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江苏常熟汽饰集团:热塑性连续纤维复合材料一体化成型技术 | 2021金辑奖

 
 
 
发布日期:2021-07-31    来源:盖世汽车    扫描到手机

江苏常熟汽饰集团携热塑性连续纤维复合材料一体化成型技术确认申报2021年金辑奖汽车新供应链百强评选活动。

申请技术丨热塑性连续纤维复合材料一体化成型技术

应用领域丨环保轻量及新材料

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图2e座盆骨架

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图2d电池箱体

创新点及优势:

技术描述:

热塑性连续纤维复合材料作为最近十年内出现的一种新型复合材料在汽车行业的应用目前仍然非常有限,与传统的如钢铝这些大量在汽车车身结构应用的金属材料比较起来,比强度和比模量都是非常突出的,也就是说在整车结构轻量化设计中存在巨大的潜力。采用连续纤维为增强材料和热塑性树脂为基体,在提供出色的机械性能、防腐蚀性能和电气绝缘性能之外,还可以利用热塑性材料的加工成型性能在合适的成型自动化设备的辅助配合下实现大规模和低成本的工业化生产制造。本项技术通过结合了不同的高效传统成型设备和最新的自动化技术可以针对不同产品设计开发出一种通用的成型生产工艺和设备,尤其适用于采用新型连续纤维复合材料基础上设计的大尺寸、高性能、结构性的车用零部件。本项技术对成型模具也有相关的专利申报和技术诀窍。

独特优势:

目前实现量产的产品主要在国外市场,产品涵盖了门模组安装板、刹车踏板、底护板、备胎仓、防撞梁、座椅骨架等,基本上减重水平在-20~30%之间;国内引进车型有国产化应用,而自主开发的车型应用暂时没有相应的应用。但是实际上整车上的结构仍然可以有很多结构零件可以应用这类复合材料达到轻量化减重减排的目标,目前我们和国内外各一家厂商有在开发相关的应用,其中之一可能成为全球第一家采用此类材料制造的相关产品部件。从新能源汽车来看,电动车的动力电池包也是很有应用潜力的一个产品,从我们内部的前期分析来看,动力电池包使用该种技术后可以在减重(30%)以及降本(20%)两个方面都有长足的改进空间,而且一旦推动行业对电池包的安装尺寸规格进行标准化统一起来,在商业模式方面进行相关的创新创造,对整个电动车行业的推动可能会有整个运营模式方面的颠覆作用。对于这类材料而言用以取代非安全性的结构金属部件既是能发挥它最大性能也是提供它的使用性价比的地方。虽然上述谈及到各种零部件的应用场景,但是我们并不认为所有应用都有其价值,例如对于刹车踏板而言使用这类材料的性价比不高,有更成熟且性能也满足使用要求的工程塑料可以替代金属件。总体而言,对于这类连续纤维热塑性复合材料通过采用模压和注塑两种或以上传统塑料加工方式的工艺技术能够在充分利用原材料的基础上结合产品的结构设计达到性能和减重的最优化,个别零件下减重比例可以达到-50%的水平,提升整个生产制造效率和成本优化效果;同时,结合其他的模具技术和自动化技术也可以将后续的部分装配和检验工作集成在一个工艺流程中实现。该工艺技术对于节能减排的先进性可以简单归纳为以下几点:

1. 多工艺一体化复合成型能力

        结合了模压工艺和注塑工艺以及复合模具的技术特点。传统的热固性复合材料以人工手糊、真空罐成型、简单模压、液体树脂模塑等工艺手段为主,辅助以机械切割和表面处理等工艺,从备料到成品通常需要好几个工序才可以得到最终的完成品,这个加工过程中间除了人工时间、能耗、原料的大量投入,还有环保和职业健康方面的困扰。相对而言,采用了新材料的一体化工艺可以大大简化整个生产过程,降低生产费用并且对环境、职业健康以及后续的循环回收使用都是非常友好的。 

2. 柔性的自动化智能制造方案,

       该工艺可以结合现有成熟的塑料工业设备如各种压机,注塑机,机器人,快速加热设备,自动传送线,红外测量、照相测量和比对设备,针对特定的产品制造,对应的产量和质量要求,定制设计出柔性的自动化生产线,围绕一体化主机可以根据特定车型特定产品的产质量要求设计出最符合经济效益的制造方案。

3. 巨大的轻量化潜力,

       产品设计中充分利用不同材料的性能特点,分别利用连续纤维的强度优异和改性增强材料的结构模量,使得产品设计满足性能标准中要求的强度和刚度的目标,通过现有的产品模拟分析技术,对整体产品的静态和动态性能指标可进行数值计算分析,预判产品设计的结果,也可以对加工工艺性进行前期的可行性分析,对后续的实际成型的可靠性进行预判和提前避免可能在加工过程中出现的缺陷或者考虑改进设计方案。通过不断优化产品设计和工艺设计,对于类似金属产品的轻量化减重目标为30-50%,越是大的部件,减重的比例空间越大。

4. 出色的工业化生产效率,

       对于汽车行业而言,年产2万辆车辆是每个乘用车企业对每个车型的最低期望,也是企业的生产能否具有技术经济性的最小规模要求,而目前国内市场上主要厂商的畅销车型往往能达到年产20-30万辆份的规模,还有很多年产5-10万辆份的单一车型,相对于航天航空、风力发电等主要使用复合材料的行业而言,产量是非常巨大的,从而也就要求生产效率非常高,而且主流乘用车是面对着一个非常大众化的市场,也导致车企对产品成本的控制要有一个较高的水平。以上两点是传统的复合材料和工艺技术无法满足的,而一体化成型技术却是能够同时达到效率和成本的要求的。

应用场景:

目前作为原材料的热塑性连续纤维预浸料片材有国内外众多的原料厂商从事研发和生产,但在国内对于这类材料的应用开发基本没有成规模的企业在进行相关的技术研发,而对于在整个汽车行业的应用开发而言,更是需要针对各个细分领域的产品进行相关的应用设计以及可行性分析能力。常熟汽饰作为上市公司对这方面的产品应用分析和工艺技术研发在国内是处于领先地位;我们的研发部门虽然成立仅仅三年时间,但在技术中心建立伊始,我们就对CAD、CAE数字化的产品设计开发技术给与了极大的重视,特别是在CAE能力的建设上历年都根据实际需要对相应的分析软件给予投入,在人员上也不断的招募和培养有关技术人员,同时还和不同的大学院校建立了项目合作和长期合作关系;我们在过去三年内主导、参与并实施了多项概念化产品应用的开发,从性能分析、可行性分析到部分前瞻性研发的项目的产品开发和样品制造,积累了一定的经验和技术诀窍。我们围绕轻量化、环保性、安全性,开展了多款汽车复合材料产品的研发工作。目前已经完成研发并量产的产品包括多款车型的后备箱部件和新能源汽车的动力舱支架,这些设计方案均经过CAE模拟优化,达到了产品原始材料的性能要求,同时大大降低了产品的重量。此外,早在2018年,我公司就对注塑模压一体化工艺的可行性进行了验证,生产了新能源商用车的动力电池箱体(图2d),产品重量由初始的7.7kg(PPS)减轻为4.1kg(CFRP),减重47%。此外,我公司与富晟李尔合作开发了了MazdaCX4前排座盆骨架(图2e),产品重量由初始的976g(钢)减轻为450g(CFRP),减重54%,同时成本不增加。该轻量化座盆骨架在富晟李尔实验室通过了系统测试,基本达到了设计预期。目前,我司正在为美国无人驾驶汽车公司Zoox开发座椅侧板,该产品整体注塑,在局部采用CFRP强化,计划今年年底批产。

未来前景:

可以吸引众多厂商在国内投资建厂国产化原材料(热塑性预浸料)以及国内实体对高性能热塑性材料复合材料的研发和商业化,长远而言会成长为一个非常有潜力的新兴市场。

可以打破汽车行业中对碳纤维材料在汽车零部件大规模使用就可以把成本降下来的不现实的想象,对应车用零部件采用玻璃纤维复合材料的性能就可以满足,结合采用创性的材料结构设计及零件设计有很大潜力应用于车身覆盖件及部分结构件领域;同时可以激发航空产业对于高性能碳纤维热塑性复合材料应用的想象和创新空间,也可以拓展到其他的商用、民用行业,比如电信和5G行业相关的产品。

对于新的电池包产品概念的应用而言,一经应用短期可以实现减重和降本的目标,长期而言可以触发、建立、完善统一的车用动力电池规格标准,实现大规模和低成本制造,逐步促进形成全新的商业模式,实现充电和储能的革命。

“金辑奖”由盖世汽车发起创立,旨在鼓励针对中国汽车产业由大做强,促进中国汽车产业转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现汽车强国目标并做出积极贡献的企业和个人。欢迎点击报名参选!

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