骨架设计使复合材料自动结构更具竞争力

随着制造商寻求降低复合组件的成本，设计人员努力尽可能高效地使用构成材料，同时实现自动化生产和多种功能的集成。对于汽车应用，循环时间短至 1-2 分钟的需求加剧了这一挑战。

包覆成型——在连续纤维预制件顶部注塑成型热塑性复合材料——多年来一直被视为一种可能的解决方案。例如，CAMIMSA 项目在 2014 年展示了一种包覆成型的复合材料座椅靠背（请参阅“CAMIMSA 的汽车座椅靠背：用于高容量的混合复合材料”） 。 “但这种方法已被提升到一个新的水平，现在实现了热塑性复合材料 BIW [白车身] 结构的全自动生产，”SGL Carbon（德国威斯巴登）轻量化和应用中心负责人 Christoph Ebel 博士解释说（LAC，迈廷根，德国）。

这一进步要归功于已经开发了多年的“骨架”设计方法。首先 2015 年在 MAI Skelett 项目中展示，该过程涉及使用单向 (UD) 碳纤维热塑性 在 75 秒的两步过程中进行热成型和包覆成型的拉挤成型，以生产超出所有先前版本要求的结构屋顶构件。它还集成了用于附件的夹子，并将碰撞行为从脆性破坏模式更改为韧性破坏模式，以增加 BIW 残余强度（请参阅“有关 MAI 骨架设计过程的更多详细信息”）。

MAI Skelett 演示器

为期 17 个月的 MAI Skelett 项目得到了德国联邦教育和研究部 (BMBF) 的支持，并由碳复合材料 e.V. 的区域部门 MAI Carbon 完成。 （奥格斯堡）网络。在宝马（德国慕尼黑）的带领下，该项目的重点是实现一个特定的演示器：挡风玻璃框架，位于玻璃挡风玻璃上方的两个 A 柱之间。它的设计基于当前的 BMW i3 结构，包括所有功能和空间要求。挡风玻璃框架不仅作为车顶的横向结构件，还提供其他功能：刚性，降低噪音、振动和声振粗糙度 (NVH)；强度（车顶压力测试）以帮助满足碰撞要求；内部组件的固定装置（例如，遮阳板、内饰、照明线束等），以及与挡风玻璃、天窗和外部车顶板连接的支架。

骨架设计的挡风玻璃框架包括位于零件角部的四个 UD 纤维增强拉挤钢筋，封装在一个包覆成型的框架中，以提供抗扭刚度和形状复杂的功能附件。拉挤型材并不都在一个平面上，而是以不同的高度排列：两个在60毫米高的部分底部附近，两个在顶部附近。

拉挤成型作为 TP 工具箱的一部分

对于 MAI Skelett 挡风玻璃框架，设计最终确定了 10 x 10 平方毫米的横截面。目标是使用更便宜的重丝碳纤维。然而，所选的 50K 丝束纤维紧密堆积无数细丝，这使得树脂浸渍更加困难 . “总的来说，可以通过优化纤维引导和铺展来克服这一挑战，以达到最佳浸渍和大约 50% 的高纤维体积含量，”SGL 热塑性塑料产品经理 Veronika Bühler 说。 SGL 掌握了这项技术，现在提供拉挤成型作为其热塑性工具箱的一部分。 “由于我们的热塑性胶带也是基于拉挤成型的，我们已经对半成品有了广泛的了解。因此，我们能够快速调整我们目前使用的拉挤技术来创建我们自己的型材。”该过程包括对纤维体积、孔隙率和尺寸精度的质量测试。 “由于自动化和机器人处理，后者非常重要，”她继续说道。 “例如，由于拉挤型材中的残余应力，可能没有曲率。”

除了拉挤成型增强材料，MAI Skelett 还研究了热塑性树脂。对各种类型的聚酰胺 6（PA6 或尼龙 6）进行了测试，以确定优化拉挤成型质量和速度所需的粘度和流变性。 SGL 通过其热塑性工具箱为该项目提供了一系列材料，其中包括 UD 胶带、有机片材、短纤维和长纤维增强复合材料的短切纤维，以及现在的 UD 增强拉挤材料，所有材料均基于 SIGRAFIL 50K 碳纤维，其尺寸适用于聚丙烯 (PP) 和聚酰胺基质，包括 PA6 或原位 PA6。 “为了实现复合结构的最佳性能，必须协调纤维、上浆和基质，”Bühler 说。

她还解释了原位 PA6：“这是当您将己内酰胺单体或单一单体与催化剂和活化剂反应，然后在复合材料部件的成型过程中聚合 [形成长聚合物链] 时。”换句话说，己内酰胺在原位聚合 变成聚酰胺。布勒指出，作为聚合物组的聚酰胺包括 PA66 和 PA12，以及某些类型的 PPA 作为额外的基质选择。

挡风玻璃框架制造的另一个重要方面是热塑性半成品在成型过程中和成型后进行热成型的能力。这使得形状的进一步功能化以及包覆成型期间的熔合成为可能。两者都是 MAI 骨架演示器设计中的重要因素。

热成型和二次成型

MAI Skelett 挡风玻璃框架的生产始于碳纤维/PA6 拉挤型材。然后必须修改这些以适应组件的形状以及不同点的负载引入。选择热成型来做到这一点，主要关注的是碳纤维的高强度和刚度只能通过尽可能保持笔直来实现。这是在拉挤钢筋沿基体流动方向拉伸，然后在钢筋末端压平和弯曲时实现的（图 1）。

该过程的第二步是将热成型的拉挤型材置于红外线加热器下，使其在不到 50 秒的时间内升温，然后使用专门为此开发的自动化处理系统将其转移到注塑模具中。项目中的所有零件都是在现有的注塑机上生产的。然后将纤维增强化合物包覆成型到型材上和周围。在二次成型过程中，模具和工艺都需要精度，以便将四个热成型的拉挤棒固定到位。

两步过程的总循环时间 （预制拉挤成型的热成型和包覆成型）大约为 75 秒。 “因为热塑性基体在二次成型之前重新熔化，所以它允许在非常短的周期时间内将预制和热成型的棒材成型并粘合到成品部件中，”Ebel 解释说。 “一般来说，热塑性塑料的可熔性还可以与金属部件连接，”Bühler 补充道，并指出热塑性塑料热成型和注塑成型工艺具有出色的再现性和工艺控制，这是大批量生产的关键因素。

延性失效

PPA 和 PA6 型材与使用玻璃和碳纤维的兼容模塑料 被评估以探索组件的更具延展性的破坏模式。尽管更具延展性的破坏模式减少了挡风玻璃框架可以传递的载荷量，但它从整体上改善了 BIW 的结构完整性。

分析方法包括实体建模、钢筋建模（几何建模，其中拉挤成型作为钢筋加强包覆成型）和使用壳单元建模，以及这些的各种组合。软件包括有限元求解器 ABAQUS（Dassault Systèmes，Paris，France）和由 Sandia National Laboratories（Albuquerque，N.M.，美国）开发的 Dakota 参数求解器。 OptiStruct (Altair Engineering, Troy, Mich, U.S.) 用于拓扑优化。

尽管宝马在其最终项目报告中没有指定首选材料组合，但它确实得出结论，最终模拟和测试结果表明骨架组件 超出了当前碳纤维增强塑料 (CFRP) 部件的所有要求，但扭转刚度被确定不是挡风玻璃框架的关键设计驱动因素。与当前的 CFRP 部件相比，骨架设计在碰撞载荷情况下超过了载荷水平和能量吸收。它还成功地实现了更具延展性的破坏模式，这不仅进一步提高了复合材料结构的碰撞性能，而且还促进了对碰撞性能及其与 BIW 结构整体关系的理解。

未来的骨架设计应用

在 MAI Skelett 的最终报告中，宝马指出，它已经确定了其他六种车辆部件，这些部件可以从使用骨架设计方法显着降低的制造、材料和工具成本中受益。 SGL Carbon 建议在汽车和航空航天座椅结构、仪表板、机械臂、X 射线工作台等方面应用。

然而，骨架设计方法得到了进一步发展，扩展到多轴 强调了后续项目 MAI Multiskelett（2015 年 9 月至 2017 年 6 月进行）中的组件。它研究了轴承部件和拉挤型材相交的区域，以及高载荷引入区域，特别是几个主要载荷路径交叉的大型结构部件。与之前的 Skelett 项目一样，对组件设计和具有成本效益的批量生产线进行了调查。

骨架设计如何进一步优化现有复合材料部件的一个例子是由 SGL 和汽车技术专家 Bertrandt（德国埃宁根）于 2017 年开发的电动汽车 Carbon Carrier 前内饰（图 2）。集成所有主要功能和装饰部件与传统仪表板相比，Carbon Carrier 基于热成型的有机板作为承重“骨架”以增加刚度。 “在未来，这部分可能会被具有包覆成型的热塑性型材的设计所取代，”Ebel 说。 “这将省略有机片材的切割、叠层和修剪操作。此外，横梁将过时，因为我们会将其集成为拉挤型材并对其进行包覆成型以实现仪表板设计。这种包覆成型的部件还将提供更多的空间和灵活性，以容纳所需的连接元件以及用于连接这些元件或电缆等的螺钉和夹子。”

Ebel 承认这将是一个巨大的设计变更，“但它降低了成本并使整个组件更高效。”他指出，可以设计出一种几乎不浪费的工艺，因为型材可以根据需要精确切割成所需的长度，并且在这些步骤中或在二次成型之前的热成型中不会损失碳纤维增强材料。布勒指出，座椅也是骨架设计的主要候选者。 “在复合材料中，它们通常由织物或胶带制成，并且仍然是片状结构。但是我们可以通过在底部集成轮廓并增加刚度来减少平面区域的厚度。”她指出，拉挤型材并不是唯一可以围绕其建造的高效 UD 产品。 “它也可以是胶带，它很容易适应每个零件的负载路径。”

“我们在轻量级和应用中心参观了很多公司，”Ebel 说。 “骨架设计作为一个额外的创新概念激发了很多兴趣，我们的参观者认为这是非常有前途的。”他解释说，该中心已经建立了自己的设计能力，可以帮助企业整合骨架概念等创新理念，为未来材料高效的组件开辟新的设计空间。

“我们可以在很多应用中使用类似于挡风玻璃框架的设计，”Bühler 说。 “从准各向同性铺层发展对行业来说很重要，因为碳纤维的大部分强度和刚度都摆在桌面上。相反，我们必须开发更有效的材料形式，将每种材料只放在需要的地方。这就是行业未来所需要的。”