了评估。

尽管更具韧性的破坏形式减少了挡风玻璃框架可以转移的负载量，却提高了整个白车身的结构完整性。

采用的分析方法包括实体建模、钢筋建模（几何建模，在此，拉挤型材作为二次成型的加强钢筋）和采用壳体元素的建模，以及所有这些建模的各种组合。

有限元求解器ABAQUS（Dassault Systèmes，法国巴黎）、由Sandia国家实验室（美国新墨西哥州Albuquerque）开发的Dakota参数求解器以及OptiStruct （Altair Engineering，美国密歇根州特洛伊）等软件均被用于拓扑优化。

虽然宝马在其最终项目报告中未指定首选的材料组合，但的确给出了结论：

• 最终的模拟和测试结果表明，除扭转刚度（它被确定为不是挡风玻璃框架设计的关键驱动因素）外，这种骨架组件超越了对目前碳纤维增强塑料（CFRP）部件的所有要求。

• 在碰撞载荷情况下，这种骨架设计的负载水平和能量吸收超过了当前的CFRP 部件，它还成功地实现了一种更具韧性的破坏模式，这不仅进一步提高了复合材料结构的碰撞性能，而且还对碰撞性能及其与整个白车身结构的关系有了更深入的理解。

未来的骨架设计应用

在MAI Skelett最终报告中，宝马指出，其还发现了其他6个汽车部件可以从使用这种骨架设计方法而提供的生产、材料和模具成本的显著降低中获益。

西格里碳纤维（SGL Carbon）建议，将其应用在汽车和航空座椅结构、仪表板、机器人手臂、X射线工作台及其他方面。

然而，这种骨架设计方法得到了进一步的发展，在后续的MAI Multiskelett项目（执行期是2015年9月至2017年6月）中，它被扩展应用到了多轴应力部件上。

该项目研究了轴承部件与拉挤型材交接的应用区域，同时还研究了高负载引入的应用区域，特别是大型结构部件上几个主要载荷路径的交汇处。就像在上一个Skelett项目中一样，该项目研究了部件设计以及具有成本效益的批量化生产线。

骨架设计如何能够进一步地优化现有的复合材料部件的一个例子是，用于一款电动汽车内饰的碳纤维前端载体，它由西格里与汽车技术专家Bertrandt（德国Ehningen）于2017年开发。

碳纤维载体：采用骨架设计方法，这一用于一款电动汽车仪表板的替代设计将用拉挤型材取代热成型的有机板材，用作二次成型的主承载构件，以实现功能附件和仪表板设计，提高效率并降低成本（图片来自西格里碳纤维）

集成传统仪表板的所有主要功能和装饰部件，这种碳纤维载体是基于一种热成型的有机板材作为承载骨架来增加刚性。

“未来，这个部件可以被采用二次成型的热塑性型材设计所取代。”Ebel表示，“这可以省去对有机板材的切割、铺层和修边操作。而且，横梁将不再需要，因为我们可以将它集成为拉挤的型材并二次成型它们来实现仪表板设计。这种二次成型的部件还将为适应所有的附加元件以及用于连接这些元件或电缆的螺钉和夹子而提供更多的空间和更大的灵活性。”

Ebel承认，这将是一个巨大的设计变化，但却降低了成本并使整个组件更高效。他指出，设计一个几乎没有浪费的工艺是可行的，因为可以精确地将型材切割成所需要的长度，而且在这些步骤中或者在二次成型之前的热成型中没有碳纤维增强材料的损失。

Bühler指出，座椅也是这种骨架设计的主要候选者。

“复合材料通常是由织物或带材制成的板状结构，但我们可以通过在底部集成型材并增加刚性来减小平面区域的厚度。”她指出，拉挤的型材不是唯一能够在周围建立的有效的UD产品，它也可以是很容易适应每个部件负载路径的带材。

Ebel说，“作为一个额外的创新概念，这种骨架设计已激发了参观轻量化及应用中心的很多公司的兴趣，我们的客户认为它是有前途的。”他解释说，该轻量化及应用中心已具备了设计能力，能够帮助公司整合其创新理念，如为未来节省材料的部件开辟新的设计空间而提供骨架概念。

“有许多应用可以采用类似挡风玻璃框架的设计。”Bühler说，“这对于行业从准各向同性铺层（这使碳纤维的强度和刚性大多数留在了台面上）开始向前推进是重要的。相反，我们必须研究更有效的材料形式，只将每种材料用在需要的地方，这才是行业未来的需求。”