奥迪碳纤维复材从预研发到奥迪R8, A8碳纤维部件的生产的整个阶段, 包括: 奥迪研发前所面临的技术难题, 选择自主研发的原因, 载荷工况的设计工作, 超快速树脂传递模塑的研发之路, 技术成功后向供应商的推广应用及未来的研发之路.
据外媒报道, 奥迪选择自行设计研发其碳纤维复材结构件, 公司期望未来能实现高速量产. 如今, 在先进复材(advanced composites)这一细分市场内, 车用复材或将成为业内各材料供应商及零部件制造商的宠儿, 作为其眼中的第二大重要目标市场, 该细分市场的地位几乎可媲美航空行业.
奥迪碳纤维复材预研发阶段所面临的难题
然而, 钢材和铝材仍受到汽车行业的青睐, 复材的成长还需要时间和业内同行的努力, 因为其面临以下挑战: 复材结构复杂, 由于这类复材由纤维材料与其他材质混合而成, 这意味着要实现所需的性能参数, 当前的设计及模拟实验还面临很多难度.
不同于钢材及铝材, 复材尚未实现标准化作业生产, 这意味着其生产成本较高, 生产周期更长. 尽管各大车企积极致力于汽车轻量化, 竭力减轻车重. 为此, 奥迪愿意抓住这一机遇, 重点研发碳纤维复材.
如今, 首先要面对的问题是: 奥迪应从何种入手?
目前最普遍的做法就是从小批量应用开始, 逐步实现高速量产, 这从各车企的产品开发战略中就可以清楚地感受到. 在最近的7年里, 奥迪就是这样操作的. 公司的研发工作始于其模块化跑车系统(Modular Sports-Car System, MSS), 公司将该车身框架设计应用到奥迪R8 Coupe, 奥迪R8 Spyder, 奥迪R8 LMS(赛车)及兰博基尼Huracan等众多车型中, 兰博基尼Huracan是一款两座式跑车, 其采用了后置发动机的设计布局.
奥迪将MSS作为一款工具, 旨在将先进的碳纤维复材应用到白车身(body-in-white, BIW)中, 从而减轻车重并提升车辆的性能. 随着车辆电气化的不断推进, 奥迪更坚定了这一构想. 奥迪轻量化设计中心碳纤维复材(CFRP)技术研发专员David Roquette表示, 第一代奥迪R8车型采用了铝材, 但奥迪决定在第二代R8中采用MSS项目所研发的碳纤维复材.
那么, 第二个问题是: 碳纤维材料将被应用到哪个车身部件中呢?
Roquette表示, 奥迪耗费了三年时光, 对白车身进行了多次研发及评估, 最终找到了答案. 他与同事利用公司内部研发的优化软件包, 对白车身的23项载荷工况(load cases)进行了识别, 随后再加以区分. 然后, 他们对各个白车身部件施加了各向异性应力(anisotropic stresses), 将数值设置到最大值, 然后再从中找到了最适合采用碳纤维复材的部件.
Roquette指出: '然而, 应力只是其中的一项因素, 经济性也很重要. 奥迪在制造碳纤维材料时能否兼顾到上述两点吗?奥迪拥有碳纤维复材制造所需的技术吗?成本及重要方面能取得改进及成功吗?' 随着研发工作的不断推进, 奥迪的研发人员渐渐找到了符合上述标准的车用零部件——以传动轴通道(driveshaft tunnel)及(轿厢)后壁(rear wall). 后壁的作用在于将乘客舱(passenger compartment)与后发动机舱(rear engine compartment)隔开. 据Roquette透露, 2016款R8 Spyder和Coupé车型的后壁均采用了碳纤维复材, 从而大幅提升了扭应力(torsional stress)及车辆的刚度(vehicle stiffness), 还实现车身减重.
载荷工况的设计工作
Roquette的同事Felix Diebold表示, 当奥迪复材研究中心首次关注上述的23种载荷工况时, 公司正寻找新机会, 希望利用碳纤维复材增强白车身的扭应力, 同时减轻其重量, 从而提升车辆的总体强度及乘客的安全性. 于是, 奥迪的设计工程师们将单向碳纤维织物加强件(woven carbon fiber fabric reinforcements)与快速硫化环氧树脂体系(fast-cure epoxy resin system)相结合.
Diebold表示, 奥迪希望R8 Spyder的部分复材部件能采用泡沫夹层结构(foam-cored sandwich construction), 特别是B柱填充物及后壁这两个部件. Roquette表示, 奥迪采用泡沫夹层, 其旨在减少各结构件, B柱填充物, 强化件(consolidate part)中碳纤维的用量, 同时提升其强度及刚度.
当奥迪R8 Spyder的车顶收起后, 该款车型就变了一辆敞篷车. 因此, 强化B柱的性能就显得至关重要了. 在非敞篷模式下, 其底盘的稳定性及刚度取决于车门, 车顶梁(roof frame)等部件的刚度及强度. 在敞篷模式下, 车门等部件更是要确保所需的稳定性及刚度.
奥迪希望采用树脂传递模塑(resin transfer molding, RTM)工艺, 向被碳纤维包裹的泡沫材料中注入环氧树脂. Diebold回忆道, 该计划的主要难题在于寻找一种易操控的内层芯材(core material), 且该材料既不能太重(密度为100-150 kg/m3), 也不能太轻. 否则, 在RTM加工过程中, 该材料易被压碎.
奥迪最终敲定了一款全新方案, 采用了基于聚甲基丙烯酰亚胺(polymethacrylimide, PMI)的泡沫, 属于市面上相对较新的一款产品. Diebold表示: '该材质不易被压碎, 易于处理. 当时还尝试了其他芯材, 但存在受热, 成本或其他限制因素, 最终无法采用该材料. '
他补充道, 可采用模塑对泡沫材料加工成各种3D形状, 实现凸起件, 嵌入件(inserts)及其他金属部件的一体化. 在对复材泡沫芯材进行加工时, 无需进行机加工及研磨. 此外, 据Diebold称, 聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)材料拥有均质芯材结构(homogenous cell structure), 可耐受液压静力(hydrostatic testing)试验.
超快速树脂传递模塑的研发之路
最后一项研发难题在于: RTM工艺的精整(refinement), 奥迪期望利用新工艺将各类材料融合到一起. 相较于奥迪的研发目标, 上述工艺精整显得颇为琐碎, 最终, 奥迪决定将该项工作移交给了一家一级供应商, 由其负责相关的生产工作.
Roquette表示, 高压树脂传递模塑(HP-RTM)成为汽车复材制造商的宠儿, 尽管奥迪也曾考虑过是否要采用该工艺, 但其注塑压力高达120-bar. 若注入点的压力较高, 会对泡沫芯材的一体性造成影响, 奥迪并不想在性能上做出妥协. 于是, 公司寻求新方法, 期望在降低注塑压力的同时确保生产周期不会被拖长.
这看似是一项无可能实现的任务, 直到奥迪与致力于模压传感器(mold cavity pressure sensors)研发工作的研发机构取得联系后, 该难题才得到解决. 双方对RTM工艺中的(fine-tune)了注塑压力, 压缩力(compression force)及模具间隙进行了精准调整(微调), 从而进一步优化了该模塑工艺.
Roquette表示, 奥迪与这类研究机构合作. 据测试验证, 在进行模塑工艺期间, 若磨腔压力(cavity pressure)是一项基本控制变量(governing and primary variable), 那么模具间隙高度及压缩力或许是一个可调节的中等值, 可调整该数值, 从而确保生产周期尽可能地快. 即使无法做到很快, 但至少也要比高压RTM工艺快很多. 为此, 奥迪将该工艺命名为超快速树脂传递模塑(ultra-RTM).
对于奥迪R8 Spyder的夹层结构(sandwich structures), 注塑压力不超过40 bar, 最大模塑间隙可达0.6毫米, 最大压缩力可达500 MT, 而模具温度不得超过123℃. 凭借该项新工艺, 注塑时间可缩短至15秒, 而整体生产周期时间可控制在5分钟以内. 这意味着零部件的加工可采用体积较小, 价格相对便宜的压缩机, 且能耗较低, 不会对芯材的一体性造成威胁(不易被压碎).
新工艺向制造商的推广应用之路
Roquette表示, 当奥迪首次打算为MSS制造复材零部件时, 公司所制定的首个生产策略是与欧洲汽车复材加工商开展合作, 因为后者或许拥有所需的产能及专业技术, 可高效而快速地设计并制造奥迪所需的零部件. 然而, 奥迪最终还是决定自行研发这类复材及相关的加工技术.
Roquette表示: '据我们所知, 若奥迪真的想要在复材领域取得技术突破, 首先奥迪的研发人员务必要精通该领域的技术, 其次, 务必要采用自主研发. 奥迪拥有一支规模超大的研发团队, 所有人都在日复一日地花精力钻研该项目. '
等到奥迪材料及工艺的自主研发取得成果, 并将其成果转交给负责实际生产的两大欧洲复材供应商时, 对方也对觉得该合作所涉及的技术与产品均存在不确定性. Roquette表示: '因为这并非是奥迪从开放市场上购得的(成熟)技术. 奥迪挑选的供应商也生产过这类材料, 拥有多年的生产技术经验. 然而, 奥迪转交的自主研发技术与供应商所采用的技术截然不同. 对于该项新技术, 供应商方面有点难以接受. '
他还说道: '为此, 奥迪为供应商提供了相关的技术展示, 告知其新技术的应用方法. 最终, 奥迪说服了供应商, 由后者负责这类零部件的生产, 供应商为此也承担了许多风险. 作为一家车企的供应商, 要做到这一点确实很不容易. '
成本居高制约制造 奥迪继续探索新工艺
然而, 该技术研发及应用并未止步于2016款R8 Spyder. 2017年, 奥迪引入了一款四座豪华车奥迪A8, 该款车型采用了碳纤维复材后壁及后窗台板(upper rear shelf), 上述两款部件都采用了碳纤维复材, 也都采用了超快速RTM工艺.
Roquette表示: '体积越大, 所需的工作量就越多. 碳纤维成品部件的成本还是太高了. 如今, 公司将目光放在产品的方方面面, 不仅仅是碳纤维的价格问题, 还有RTM工艺的生产速度. 此外, 还要考虑树脂价格, 粘合剂价格, 整个材料链的价格. 为此, 我们务必采用全新的理念. '