车用碳纤维部件的成型工艺简析

  在全球节能和环保趋势的推动下,汽车的油耗问题越来越引起重视轻量化设计,成为汽车节能减排的有效途径,而碳纤维复合材料的材料性能及发展趋势正顺应了汽车工业的发展需求。碳纤维复合材料比钢铁轻50%比铝材轻30%减重效果明显,因此不少汽车厂家在汽车制造和改装过程中为追求极致轻量化开始尝试大量应用碳纤维复合材料。随着新能源汽车的发展碳纤维复合材料在汽车上将得到越来越广泛的应用,本文针对汽车中常用的两种碳纤维成型方式做个简单分析。

  1.高压RTM成型工艺

高压RTM(high pressure rtm,HP-RTM)是通过增大注射压力提升注射速度的有效方法。采用该工艺注射压力能够达到几千兆帕,保证了较高的合模速度和压制速度,大大缩短部件成型时间,提高了工艺效能。同时,增大压力能够促使树脂快速充满模腔,提高纤维树脂浸润度,减少树脂注射次数,促进空气排出,降低成品孔隙率,从而实现卓越的表面性能。

同时选择注入低黏度树脂体系或低黏度反应性混合物料体系,注射速度能够进一步提高; 通过高压计量技术对反应物料进行精确计量,也能够缩短注射时间。另外,由于CFRP制品结构和性能可设计性强,当HP-RTM应用于大型复杂结构部件的制造时优势更加明显,不仅可以在5min以内实现部件的一体化成型,而且能够大幅减少零部件和紧固件数量,简化连接和装配,极大减少了生产过程的能源消耗,降低了生产成本。

宝马i3车身的CFRP部件大量采用HP-RTM技术生产,宝马的菜比锡工厂和兰茨胡特工厂为每台3000t液压机配备2台HP- RTM注射单元,当自动化生产线将碳纤维预制件准确放入钢模并闭模后,HP-RTM单元可以借助高压向模具中注入树脂,并在5min内完成环氧树脂的固化。HP-RTM技术的使用使宝马i3的CFRP零部件数量比传统的金属零部件数量减少了2/3,仅约为150个。

  2.PCM成型工艺

  模压成型是将冲压后的CFRP半成品预先放入模具,然后加热加压使其成型固化的成型方式。近年来,预浸料因具有精确的纤维、树脂配比而被越来越广泛的应用。而PCM成型工艺作为一种理想的CFRP罐外热压工艺,不仅能够大幅缩短成型周期、提高生产效率,具有制品尺寸精度高、表面光洁度好、生产成本相对较低、容易实现复杂结构件的一次成型等特点,同时,由于制品内纤维取向性好,因此制品的强度、刚度相对较高,已成为车用CFRP的重要成型工艺。

  碳纤维增强复合材料应用于汽车领域,是实现汽车轻量化的有效途径之一,虽然目前许多问题有待解决,但随着碳纤维价格的下降、复合材料成型设备和工艺技术的不断进步,碳纤维复合材料在汽车中的应用前景将更加广阔。