奧迪碳纖維複材從預研發到奧迪R8, A8碳纖維部件的生產的整個階段, 包括: 奧迪研發前所面臨的技術難題, 選擇自主研發的原因, 載荷工況的設計工作, 超快速樹脂傳遞模塑的研發之路, 技術成功後向供應商的推廣應用及未來的研發之路.
據外媒報道, 奧迪選擇自行設計研發其碳纖維複材結構件, 公司期望未來能實現高速量產. 如今, 在先進複材(advanced composites)這一細分市場內, 車用複材或將成為業內各材料供應商及零部件製造商的寵兒, 作為其眼中的第二大重要目標市場, 該細分市場的地位幾乎可媲美航空行業.
奧迪碳纖維複材預研發階段所面臨的難題
然而, 鋼材和鋁材仍受到汽車行業的青睞, 複材的成長還需要時間和業內同行的努力, 因為其面臨以下挑戰: 複材結構複雜, 由於這類複材由纖維材料與其他材質混合而成, 這意味著要實現所需的性能參數, 當前的設計及類比實驗還面臨很多難度.
不同於鋼材及鋁材, 複材尚未實現標準化作業生產, 這意味著其生產成本較高, 生產周期更長. 儘管各大車企積極致力於汽車輕量化, 竭力減輕車重. 為此, 奧迪願意抓住這一機遇, 重點研發碳纖維複材.
如今, 首先要面對的問題是: 奧迪應從何種入手?
目前最普遍的做法就是從小批量應用開始, 逐步實現高速量產, 這從各車企的產品開發戰略中就可以清楚地感受到. 在最近的7年裡, 奧迪就是這樣操作的. 公司的研發工作始於其模組化跑車系統(Modular Sports-Car System, MSS), 公司將該車身框架設計應用到奧迪R8 Coupe, 奧迪R8 Spyder, 奧迪R8 LMS(賽車)及蘭博基尼Huracan等眾多車型中, 蘭博基尼Huracan是一款兩座式跑車, 其採用了後置發動機的設計布局.
奧迪將MSS作為一款工具, 旨在將先進的碳纖維複材應用到白車身(body-in-white, BIW)中, 從而減輕車重並提升車輛的性能. 隨著車輛電氣化的不斷推進, 奧迪更堅定了這一構想. 奧迪輕量化設計中心碳纖維複材(CFRP)技術研發專員David Roquette表示, 第一代奧迪R8車型採用了鋁材, 但奧迪決定在第二代R8中採用MSS項目所研發的碳纖維複材.
那麼, 第二個問題是: 碳纖維材料將被應用到哪個車身部件中呢?
Roquette表示, 奧迪耗費了三年時光, 對白車身進行了多次研發及評估, 最終找到了答案. 他與同事利用公司內部研發的優化軟體包, 對白車身的23項載荷工況(load cases)進行了識別, 隨後再加以區分. 然後, 他們對各個白車身部件施加了各向異性應力(anisotropic stresses), 將數值設置到最大值, 然後再從中找到了最適合採用碳纖維複材的部件.
Roquette指出: '然而, 應力只是其中的一項因素, 經濟性也很重要. 奧迪在製造碳纖維材料時能否兼顧到上述兩點嗎?奧迪擁有碳纖維複材製造所需的技術嗎?成本及重要方面能取得改進及成功嗎?' 隨著研發工作的不斷推進, 奧迪的研發人員漸漸找到了符合上述標準的車用零部件——以傳動軸通道(driveshaft tunnel)及(轎廂)後壁(rear wall). 後壁的作用在於將乘客艙(passenger compartment)與後發動機艙(rear engine compartment)隔開. 據Roquette透露, 2016款R8 Spyder和Coupé車型的後壁均採用了碳纖維複材, 從而大幅提升了扭應力(torsional stress)及車輛的剛度(vehicle stiffness), 還實現車身減重.
載荷工況的設計工作
Roquette的同事Felix Diebold表示, 當奧迪複材研究中心首次關註上述的23種載荷工況時, 公司正尋找新機會, 希望利用碳纖維複材增強白車身的扭應力, 同時減輕其重量, 從而提升車輛的總體強度及乘客的安全性. 於是, 奧迪的設計工程師們將單向碳纖維織物加強件(woven carbon fiber fabric reinforcements)與快速硫化環氧樹脂體系(fast-cure epoxy resin system)相結合.
Diebold表示, 奧迪希望R8 Spyder的部分複材部件能採用泡沫夾層結構(foam-cored sandwich construction), 特別是B柱填充物及後壁這兩個部件. Roquette表示, 奧迪採用泡沫夾層, 其旨在減少各結構件, B柱填充物, 強化件(consolidate part)中碳纖維的用量, 同時提升其強度及剛度.
當奧迪R8 Spyder的車頂收起後, 該款車型就變了一輛敞篷車. 因此, 強化B柱的性能就顯得至關重要了. 在非敞篷模式下, 其底盤的穩定性及剛度取決於車門, 車頂梁(roof frame)等部件的剛度及強度. 在敞篷模式下, 車門等部件更是要確保所需的穩定性及剛度.
奧迪希望採用樹脂傳遞模塑(resin transfer molding, RTM)工藝, 向被碳纖維包裹的泡沫材料中注入環氧樹脂. Diebold回憶道, 該計劃的主要難題在於尋找一種易操控的內層芯材(core material), 且該材料既不能太重(密度為100-150 kg/m3), 也不能太輕. 否則, 在RTM加工過程中, 該材料易被壓碎.
奧迪最終敲定了一款全新方案, 採用了基於聚甲基丙烯醯亞胺(polymethacrylimide, PMI)的泡沫, 屬於市面上相對較新的一款產品. Diebold表示: '該材質不易被壓碎, 易於處理. 當時還嘗試了其他芯材, 但存在受熱, 成本或其他限制因素, 最終無法採用該材料. '
他補充道, 可採用模塑對泡沫材料加工成各種3D形狀, 實現凸起件, 嵌入件(inserts)及其他金屬部件的一體化. 在對複材泡沫芯材進行加工時, 無需進行機加工及研磨. 此外, 據Diebold稱, 聚甲基丙烯醯亞胺(PMI)材料擁有均質芯材結構(homogenous cell structure), 可耐受液壓靜力(hydrostatic testing)試驗.
超快速樹脂傳遞模塑的研發之路
最後一項研發難題在於: RTM工藝的精整(refinement), 奧迪期望利用新工藝將各類材料融合到一起. 相較於奧迪的研發目標, 上述工藝精整顯得頗為瑣碎, 最終, 奧迪決定將該項工作移交給了一家一級供應商, 由其負責相關的生產工作.
Roquette表示, 高壓樹脂傳遞模塑(HP-RTM)成為汽車複材製造商的寵兒, 儘管奧迪也曾考慮過是否要採用該工藝, 但其注塑壓力高達120-bar. 若注入點的壓力較高, 會對泡沫芯材的一體性造成影響, 奧迪並不想在性能上做出妥協. 於是, 公司尋求新方法, 期望在降低注塑壓力的同時確保生產周期不會被拖長.
這看似是一項無可能實現的任務, 直到奧迪與致力於模壓感測器(mold cavity pressure sensors)研發工作的研發機構取得聯繫後, 該難題才得到解決. 雙方對RTM工藝中的(fine-tune)了注塑壓力, 壓縮力(compression force)及模具間隙進行了精準調整(微調), 從而進一步優化了該模塑工藝.
Roquette表示, 奧迪與這類研究機構合作. 據測試驗證, 在進行模塑工藝期間, 若磨腔壓力(cavity pressure)是一項基本控制變數(governing and primary variable), 那麼模具間隙高度及壓縮力或許是一個可調節的中等值, 可調整該數值, 從而確保生產周期儘可能地快. 即使無法做到很快, 但至少也要比高壓RTM工藝快很多. 為此, 奧迪將該工藝命名為超快速樹脂傳遞模塑(ultra-RTM).
對於奧迪R8 Spyder的夾層結構(sandwich structures), 注塑壓力不超過40 bar, 最大模塑間隙可達0.6毫米, 最大壓縮力可達500 MT, 而模具溫度不得超過123℃. 憑藉該項新工藝, 注塑時間可縮短至15秒, 而整體生產周期時間可控制在5分鐘以內. 這意味著零部件的加工可採用體積較小, 價格相對便宜的壓縮機, 且能耗較低, 不會對芯材的一體性造成威脅(不易被壓碎).
新工藝向製造商的推廣應用之路
Roquette表示, 當奧迪首次打算為MSS製造複材零部件時, 公司所制定的首個生產策略是與歐洲汽車複材加工商開展合作, 因為後者或許擁有所需的產能及專業技術, 可高效而快速地設計並製造奧迪所需的零部件. 然而, 奧迪最終還是決定自行研發這類複材及相關的加工技術.
Roquette表示: '據我們所知, 若奧迪真的想要在複材領域取得技術突破, 首先奧迪的研發人員務必要精通該領域的技術, 其次, 務必要採用自主研發. 奧迪擁有一支規模超大的研發團隊, 所有人都在日複一日地花精力鑽研該項目. '
等到奧迪材料及工藝的自主研發取得成果, 並將其成果轉交給負責實際生產的兩大歐洲複材供應商時, 對方也對覺得該合作所涉及的技術與產品均存在不確定性. Roquette表示: '因為這並非是奧迪從開放市場上購得的(成熟)技術. 奧迪挑選的供應商也生產過這類材料, 擁有多年的生產技術經驗. 然而, 奧迪轉交的自主研發技術與供應商所採用的技術截然不同. 對於該項新技術, 供應商方面有點難以接受. '
他還說道: '為此, 奧迪為供應商提供了相關的技術展示, 告知其新技術的應用方法. 最終, 奧迪說服了供應商, 由後者負責這類零部件的生產, 供應商為此也承擔了許多風險. 作為一家車企的供應商, 要做到這一點確實很不容易. '
成本居高制約製造 奧迪繼續探索新工藝
然而, 該技術研發及應用並未止步於2016款R8 Spyder. 2017年, 奧迪引入了一款四座豪華車奧迪A8, 該款車型採用了碳纖維複材後壁及後窗檯板(upper rear shelf), 上述兩款部件都採用了碳纖維複材, 也都採用了超快速RTM工藝.
Roquette表示: '體積越大, 所需的工作量就越多. 碳纖維成品部件的成本還是太高了. 如今, 公司將目光放在產品的方方面面, 不僅僅是碳纖維的價格問題, 還有RTM工藝的生產速度. 此外, 還要考慮樹脂價格, 粘合劑價格, 整個材料鏈的價格. 為此, 我們務必採用全新的理念. '