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减重40%!复合材料:在汽车轻量化设计中的巨大潜力

2020-04-03 10:19:16 18

目前,越来越多的汽车生产商开始采用朗盛的Tepex连续纤维增强热塑性复合材料半成品,用于大批量生产部件的轻量化设计。

前段时间,一家国际汽车制造商将这一复合材料用于旗下一款小型汽车的车门模块框架中。德国系统供应商博泽(Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. KG)委托朗盛为车门框架制造商爱尔铃克铃尔(ElringKlinger AG)提供此种复合材料。

“这种结构部件极好地展现出朗盛复合材料在成本效益较高的轻量化设计领域的可观应用潜力。基于对材料、虚拟部件设计与制造流程模拟技术的专业知识,我们为本次开发的成功做出了重要贡献。”来自朗盛子公司Bond-Laminates的Tepex汽车集团应用技术营销与商业开发主管Henrik Plaggenborg表示。

那么这种复合材料应用于汽车的各个部位,将会带来怎么的变化呢?

框架:成本效益较高的一次性注塑成型工艺

据了解,该部件是博泽(Brose)、爱尔铃克铃尔 (ElringKlinger) 与朗盛经数年时间合力开发的成果。平均每辆车的重量较注塑成型的部件设计减轻约1.6千克。

“四个车门模块加起来,平均每辆车的重量较原有的钢结构减轻5千克左右。”Plaggenborg表示。

这一车门框架以混合注塑工艺制作而成。该工艺利用成型加工,并将Tepex直接反向注入注塑模具中。

“在爱尔铃克铃尔(ElringKlinger) 的工业化应用中,这种一次性注塑成型工艺取消了成形模具的使用,并实现了功能集成,有助于节约成本。这两大因素是提升该部件成本效益的关键。”技术营销与商业开发部项目经理Harri Dittmar表示。

复合材料模具,无人机模具,座椅模具

目前,Tepex已被批量化用于多个汽车轻量结构设计领域,例如汽车前端框架、缓冲梁、信息娱乐系统托架、保护性底板、制动踏板、电池盒、座椅底盘与靠背。“在这一车门模块框架应用中,每年高达七位数的坯料供应量再次证明,Tepex十分适用于汽车市场的大型批量化生产。”适用于汽车市场的大型批量化董事长Christian Obermann博士表示。

汽车后座系统:减重40%!

Tepex系列材料Tepex dynalite 是一款连续增强纤维、半成品的热塑性复合材料。这款材料在汽车内饰又有不一样的用途。

最近一款由欧洲汽车制造商制造的越野车后座系统,就采用了这款复合材料。

越野车后座的中央装有一个加载系统,它可让每个座椅的靠背可以单独折叠。该加载系统采用Tepex dynalite复合材料,通过成型和反向注塑(back-injection)工艺加工而成。

“这零配件标志着这一复合材料开始进入后座系统的轻量化设计,也进一步证明它拥有批量生产的巨大潜力,” Tepex汽车业务部技术市场及商业开发总监Henrik Plaggenborg说。

“这一新零部件比同类钢材部件减重40%以上。同时,这一安全相关配件能承受各种负载,因为只有2毫米厚的半成品中加入了连续增强纤维,它能够承受机械应力,”Tepex 项目经理兼应用专家Harri Dittmar解释说。

由于功能原因,负载系统仅安装在后座靠背的顶部。它所在的位置,经常要受到弯曲和扭转力的作用。为了承受这些负载压力,热塑性复合材料中的连续玻璃纤维层需要采用特殊的多轴设计。

Multiaxial Tepex是Bond-Laminates公司研发的另外一种新复合材料,它通过在复杂的加工工艺,将Tepex的纤维结构整合在一起,增强其韧性。这款负载系统的半成品主要包括四层结构,每层约0.25毫米厚,纤维的走向则根据成品的纵轴呈现+ 45度和-45度的对称分布,能够吸收扭转力。

此外,弯曲力则由两个外层吸收,每层0.5毫米厚,其中80%的连续纤维与力矩在同一方向上。“在正面碰撞的情况下,这种多轴层设计能让轻量化部件承受汽车车尾行李箱所承载的加速冲击;一旦撞击在汽车后备箱,在后方碰撞的情况下,惯性力将旅客按在座位上,”Dittmar解释道。

为了制造负载系统,半成品坯料经过加热,放入注塑模具中,用玻璃纤维增强热塑性塑料注塑成型。众多功能元素如头枕支架、安装点和螺钉连接点以及嵌入负载的纺织内罩环绕凹槽等等,不但能够提升部件的刚度,还能在注塑成型阶段实现一体成型。而在传统的钢结构设计中,这些功能部件都必须分别焊接或拧紧。

负载系统的模具还经过朗盛研发的悬垂模拟方案得到优化。悬垂模拟方案是朗盛HiAnt服务的一部分,该服务旨在为客户提供整个工程服务。各种成型技术都通过悬垂模拟系统进行可视化和评估。评估成果在模具设计初期就纳入其中,可显着缩短开发实践。

根据特定的模具技术,朗盛还衍生了半成品毛坯的设计。该毛坯在模具完全闭合之前,可在模具内部进行预成型或局部固定。“这样可以在半成品的成型过程中,防止出现褶皱以及防止连续纤维的过度拓展”。

立柱:轻型车身结构设计带来巨大潜力

朗盛曾为保时捷3D混合动力汽车设计开发轻质A柱。它被设想用于敞篷车和敞篷跑车中,并且首次在保时捷911 敞篷版中使用。

支柱中有一个由高强度钢插件。插件内部由聚酰胺6基的坯料Tepexdynalite 102-RG600(6)/ 47%制成,而肋结构由Durethan AKV30H2.0制成。Durethan AKV30H2.0的成分包括聚酰胺66和短玻璃纤维。

该结构通过摩擦力与L&L Products开发的L-5235结构泡沫粘合在一起。混合插件的强度确保了A柱性能与以往高强度钢管一样能够承受侧翻,而且它使重量减轻了5千克。减轻车辆轿厢的重量降低了车辆的重心,从而改善了车辆的动态性能。

“混合A柱出色的机械性能表明,基于钢板,Tepex坯料,Durethan的聚酰胺6或聚酰胺66变体作为回注材料还有结构泡沫(例如L-5235)的混合插件也给轻型车身结构设计带来巨大潜力。朗盛高性能材料(HPM)业务部门Tepex Automotive主管Henrik Plaggenborg解释说,这种材料尤其适用于电动汽车,它们的重型电池使它们具有很高的冲击质量。减轻的重量也扩大了可以使用该技术的电动汽车的范围。混合动力复合材料元件应用的潜力还包括加强横梁,纵梁,B柱,C柱,电池承重部件或车门中对安全至关重要部分。

复合材料模具,无人机模具,座椅模具

减轻车顶和车身的重量

由于日益严格的排气法规以及电动汽车的兴起,轻量化设计变得越来越重要。Tepex还为减轻车身重量开辟了巨大的潜力。以保时捷为敞篷车和跑车等开发的A柱和3D混合动力设计为例,它包括由高强度钢制成的插入件,Tepex的支撑型材和成型型材,由聚酰胺66 Durethan制成的带肋结构以及结构泡沫。Plaggenborg说:“由于采用了混合动力插入件,因此A柱在发生翻车时也能像以前高强度钢管设计一样具有稳定性,但重量却减轻了约5公斤。”

头枕减轻30%

作为德国联邦经济和能源部资助的项目的一部分,朗盛与合作伙伴开发的儿童座椅头枕也曾在展会上展出。它是通过颗粒泡沫复合注射成型(PCIM)工艺生产的,并包含由Tepex制造的嵌件。“与商业生产的组件变体相比,头枕的重量降低了30%,但不影响其出色的碰撞性能。由于零件数量从六个减少到一个,因此生产过程也得到了简化。”Plaggenborg解释说。

目前,Bond-Laminates正在不断扩展其材料组合,包括可持续的纤维增强复合材料。据了解,Tepex变体由消费后废物制成的回收聚碳酸酯材料生产而成。它满足了以前材料配方中的所有的要求。

Bond-Laminates市场与销售消费电子产品,体育和工业部门负责人Dirk Bonefeld博士解释说:“我们还在努力使用生物基纤维和基质系统以及再生碳纤维。”

“由于层压板的结构,即使不使用阻燃添加剂,Tepex仍具有非常好的阻燃性能。并且它通过了许多可燃性测试,并取得了良好的效果。” Bonefeld解释说。

不仅如此,该系列还包含基于聚酰胺和聚碳酸酯的阻燃产品变体,这些变体可以满足例如美国标准UL 94(Underwriters Laboratories Inc.)的可燃性测试的要求,最高分类为低壁厚V-0。


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