編者按：近期，寶馬公司公開了一種連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRTP）結(jié)構(gòu)件在汽車白車身上應(yīng)用技術(shù)，CFRTP從理念設(shè)計(jì)開始，通過將UD熱成型和注塑成型技術(shù)相結(jié)合形成了一種新型輕量化設(shè)計(jì)，到最終實(shí)現(xiàn)了在寶馬iX汽車上批量化生產(chǎn)。
這一系列從設(shè)計(jì)到加工及批量化的過程均是在寶馬集團(tuán)位于蘭德舒特的工廠進(jìn)行的。由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)既具有成本競爭力，又具有可持續(xù)性。在上期文章基礎(chǔ)上，本期文章將繼續(xù)介紹更多技術(shù)細(xì)節(jié)內(nèi)容。
作為批量產(chǎn)品開發(fā)的一部分，為了使用經(jīng)過驗(yàn)證的解決方案來粘合前車頂弓，在前面需要另一個(gè)金屬薄板（圖3b）。除了產(chǎn)品要求（例如碰撞要求）外，批量產(chǎn)品的開發(fā)還包括證明系列產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)和一致的產(chǎn)品質(zhì)量。可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)也必須實(shí)現(xiàn)，特別是通過最小的材料消耗和回收材料的使用，保持相對于不斷發(fā)展的金屬薄板外殼結(jié)構(gòu)的重量優(yōu)勢。
基本生產(chǎn)概念在批量生產(chǎn)中得到了確認(rèn)，包括從碳纖維起始材料到部件的三個(gè)工藝步驟。第一步，連續(xù)纖維浸有用于UD插件的PA6基體中，通過拉擠成直桿并切割得到所需的產(chǎn)品長度；在第二步中，桿再次熔化，并通過夾具拾取，由于端齒輪已經(jīng)通過單個(gè)夾具的移動進(jìn)行調(diào)整，因此可以將其準(zhǔn)確地放置在成型工具中。
最后的輪廓是通過關(guān)閉成型工具來實(shí)現(xiàn)的。在接下來的循環(huán)中，尺寸穩(wěn)定但仍然溫?zé)岬臈U（圖3a）與鈑金嵌件一起插入同一生產(chǎn)單元（圖5）的注塑模具中，并用注塑化合物進(jìn)行二次成型。回收的注塑材料也分三步生產(chǎn)：
粉碎預(yù)成型輔料并將其分解成纖維；
與PA6基體復(fù)合；
將熔化的顆粒注射到封閉的模具中（圖4）。
圖4 注塑材料的回收過程
成型棒和熔體成型注塑化合物中儲存的熱量足以實(shí)現(xiàn)粘結(jié)材料連接，從而通過熱均衡過程實(shí)現(xiàn)良好的表面粘合。
從CFRP直桿、金屬嵌件和碳纖維增強(qiáng)注塑顆粒開始，所有進(jìn)一步的加工步驟都是在寶馬集團(tuán)位于蘭德舒特的塑料生產(chǎn)單元的注塑機(jī)周圍的生產(chǎn)單元（圖5）中進(jìn)行的。BMW iX的兩個(gè)骨架部件，前車頂弓架（圖3c）和后窗框是作為前車頂弓和后車頂前車頂弓制造的。數(shù)字化潛力被直接利用，因此在質(zhì)量保證的框架內(nèi)，從注塑成型和桿生產(chǎn)到車輛的追溯是可能的。
事實(shí)證明，插入預(yù)制纖維增強(qiáng)嵌件是一種優(yōu)勢，因?yàn)檫@會導(dǎo)致連續(xù)纖維的穩(wěn)定位置，從而顯著影響部件的機(jī)械性能。此外，在概念階段鑲件已經(jīng)表明，含有注塑材料的碳纖維的收縮（已經(jīng)很小）幾乎不會導(dǎo)致組件變形，從而實(shí)現(xiàn)了非常穩(wěn)定的過程。
第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在注射成型過程中可以實(shí)現(xiàn)少于85秒的周期時(shí)間，盡管插入了一些零件，CFRP插入部分的結(jié)構(gòu)壁厚超過10毫米。由于車身車間集成，前車頂撐弓零件的數(shù)量從四個(gè)減少到一個(gè)，而無需新工藝。這同樣適用于后窗框架，它也使用骨架結(jié)構(gòu)。油漆車間沒有變化，因?yàn)镻A6作為基體，KTL爐溫度（約180°C）和熔化溫度（220°C）之間的差值足夠了。即使在這些溫度下，纖維結(jié)構(gòu)也為骨架部件提供了足夠的強(qiáng)度，以承受在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的熱量差異所產(chǎn)生的力。
早在概念開發(fā)階段，軟件工具被迭代地用于模擬組件設(shè)計(jì)和測試結(jié)果（彎曲和沖擊測試），設(shè)計(jì)模擬工具以過程仿真為補(bǔ)充。在第一次測試后，觀察到部件行為預(yù)測與測試結(jié)果吻合良好，并在開發(fā)過程中進(jìn)一步細(xì)化。同時(shí)，還進(jìn)一步實(shí)施了細(xì)節(jié)，以便于部件設(shè)計(jì)，同時(shí)消除錯(cuò)誤來源。使用眾所周知的系列工藝，可以在載荷或失效預(yù)測中進(jìn)行明確的幾何劃分，以及CFRP插件和注塑框架之間的良好內(nèi)聚連接，從而可以實(shí)現(xiàn)良好的部件尺寸標(biāo)注。
到目前為止，部件尺寸的確定一直是純迭代的，特別是通過手動調(diào)整短纖維增強(qiáng)注塑部件，然而，這可能會很快失去設(shè)計(jì)中的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。對于這種具有各向異性材料特性的混合涂層系統(tǒng)，尤其是非線性碰撞計(jì)算，尚不可能進(jìn)行（半）自動拓?fù)鋬?yōu)化。雖然使用了由碳纖維和熱塑性PA6基體組成的雙材料系統(tǒng)，但在結(jié)構(gòu)上有必要考慮由插入桿和注塑框架組成的混合系統(tǒng)，該混合系統(tǒng)在纖維長度、含量和方向上有所不同。對于纖維重量相對較低（15%）的注塑組件，可以設(shè)想使用準(zhǔn)各向同性材料。
寶馬iX的前車頂弓是一個(gè)CFRP輕質(zhì)組件，與金屬板框架相比，重量減輕了45%。由于低輸入重量、能量優(yōu)化的碳纖維生產(chǎn)方法以及組件生產(chǎn)中開發(fā)的優(yōu)勢，與通常由高性能WU鋼制成的多部件板框架相比，CFRTP骨架結(jié)構(gòu)的二氧化碳排放量已經(jīng)更好。
首先，這種良好的結(jié)果是由于骨架施工方法的優(yōu)勢：沒有生產(chǎn)浪費(fèi)，這對于CFRP結(jié)構(gòu)件來說是一種新事物，并且在注塑成型部件中可二次使用碳纖維（圖4）。
綜上所述，新款BMW iX的前車頂弓和后窗是新骨架設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)組件，它展示了如何以高施工標(biāo)準(zhǔn)在批量生產(chǎn)中實(shí)施此設(shè)計(jì)（圖6）。因此，在十年內(nèi)，與2010年基準(zhǔn)年的手工生產(chǎn)為主相比，大規(guī)模汽車生產(chǎn)用CFRP部件的成本降低了80%以上。
圖6:采用骨架設(shè)計(jì)的BMW iX的CFRTP擋風(fēng)玻璃
