碳纤维如何加速空中出租车 eVTOL 的未来

本文回应 2019 年 1 月 WIRED 杂志文章，文中称碳纤维复材生产阻碍电动汽车（EV）/垂直起降（VTOL）飞机在城市交通和空中出租车市场的发展。我将反驳此观点，并提供一些潜在颠覆性新技术，请读完。

虽赞赏作者覆盖这一新兴行业并指出面向制造设计的必要性，但他在误导，很可能因不懂复材行业。例如：

虽然技术上属实，但空客到 2019 年中 将 A320 产能提至 60 架/月，波音 B737 也在 2019 年冲刺 57 架/月。对 A320 而言，意味着每天生产三个 6.3 米高 的碳纤维增强塑料（CFRP）垂尾组件，以及三个 12.45 米跨度 的 CFRP 水平尾翼组件。

此外，空客已认证一项又一项技术——多用复材，均以 60-70 架/月为目标，用于下一代 A320（称 A320 Neo Plus）。这些复材技术组合含树脂传递模塑（RTM）、片状模塑料（SMC）压缩模塑和热塑性复材（TPC），循环时间轻松满足 700+ 架/年。最新开发技术将 CFRP 零件循环时间从 4 小时压缩至 15 分钟或更短。空客认证的大多数新技术高度自动化，新装配方法也是。

汽车行业也铺平了比 eVTOL 所需更高量产之路（WIRED 引用预测 2035 年需求 23,000 辆）。宝马将 i3 和 i8 产量从 130 增至 200 辆/天——两车均采用全 CFRP 乘员舱；奥迪供应商 Voith Composites 以 150-300 件/天 生产 A8 的 CFRP 后壁。注意宝马 i3 和 i8 模块与下图空客直升机 EC 135 机身极其相似——两厂商均在此框架上安装外饰和内饰部件。

宝马 i3 和 i8 车身框架与空客直升机 EC135 非常相似。来源：《领先集群里程碑——回顾与未来展望》，MAI Carbon，第 36-7 页（上），宝马和空客直升机（下）。

同时，奥迪 A8 后壁采用 5 分钟循环周期的 RTM 和自动化干碳纤维带铺设制造，带长和纤维取向按特定载荷定制，从基础 6 层（1.5 mm）到局部加强 19 层（3.7 mm）满足高点载荷。这一单一零件以 50% 重量提供驱动舱 33% 扭转刚度，对比焊接铝组件的 3-5 件组件。

2019 款奥迪 A8 配备 5 分钟由碳纤维带制成的 CFRP 后壁。来源：奥迪和 Voith Composites.

热塑性复材

但这些例子甚至未利用热塑性技术，后者是波音新型中型飞机（NMA）的首选，预计 2019 年第二季度前发布。热塑性零件自 1990 年代即用于飞机，开发持续进行，空客和欧洲一级供应商原型制造越来越大的机翼和机身段（含集成加强筋），今年扩展至全尺寸机身演示件。注意热塑性复材还能焊接，进一步消除紧固件和装配。

Automated Dynamics（现属 Trelleborg 集团）2012 年用自动铺丝原位固结生产全尺寸一体化加强筋 CF/PEEK 直升机尾梁，免去漫长高压釜循环及紧固件和胶粘剂。来源：Automated Dynamics, Trelleborg

过去三年 TPC 材料和加工供应链快速凝聚，所有主要碳纤维供应商现均生产热塑性带材，多家公司为航空航天和汽车应用演示低循环时间包覆成型零件。热塑性焊接也经多家公司验证。

摘自“包覆成型作为复材赋能者，从航空航天到汽车”，采访复材制造商 CCP Gransden 的 Scott King：

CCP Gransden 将其单步热成型和热塑性复材包覆技术提炼至典型 <2 分钟循环周期，利用广泛聚合物和纤维生产轻量化复杂部件。来源：CCP Gransden

最新技术

但技术自 2014 年以来已前进，包含几项有趣发展：

热塑性包覆热固性

AZL 亚琛的 OPTO-Light 项目演示了热塑性复材（TPC）加强筋和卡扣包覆在碳纤维/环氧复材零件上。

包覆成型 + UD 承载拉挤型材

MAI Skelett 项目演示了两步 75 秒工艺包覆 TPC 拉挤型材，生产结构性车顶件/挡风框架，超越所有宝马 i3 零件要求，同时集成连接件和卡扣，将碰撞行为从脆性失效转为延性失效模式，提高 BIW 残余强度。

项目合作伙伴 SGL Carbon 现供应适配 PP 或 PA6 体系单基体解决方案的碳纤维，含拉挤型材、有机片材和包覆料，以及通过其轻量化应用中心（LAC，德国梅廷根）提供零件开发的设计和工艺专长。

宝马新专利高精度紧固系统用注塑或包覆卡扣（下）和 3D 打印球（上），无紧固件、钻孔或胶粘。下图展示该系统如何使定制 3D 打印内饰件作为 2019 MINI Yours Customised 计划一部分“卡扣安装”。

来源：专利 DE 10 2013 214 269 B3（上）
https://www.youtube.com/watch?v=1pyxNKw-nf8（下）

回到 WIRED 文章及其不懂行的断言：

确实这种 CFRP 生产方法用了很多年，但飞机和汽车制造商已转向更自动化、近零废料的材料和工艺，以及具有消除紧固件、实现可回收/再生料和可修复性等经验证优势的热塑性复材。

最终，WIRED 作者自相矛盾，因为 eVTOL 先驱 ICON 计划不仅推进其 CFRP 机身，还为大型飞机制造零件。碳纤维显然不会让 eVTOL 停飞，反而已在推进巧妙工程的公司中发挥关键作用，涵盖空中和陆地未来车辆广泛范围。采用最新技术合理，因为所有这些新车辆都必须认证。

WIRED 文章中 BetaTechnologies CEO Kyle Clark 的一点确实关键：

Blue Force Technologies CEO Scott Bledsoe 也强调气动、推进、造型、结构和制造团队，在设计开发每步都拥有平等席位的重要性。

但或许最重要的是紧跟复材制造前沿，联系众多愿分享专长、助力开发未来应用的材料、设备和技术供应商。联系 CompositesWorld，因为这正是我们的使命——提供技术可靠的连接和信息。