骨架设计助力高性价比复合材料汽车结构量产

随着制造商寻求降低复合材料部件成本，设计师致力于在实现自动化生产和多功能集成的前提下，最大化利用原材料。对于汽车应用，1-2分钟的极短成型周期要求使这一挑战更加严峻。

热塑性复合材料包覆成型——在连续纤维预制件上注塑热塑性复合材料特征结构——多年来被视为潜在解决方案。例如，CAMISMA项目2014年演示了包覆成型复合座椅靠背。SGL Carbon轻量化与应用中心（LAC，德国梅廷根）负责人Christoph Ebel博士指出：“但这种方法现已迈上新台阶，实现了热塑性复合材料白车身（BIW）结构的全自动化生产。”

这一进步得益于历经数年开发的“骨架”设计理念。该工艺首见于2015年MAI Skelett项目：利用单向（UD）碳纤维热塑性挤出型材，经热成型与包覆成型两步法，在75秒内生产出结构车顶构件，超越以往所有版本要求。该工艺还集成了安装卡扣，将碰撞失效模式从脆性转为韧性，提升白车身残余强度。

MAI Skelett演示件

为期17个月的MAI Skelett项目获德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，由碳复合材料网络Carbon Composites e.V.（奥格斯堡）的区域分支MAI Carbon执行。项目由宝马（德国慕尼黑）牵头，旨在实现特定演示件：挡风玻璃框架，位于两根A柱之间、前挡风玻璃上方。其设计基于现有宝马i3结构，涵盖所有功能与空间要求。挡风框架不仅作为车顶横向结构件，还提供刚度（降低NVH）、强度（车顶压顶测试，满足碰撞法规）、内饰件固定点（遮阳板、内饰条、照明线束等），以及与挡风玻璃、天窗、外部车顶盖的连接支撑。

骨架设计挡风框架由四根UD纤维增强挤出型材构成，位于部件四角，被包覆成型框架封装以提供扭转刚度和复杂形状的功能性连接件。挤出型材不在同一平面，而是按不同高度布置：两根靠近60毫米高部件的底部，两根靠近顶部。

挤出型材纳入热塑性工具箱

MAI Skelett挡风框架最终确定10×10毫米方形截面。目标是使用成本较低的大丝束碳纤维。但选用的50K大丝束纤维丝束紧密，浸渍难度较大。SGL热塑性产品经理Veronika Bühler表示：“总体上可通过优化纤维导向与铺开，实现最佳浸渍和约50%体积纤维含量。”SGL已掌握该技术，现将挤出型材纳入其热塑性工具箱。“我们因热塑性带材（同样基于挤出）积累了丰富半成品知识，故能快速调整现有挤出技术生产自有型材。”工艺含纤维体积含量、气孔率、尺寸精度质检。“后者对自动化和机器人搬运至关重要，”她补充道，“例如挤出型材不得因残余应力产生弯曲。”

除挤出增强材料，MAI Skelett还探究热塑性树脂。测试多种聚酰胺6（PA6或尼龙6）以确定优化挤出质量与速度所需粘度和流变性。SGL通过其热塑性工具箱提供多种材料，包含UD带材、有机片、短/长纤维增强复合料，现增UD增强挤出型材，均基于SIGRAFIL 50K碳纤维，施加适配聚丙烯（PP）和聚酰胺（含PA6或原位PA6）基体的上浆剂。“协调纤维、上浆剂与基体至关重要，以实现复合结构最优性能，”Bühler强调。

她解释原位PA6：“即在复合件成型过程中，让己内酰胺单体（或单体与催化剂、活化剂）聚合成长链聚合物。”换言之，己内酰胺原位聚合为聚酰胺。Bühler指出聚酰胺家族还含PA66、PA12及某些PPA作为备选基体。

挡风框架制造的另一关键在于热塑性半成品可在成型中及成型后热成型，进而实现形状进一步功能化及包覆成型时的熔融结合。两者均为MAI Skelett演示件设计的关键因素。

热成型与包覆成型

MAI Skelett挡风框架生产始于碳纤维/PA6挤出型材。需对其改型以适配部件形状及不同载荷引入点。选用热成型，核心在于尽可能保持碳纤维直线以充分发挥高强高刚。通过沿基体流动方向拉伸挤出条，再将两端压扁弯曲实现。

第二步将热成型挤出型材置于红外加热器下，50秒内升温，再经专用自动化搬运系统送入注塑模。全项目部件均在现有注塑机上生产。随后以纤维增强复合料包覆成型于型材上及周围。包覆成型对模具与工艺精度要求极高，以固定四根热成型挤出条位置。

两步法总周期（预制挤出件热成型与包覆成型）约75秒。“因热塑性基体包覆前重熔，可在极短周期内将预制热成型条成型结合为成品，”Ebel解释。“热塑性熔融性亦可实现与金属件连接，”Bühler补充，热塑性热成型与注塑工艺具备优异重现性与过程控制，是大批量生产关键。

韧性失效

评估了PPA和PA6型材及兼容玻璃/碳纤维复合料，探索更韧性的失效模式。虽韧性失效降低挡风框架传递载荷，但提升白车身整体结构完整性。

分析方法含实体建模、钢筋建模（几何建模，挤出件作为钢筋增强包覆层）、壳单元建模及组合。软件含ABAQUS有限元求解器（达索系统，法国巴黎）、桑迪亚国家实验室开发的Dakota参数求解器（美国新墨西哥州阿尔伯克基）、OptiStruct（Altair Engineering，美国密歇根州特洛伊）用于拓扑优化。

宝马最终报告未指定首选材料组合，但结论显示：最终仿真与测试结果表明，骨架构件除扭转刚度外，超越现有碳纤维增强塑料（CFRP）件所有要求，而扭转刚度非挡风框架关键设计驱动因素。骨架设计在碰撞工况下的载荷水平与吸能均超现有CFRP件。且实现更韧性失效模式，不仅推进复合结构碰撞性能，更深化对碰撞性能及其与白车身整体关联的理解。

骨架设计未来应用

MAI Skelett最终报告显示，宝马已识别出六个可受益于骨架设计显著降低制造、材料与模具成本的车辆部件。SGL Carbon建议应用于汽车与航空航天座椅结构、仪表盘、机械臂、X射线工作台等。

骨架设计在后续项目MAI Multiskelett（2015年9月至2017年6月）中进一步延伸至多轴受力部件。研究关注承载构件与挤出型材交叉区、高载荷引入区（特别是多主载荷路径交汇的大型结构件）。与Skelett项目同理，开展了部件设计与成本效益量产线研究。

SGL与汽车技术专家Bertrandt（德国埃宁根）2017年开发的电动汽车Carbon Carrier前舱内饰（图2）展示了骨架设计如何进一步优化现有复合部件。Carbon Carrier集成传统仪表盘主要功能与饰件，基于热成型有机片作为承载“骨干”增刚。“未来该部件可由包覆成型热塑性型材设计替代，”Ebel表示，“可省去有机片裁剪、铺层、修边工序；横向构件亦可废弃，因我们将其作为挤出型材集成并包覆成型以实现仪表盘设计。该包覆成型件还能为所需安装件、螺丝、卡扣、线缆等提供更大空间与灵活性。”

Ebel承认这是巨大设计变革，“但能降低成本并使整个部件更高效。”他指出可设计近零废料工艺：型材按需精确切割，碳纤维增强材料在热成型前及包覆成型中均无损耗。Bühler指出座椅亦是骨架设计理想候选。“复合材料座椅通常用织物或带材，仍属板状结构。但我们可在底部集成型材增刚，减薄平面区厚度。”她补充挤出型材非唯一高效UD产品，“带材亦可，易适配各部件载荷路径。”

“我们在轻量化与应用中心接待大量来访企业，”Ebel说，“骨架设计作为额外创新理念，激发浓厚兴趣，被访客视为极具前景。”他解释中心已建立设计能力，可助企业融合骨架等创新理念，为未来材料高效利用部件开拓新设计空间。

“有许多应用可采用类似挡风框架的设计，”Bühler说，“行业必须从准各向同性铺层转型——那浪费了碳纤维大量强刚性优势。我们必须开发更高效材料形式，仅在需要处放置所需材料。这是行业未来所需。”