混合热塑性塑料赋予负载地板冲击强度

德国系统集成电动汽车多材料轻量化设计 (SMiLE) 联盟的一项雄心勃勃的多年计划开发了一个演示汽车负载地板模块，该模块是更大的混合白车身 (BIW) 结构的一部分，并显示在中等批量生产环境中使用复合材料和有色金属的前景广阔。这种纯电动汽车 (BEV) 的后载货底板由两种热塑性复合材料、金属型材和嵌件组成。它用作行李箱和后乘客舱的地板。反过来，它通过粘合剂和机械连接到第二个混合/热固性复合承载地板，该地板是由碳纤维增强环氧树脂树脂传递模塑 (RTM'd) 与金属插件和包含聚氨酯泡沫芯的局部夹层结构。这种结构是车辆前半部的地板，用于存放电池。完整的载重地板模块被粘合并用螺钉固定在铝制摇臂/侧梁上，这些摇杆/侧梁本身用螺栓固定在车辆铝制硬壳式车身的横梁上。整个负载地板模块演示器旨在减轻质量并为每天生产 300 辆汽车的批量生产车辆提供显着的碰撞能量吸收。

设计决策

在后行李箱地板上工作的联盟成员包括汽车制造商奥迪股份公司（德国英戈尔施塔特——也是整个 SMiLE 计划的领导者）和奥迪所有者大众汽车股份公司（德国沃尔夫斯堡）；卡尔斯鲁厄理工学院车辆系统技术研究所 (KIT-FAST, 德国卡尔斯鲁厄）；弗劳恩霍夫化学技术研究所（F-ICT，Pfitztal，德国，前后负载地板项目的领导者）和弗劳恩霍夫材料力学研究所（F-IWM，德国弗莱堡）；热塑性复合材料供应商 BASF SE（德国路德维希港）；机械 OEM Dieffenbacher GmbH Maschinen- und Anlagenbau（德国埃平根）和工具制造商/模具制造商 Frimo Group GmbH（德国乐天）。

他决定使用带有金属嵌件的热塑性复合材料生产后载重地板。该团队想要添加行李箱功能和第二排安全带连接结构，但他们也想使用负载地板来吸收大量的碰撞能量。通常，汽车制造商主要依靠金属负载地板侧面的金属型材来管理乘用车的后碰撞能量。然而，考虑到热塑性复合材料的冲击强度，研究人员想知道是否可以使用复合材料承载地板的整个宽度和长度来管理碰撞载荷。他们还想知道是否可以吸收更高的碰撞能量。

研究人员回顾了常见的汽车热塑性复合材料。考虑了聚丙烯 (PP) 和聚酰胺 6 (PA6) 基体，但由于温度原因，PP 被淘汰，因为后部负载地板与 BIW 一起通过高温电泳涂层（e-coat）防锈工艺。需要连续纤维增强来实现最高的刚度和强度，因此前期工作集中在织物增强有机片（一种玻璃毡热塑性 (GMT) 复合材料）和单向 (UD) 热塑性预浸带上。出于多种原因，磁带被选中用于进一步的原型制作。

研究人员知道后载地板的几何形状会很复杂。使用自动铺带 (ATL) 机器——将 UD 带放置在任何方向，并用比有机片更少的材料制作窗口/孔——将减少废料、质量和成本，并允许最有效地在本地和全球范围内使用纤维部分。此外，由于通过 ATL 放置的纤维在叠层的每一层中都平放并平行，并且不像织物那样编织，因此不会出现波动以及随之而来的刚度和强度损失。

然而，UD 胶带确实有局限性：它们相对昂贵，悬垂性差，几乎不流动，难以填充复杂的几何形状。这些问题通过选择性地使用不连续/短切直接长纤维热塑性 (D-LFT) 复合材料来克服吸收大量的碰撞能量。使用 D-LFT，插入金属附件也更容易，特别是如果插入件是预先钻孔的，那么孔允许复合材料流过金属并围绕金属流动，通过机械互锁形成牢固的结合。此外，D-LFT 比胶带或有机片材成本更低，而且更容易在厚截面中成型。 D-LFT 在压机侧进行复合，简化了材料库存管理，并为开发程序提供了高度的灵活性，以在制造和评估零件时快速改变材料特征——纤维长度和类型、纤维体积分数 (FVF) 和基体。在生产过程中，材料/工艺设置是可控的，以实现高水平的重复性和再现性 (R&R)，这就是汽车业近二十年来一直使用该工艺进行中到大批量生产的原因。

由于研究人员希望保持后承重地板薄而轻，并且能够在吸收高冲击载荷的同时抵抗屈曲，他们通过使用玻璃纤维和碳纤维增强胶带以及不同纤维的 D-LFT 的小部件测试进行了模拟和初步开发- 重量分数 (FWF) 来评估机械性能与填充行为。尽管碳复合材料比玻璃制造出更薄、更轻、更硬的结构，但由于成本也是一个问题，而且前载地板已经使用了碳纤维增强材料，研究人员在放大到全尺寸零件的过程中选择了玻璃来增强后载地板。使用了含有 40-wt% 玻璃纤维的 Ultramid B3K PA6 D-LFT 和含有 60-wt% 玻璃纤维的八层 Ultratape B3WG12 PA6，均来自巴斯夫。

经过大量模拟工作，1.3×1.3m 后载地板的最终设计包括一个薄壳、近净形结构，由 UD 胶带制成，预加固成与较厚的 D-LFT 挤压区交织的层压板（见图 2）。大波纹，也由 UD 胶带制成， 带有深槽（高 50 毫米，宽 115 毫米）的部件沿着部件的纵轴成型，以在低质量和低厚度的情况下获得高刚度。此外，在胶带铺设过程中形成了两个窗口，以允许 D-LFT 穿透层压板到达需要的地方。由于在大型层压板中难以形成深波纹，因此有必要修改成型工艺和工具以生产优质零件（参见“汽车地板模块研究如何推动新 D-LFT/压缩成型子工艺的开发”）。这些波纹与两个 D-LFT 电荷相结合，在 X 形晶格结构中形成复杂的肋骨，为该区域产生高惯性矩，在薄而轻的设计中增加零件刚度，同时避免在碰撞中屈曲。零件后部的 D-LFT 晶格形成了一个挤压区，以吸收后方碰撞中的能量。铝型材在承载地板的轴向侧一体成型，并通过特殊的表面处理以及提供互锁的孔与 D-LFT 和层压板粘合。这些型材经过精心设计，以进一步提高零件刚度，提供良好的屈曲行为，并将力在碰撞过程中传递到 D-LFT 挤压区。它们还提供连接点，用于将后负载地板直接安装到周围的金属结构上。额外的金属嵌件，也一体成型到结构中，为安全带锁提供直接安装。

成功实施

模拟工作以及小型和大型部件测试证实整个混合后负载地板可用于管理碰撞负载。进一步评估表明，该技术应与传统金属结构一样安全。

一个更大的项目目标 — 将 BIW 的总质量减少到 200 公斤 — 理论上在模拟和小零件开发过程中会遇到。然而，随着项目的发展，需要更好的碰撞性能，这需要增加复合结构的质量。此外，出于成本考虑，后部负载地板从碳纤维转向玻璃纤维增​​强材料。由此产生的带有插件的后载地板重 32.9 公斤，而前载地板（带有插件但没有电池）重 12.1 公斤。对于最终测试零件，质量目标仅错失了 4.3%，以实现更高的安全性和更低的成本。由于在前负荷地板中大量使用碳纤维增强材料，SMiLE BIW 也将比传统的金属系统成本更高。

后载地板项目导致 F-ICT 开发了一种称为本地高级定制 LFT 的 D-LFT/压缩子流程 ，它选择性地将 D-LFT 材料应用于大部分 UD 胶带结构，以产生无法用胶带制成的局部复杂几何形状（如肋条）。在 SMiLE 之前开发但用于该项目的另一种 F-ICT 技术是一种通过辐射诱导真空固结快速加热和固结热塑性胶带的方法， 现在 Dieffenbacher 可在名为 Fibercon 的机器上获得一项技术。

值得注意的是，Frimo 生产的实验过程和高度复杂的工具从一开始就奏效，并生产了 100 多个演示器部件用于后续测试和演示。尽管该团队将成型过程设计为一步完成，但 Dr.-Ing。 Sebastian Baumgärtner 是 F-ICT 热塑性塑料加工团队负责人兼后载地板项目负责人，他认为在生产环境中，分两步形成这个复杂的部件会更有效，层压板预成型在单独的工具中完成。 “我们选择先尝试更难的一步法，而且效果很好，”鲍姆加特纳解释说。 “然而，该工具非常复杂，过程控制也不是那么容易。如果层压板在某些地方变得太热，它会与 LFT 股线产生非常强的相互作用。为了确保生产过程中良好的可重复性，最好将事情简化并选择两步法，这样会更加稳健。”尽管如此，考虑到这种复合材料部件的尺寸很大，而且形成它所用的过程很复杂，团队对最终结果非常满意。 “我们证明，我们可以使用商业技术生产出重量和性能得到优化且具有高度功能集成的创新且经济的部件，”他补充道。

全承重地板荣获2018年CCE-JEC创新奖 在中国和德国政府承认更大的 SMiLE 计划是一个灯塔项目，这意味着该技术对于未来的移动设计非常重要。团队正在讨论后续步骤。