一体式、一次固化、灌注碳纤维车轮已准备就绪
一件式，一次治愈。 ESE 的 E2 系列复合材料轮毂使用定制纤维铺放 (TFP) 和专有的压缩树脂传递成型 (RTM) 式工艺来生产一体式全碳纤维轮毂。来源 | ESE碳素有限公司
碳纤维车轮通过减少转动惯量和车辆车轮、悬架和其他不受悬架支撑的直接连接部件的组合质量（称为簧下质量），提供了一系列好处。这种转动惯量和簧下质量的降低（可高达 50%）通常会导致更快的加速和更少的努力，缩短制动距离，由于更好地与道路接触（机械抓地力）而提高了操控性，并降低了道路噪音。
但是碳纤维轮毂（混合动力和全复合材料）的价格标签使许多消费者无法接触到它们。最实惠的一套售价超过 10,000 美元，这种轮毂很可能只会出现在非常高端的跑车和豪华车上。然而，几家车轮公司认识到低价碳纤维车轮的市场潜力，并正在努力寻找解决方案。方法从使用的材料到车轮组件的制造和组合方式各不相同。有些将碳纤维部件与铝结合起来制成混合车轮。有些人用预浸料制作轮子。
ESE Carbon Co.（ESE，迈阿密，佛罗里达州，美国）成立于 2011 年，其目标是为更广泛的驾驶人群提供碳纤维车轮。公司增加了五轴数控精密加工团队、先进的结构复合零件能力、量身定制的纤维铺放机和机器人技术以实现自动化生产。该公司的目标是在来年发布其 E2 系列的一体式、一次固化全碳纤维复合材料汽车轮毂。 ESE 的车轮仅重 17 磅，设计为 3,850 磅的轴额定值，使其能够支撑高达 6,800 磅的车辆额定总重。根据 ESE 首席执行官 Carlos Hermida 的说法，能够承受相同重量的传统铝制车轮的重量将超过 30 磅。
深碗。 E2 的五辐设计基于普遍的运动美学。 连续波 照片|斯科特·弗朗西斯
E2 是一种基于通用运动美学的五辐设计，具有凹形深碗外观。 Hermida 表示，该公司的灵感来自于铝制保时捷车轮的设计，然后针对碳纤维进行了优化。车轮使用具有良好透明度的高温环氧树脂系统，并提供定制的饰面解决方案，包括清晰的光泽、清晰的哑光和自定义颜色。
ESE 的碳纤维轮毂 80% 是通过现有汽车工程师协会（SAE，Warrendale，Pa.，美国）推荐规范获得认证的，该规范适用于当前制造的所有轮毂，包括金属轮毂。此外，Hermida 表示，该公司可能会在市场上拥有第一个通过新复合材料车轮推荐规范 SAE J3204 认证的一体式车轮，该规范刚刚被 SAE 批准发布。与金属车轮的 SAE 推荐做法一样，这项针对复合材料车轮的新建议通过各种疲劳和冲击测试解决了耐久性问题。它还增加了新的要求，以考虑复合材料特有的环境影响。 ESE 产品开发副总裁 Michael Hayes 博士一直积极参与这一新推荐做法的工作组，共享数据并为 SAE 委员会的开发测试提供原型。在内部，ESE 的工程团队正在努力确保 E2 的性能超过 SAE 的最低建议。多年的原型测试和基于物理的模拟导致了当前的 E2 设计。
“SAE 工作组多年来一直致力于创建复合车轮实践，”赫米达说。 “我们的许多测试数据和知识已与 SAE 共享，以帮助将实践推向终点，虽然新的 SAE 实践将比当前的车轮实践更严格，但我们以消费者安全的名义欢迎它。”
量身定制的纤维放置。 ESE 的碳纤维轮是使用 ZSK Stickmaschinen GmbH 的定制纤维铺放技术 (TFP) 创建的。来源 | ESE碳素有限公司
转向定制纤维铺放
ESE 的车轮是使用定制的纤维铺放技术 (TFP) 创建的，该公司表示，该技术可以快节奏、大批量地制造具有良好机械性能的碳纤维部件。 TFP 的工作原理是排列纤维束，将它们放置在结构性能所需的位置，并将它们缝合到兼容的基层上。该程序用于代替将机织织物切割成所需形状的传统方法。 ESE 使用来自 Hyosung Advanced Materials（韩国首尔）的工业级碳纤维丝束和来自 ZSK Stickmaschinen GmbH（ZSK，Krefeld，德国）的 TFP 技术来缝合 层，创建近净形状的预制件。
ZSK 技术刺绣应用经理 Topher Anderson 博士解释说：“通过控制丝束材料在缝合到所需几何形状时的路径，材料仅放置在最终预制件中需要的位置。” “在传统层压板设计中必须切割的织物区域只是不缝合。这一过程既减少了在将机织织物切割成型时产生的初始浪费，也减少了由于能够适应复杂几何形状的能力而产生的后处理浪费。”
在过渡到 TFP 之前，最初使用传统碳纤维织物，ESE 声称该技术使该公司能够减少多达 50% 的层数，从而创建简化的叠层过程并最大限度地减少浪费。据 Hermida 称，通过采用 TFP，碳纤维废料从传统碳纤维织物的 40% 左右减少到不到 10%。此外，该技术还提高了铺层质量、优化了纤维取向并提高了设计灵活性。
航空级牵引。 ESE 为 E2 使用了晓星先进材料的碳纤维丝束。来源 | ESE碳素有限公司
“我们的辐条有很多曲率，这使得层片复杂化。对于传统织物，碳纤维层的方向是有限的，” Hermida 解释说。 “使用 TFP，几乎可以无限地在任何方向创建直线或曲线图案，让您可以设计出经过优化的层片，以比使用传统织物更有效地管理负载和应力。”
ESE 车轮最显着的成本节省之一来自这些叠层改进。 Hermida 表示，在转向 TFP 之前，叠层是公司的制造瓶颈。他声称减少层数提高了效率，并将铺层时间减少了近 50%。每天每个模具可以制造更多零件，这对每个车轮的时间、劳动力和设备的总体投资产生了积极影响。
总而言之，ESE 表示 TFP 简化了其流程并有助于提高可扩展性。 Hermida 表示，通过购买丝束而不是织物来整合供应链还有额外的成本优势。
了解有关定制纤维铺放 (TFP) 的更多信息：
- 量身定制的纤维铺放：量产中的佼佼者
- 可变轴向复合材料为更轻的复合结构开辟了道路
- 预成型走向工业化：第 2 部分
全注入、单固化碳纤维轮
制动热。 ESE Carbon 表示，即使在制动过程中车轮暴露在高温下，亨斯迈的 Araldite 也提高了生产率并增加了轮辋强度。 连续波 照片|斯科特·弗朗西斯
除了对 TFP 技术的投资外，ESE 还在推动其轮子的高压灭菌处理，以提高生产率。 E2 是通过专有的压缩树脂传递模塑 (RTM) 工艺生产的，使用 由 ESE 工程团队设计的定制印刷机。 Hermida 表示，要实现全注入、单一固化的轮子是具有挑战性的。其中一个关键部分是选择正确的树脂系统。
“我们需要一种低粘度、高 Tg [玻璃化转变温度]、高透明度、快速固化且具有强大性能的系统，” Hermida 说。
该公司选择了 Huntsman Advanced Materials（美国德克萨斯州伍德兰兹）的 Araldite 作为其环氧树脂系统。据 Huntsman 称，该系统粘度低，注射速度更快，纤维浸润和易于加工，并且可以灵活地适应不同的模具条件和循环时间。 ESE 表示，有了爱牢达，即使在制动过程中车轮暴露在高温下，它也能够提高生产率并增加轮辋强度。
与具有高达 200°C 的高 Tg 的传统环氧树脂相比，Araldite 具有更高的伸长率和更高的断裂韧性。
“由于会产生制动热量，这是一个关键部件，”赫米达说。
为了减少在模具中的时间，该系统在模具内的中间温度下进行固化，然后在模具外的高温下进行可选的后固化。结果是一种具有良好抗疲劳性的轻质复合轮辋，这对于在车辆运行期间暴露于反复循环/应力的车轮的耐久性至关重要。
Huntsman 技术代表与 ESE 的工程团队合作，确定哪种环氧树脂系统适合他们的生产需求，以及理想的组分比例，以在环氧树脂开始胶凝之前获得足够长的工作寿命以注射多个车轮模具。此外，该公司还提供了计算机生成的预测固化建模分析和实验室测试，以帮助支持 ESE 的开发工作。
复合轮不停转动
自动化。 ESE 正在努力推进诸如修整、取放自动化和预成型等任务的自动化。来源 | ESE碳素有限公司
ESE 将于 2020 年第一季度开始道路测试。预计在 2020 年晚些时候交付售后车轮，ESE 表示已开始与原始设备制造商讨论。随着 E2 准备在市场上首次亮相，问题又回到了成本上。目前市场上大多数碳纤维轮毂的成本大约是一些经济型汽车的成本。
“碳纤维轮毂制造在很多方面都是独一无二的；虽然当前的自动化技术使我们受益，但仍需要大量定制和自动化开发才能达到我们想要的车轮价格点，”赫米达说。
随着 TFP 的加入，ESE 在其流程的自动化方面取得了长足的进步。 Hermida 表示，该公司还能够实现车轮后处理的自动化，该公司目前正在努力推进其修整、机器人取放铺层和预成型等任务的自动化。
“这归结为 ESE 使碳纤维车轮变得可行，”ESE 业务发展副总裁 Daniel Canavan 说。 “我们正在努力实现碳纤维技术可以应用于更多人口的地步。”
ESE 的 E2 旨在不仅仅是市场上的一个有竞争力的轮子。最初的目标是以低于 $ 的价格提供一组四个轮子 9,900。虽然这听起来可能仍然很昂贵，但这绝对是朝着正确方向迈出的一步，而且 Hermida 表示，该公司的自动化项目将有助于削减成本，以超越奢侈品/高性能市场。
“我们的抱负远不止于此，”赫米达说。 “这只是一个起点。我们的目标是将价格定在锻造铝轮的惊人距离之内。”可比的锻造铝轮毂价格在 5,000 美元至 7,000 美元之间。
“我们看到了在大规模生产中这样做的更大前景，”Canavan 说。 “我们正在考虑电动汽车和其他市场，在那里我们可以分享效率，[用户] 可以体验非簧载重量的好处——性能、速度和安全性。这项技术有很多优势，我们可以真正发挥作用。”
树脂