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[交流] ZT【CFRP造车术】(二)通过多轴基材降低材料成本已有1人参与

【CFRP造车术】(二)通过多轴基材降低材料成本

量产性较高的RTM工艺

　　采用VaRTM工艺虽可在小批量生产时减少模具费用，但成型时间长达4个小时。作为维修部件单独购买翼豹的车顶时，价格高达35万日元。即便按成本为售价的一半来计算，成型品单位重量的成本也达到了3.5万日元/kg，与采用预浸料的方法差别不大。

　　RTM很有希望成为进一步降低成本的方法。RTM工艺需要上下模具及树脂注入机，虽然初始投资较高，但成型时间只有7～90分钟。由于能够缩短成型时间，因此可大幅降低每个部件的设备折旧费。

　　除了迈凯轮的MP4-12C及意大利兰博基尼的“AventadorLP 700-4”在驾驶室成型时采用了RTM工艺之外，年产1万辆以上的宝马“i3”也采用了该工艺。

　　下面以i3为例推算一下RTM成型品的成本。假设车辆价格为400万日元，车身价格应该低于100万日元，在此暂且假设车身成本为50万日元。该车的EV模式续航距离可达到130～160km，因此需要容量为20kWh左右的锂离子充电电池，光是电池成本就需要100万日元以上，所以能划分给车身的成本肯定不多。假设驾驶室的重量为Fe车身200kg左右的一半，也就是100kg，驾驶室成本为50万日元的话，成型品成本就是5000日元/kg。

　　该车之所以大胆采用CFRP驾驶室，是因为轻量化车身有利于减少搭载的锂离子充电电池的容量，从而削减电池部分的成本。i3在兼做电池保护架的铝合金梯形车架上，安装了CFRP驾驶室，以螺钉和粘合方式将二者固定在一起（图4）。如果车身较轻，便可相应地减少电池的容量。

图4　宝马“i3”的试制车身
在装有锂离子充电电池与悬挂的铝合金底盘上，安装了CFRP车身。

通过多轴基材降低材料成本

　　为降低材料成本，技术人员改进了从预成型坯使用的片材、纤维到原料的整个供应链。RTM成型的绝大部分部位都采用多轴基材，该材料是将纤维单向排列、用白线缝合而成的。

　　多轴基材将UD（单向）片材以相互垂直的方向层叠起来，然后将其缝合在一起，使之同时具备X轴及Y轴方向的强度。CFRP大多使用“平织”片材，但不需要编织的UD材料造价较低（图5）。

图5　德国西格里集团的多轴基材
重叠了方向互相垂直的纤维，通过缝合实现了一体化。该公司也向宝马公司供应这样的材料。

　　技术人员还改进了纤维丝的制造工艺。为宝马公司供应的碳纤维以PAN（聚丙烯）纤维为原料，该原料由三菱丽阳与德国西格里集团的合资公司制造。PAN纤维在宝马与西格里集团的合资工厂灼烧后制成碳纤维，通过预先扎成较粗的“5k”（5000根）束，实现了UD片材的低成本制造。

在RTM工艺中使用中空预成型坯

　　使用多轴基材的RTM实例是，以前就开始采用CFRP的宝马“M3”车顶成型工艺。首先，将轧辊放在预成型坯成型机上拉出纤维〔图6（a）〕。然后将纤维放在预成型坯的成型模具上〔图6（b）〕。此时，为了临时粘合层叠起来的各层片材，需要预先涂上粘合材料。接下来，关闭模具进行加热，使预成型坯凝固成车顶的形状，然后冲切掉溢出模具的部分〔图6（c）〕。再用机器人将预成型坯投入RTM成型机，注入树脂使其固化〔图6（d）〕。

图6　RTM的成型工序
（a）从轧辊上拉出碳纤维，（b）将纤维放在对预成型坯成型的模具上，（c）涂上粘合剂后关闭模具，让预成型坯凝固并切边，（d）机器人将预成型坯投入RTM成型机。

　　虽然i3的侧板是作为具有大尺寸开口部的单张板成型的，但预成型坯被分成了几个小块。制作侧板的成型品（图7）时，用装订机将成型坯的重叠部分固定在一起，将预成型坯的小块连在一起，作为大预成型坯放在模具中。而后挡泥板等则由多个部件成型后粘合而成。

图7　i3的侧板
分成小部件来制作预成型坯，用装订机固定重叠部分。采用RTM成型工艺制成一体化的侧板。

　　除了多轴基材以外，i3的CFRP部件还采用了中空形状的预成型坯，例如车窗周围就使用了像绳扣一样编织的预成型坯（图8，图上看不到）。该部分采用了利用发辫原理制造绳索或带子的编织技术。形成中空形状时，将纤维编织缠绕在用失蜡铸模制造的芯轴上，RTM成型后再将芯轴熔化掉。

图8　车窗周围使用了编织物预成型坯
图片中看不出来，车窗周围的车顶及发动机罩附近的水平部材使用了像绳扣一样的编织物。

　　该技术还被用在了宝马上一代“M6”的前后保险杠上（图9）。预成型坯的成型由西格里集团旗下的德国SGL Kumpers公司负责，编织机由德国August Herzog生产。（未完待续，记者：林达彦，《日经汽车技术》）

图9　上一代“M6”的保险杠也使用了编织物预成型坯
由SGL Kumpers负责成型。左起分别为August Herzog公司的编织机、编织物预成型坯、RTM成型品。

[ Last edited by comma on 2012-9-8 at 22:11 ]

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