三維材料混合技術

　　近年來，輕量化已成為汽車行業的關鍵詞，汽車制造商不斷嘗試新方案來減輕車輛重量。其中，創新的結構設計就是一種重要的方法。目前，傳統的純鋼制結構已逐步淘汰，混合材料結構越來越多的被采用。鋁、鎂、鋼、塑料等不同材料的組合將更有針對性的實現性能的提升和重量的減輕。
　　
　　對于需要承受高應力的碰撞結構件，純金屬結構已逐漸被淘汰。特別是對于新能源汽車，需要創新動力系統設計，以抵消電池帶來的整備質量增加，滿足碰撞安全要求，同時最大化電池安裝空間。為此，保時捷、德國Mitras、薩克森（德國）的輕量化設計中心（Leichtbau-Zentrum Sachsen，LZS）和德累斯頓技術大學的輕量化工程和聚合物技術研究所（ILK）聯合開展了“三維材料混合應用技術”項目，該項目由S?chsische Aufbaubank（SAB）贊助。旨在將先進的材料混合方案應用于車身結構件的開發中，例如圖1所示的混合材料車身A柱?！　?img src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/2c7f8fb544f84d97a4ebe04e9bea1f0b.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/2c7f8fb544f84d97a4ebe04e9bea1f0b.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/2c7f8fb544f84d97a4ebe04e9bea1f0b.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-initial-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/2c7f8fb544f84d97a4ebe04e9bea1f0b.png" alt='混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證的圖1' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />
 　　目前，行業已有將金屬型材與纖維增強復合材料兩種材料混合應用的案例，如圖2。第一種注塑成形部件截面穩定性較好，但整體結構穩定性較差；第二種結構擁有金屬邊緣，其優勢是可以通過點焊、鉚接等常見方式進行連接，但其截面穩定性較差；第三種纖維增強復合材料設計具有較好的穩定性，但整體的剛性較差。同時復合材料的設計需要采用膠粘連接，批量化生產時傳統裝配線需要進行較大的改動?；谌S材料混合技術開發的第四種結構，采用熱成型鋼或冷軋鋼板+有機纖維板局部增強+長纖維增強脊結構實現橫截面穩定?！　?img src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/047fe2d0ab54455ca9deffa55297e7b9.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/047fe2d0ab54455ca9deffa55297e7b9.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/047fe2d0ab54455ca9deffa55297e7b9.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-initial-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/047fe2d0ab54455ca9deffa55297e7b9.png" alt='混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證的圖2' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />
 　　將該結構應用于B柱的輕量化設計中，與傳統B柱相比，部件數量顯著減少，重量降低14%，能量吸收能力提升25%。
　　
　　三維材料混合結構成型工具
　　
　　為實現鋼板、玻纖增強有機板、長纖維模壓復合材料混合結構的加工，2013年Siebenwurst開發了一種用于沖擊擠壓加工的特殊模具，并在ILK工藝開發中心的項目中投入使用，如圖3。上部有多個氣動夾具，確保壓制過程中鋼板的可靠定位。下部設有多個元件，液壓系統可確保將有機板定型和壓制到鋼制外殼中；密封框架可防止熱塑性化合物在擠壓過程中出現泄漏；待模具內塑料凝固后，可以使用頂針部件實現脫模。
　　
　　目前，該模具已成功實現自動化生產試驗。研究人員將對模具進一步調整以實現產品部件的品質穩定?！　?img src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/84426039549b448c9c6b69b690a34ff7.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/84426039549b448c9c6b69b690a34ff7.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/84426039549b448c9c6b69b690a34ff7.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-initial-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/84426039549b448c9c6b69b690a34ff7.png" alt='混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證的圖3' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />
 　　熱塑性注塑成型的三維混合技術
　　
　　為進一步提升產品穩定性和實現成本效益，2015年七家工業公司（Porsche, Volkswagen, Siebenwurst, Mitras Composites, ESI, Trumpf, Hengstmann Solutions）和三家德國研究機構（TU Dresden’s ILK, University of Stuttgart’s IKT and the Bavarian Laser Center）聯合開展了“Q-Pro”項目，制定了多項優化目標。如針對有機增強材料和金屬外殼的粘接工藝進行優化，嘗試了激光處理表面，以提升粘接效果。
　　
　　這就是為什么在后續項目中，所獲得的專業知識將用于在組件質量，再現性和成本效益方面進一步改進三維混合技術。為此，2015年，七家工業公司（保時捷，大眾，Siebenwurst，Mitras復合材料，ESI，Trumpf，Hengstmann解決方案）和三家德國研究機構（德累斯頓工業大學ILK，斯圖加特大學IKT和巴伐利亞激光中心）齊聚一堂關于Forel聯合項目“Q-Pro”的研究聯盟的一部分。該小組專注于許多不同的目標。對于有機增強材料與金屬板殼體的工藝集成粘合，還研究了激光結構化表面的使用以及牢固結合的溶液。為了最大限度地減少未來的開發工作并提高組件質量，還建立了一個端到端的流程鏈，并對三維混合生產過程的模擬和實驗映射進行了廣泛的研究。
　　
　　項目組以混合設計A柱為例進行了工藝優化，如圖4。Siebenwurst開發了大型三維混合結構模具，將原始擠壓成型工藝改為注塑成型。通過與保時捷的密切合作，以及合作伙伴（ILK，VW和ESI）的工廠進行持續的流程模擬，實現了設計及工藝的完善?！　?img src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/0bd964e5fd5045a18b5594041b25f52e.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/0bd964e5fd5045a18b5594041b25f52e.png?image_process=/format,webp/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/0bd964e5fd5045a18b5594041b25f52e.png?image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/0bd964e5fd5045a18b5594041b25f52e.png" alt='混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證的圖4' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />
 　　注塑工具組件在ILK的工藝開發中心生產，為了向成型工具注射熱塑性熔融化合物，Siebenwurst開發了一種模塊化熱流道系統，可用于各種不同的工具，如圖5所示?！　?img src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/5f5a4ce1a20b47418f61fb12c1adbce1.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/5f5a4ce1a20b47418f61fb12c1adbce1.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/5f5a4ce1a20b47418f61fb12c1adbce1.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-initial-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/5f5a4ce1a20b47418f61fb12c1adbce1.png" alt='混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證的圖5' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />
 　　無論是基本輪廓還是A柱，在設計模具時，上游金屬成形工藝中金屬鈑金的公差是一個重要挑戰。如果不能充分適應與指定金屬板公差的偏差，則可能導致對工具造成代價高昂的損壞并降低部件質量。例如，尺寸過小的金屬板殼會導致工具磨損增加，因為殼體在注射和保壓過程中變寬。在部件脫模之后，還存在鋼板彈回的風險，并且部件中的張力會導致注塑成型的脊結構的松動。
　　
　　金屬板殼通過三個液壓緊湊夾具固定在上部工具中，如圖6所示。緊夾具的位置即鋼板固定的位置，由傳感器監控。機器人處理機構上的相機系統還將在合模之后對殼體的位置進行檢測。　　
 　　為實現有機薄板的精確定位，在工具下部安裝了四個帶有圓錐形尖端的固定銷，如圖7。為了確保這些固定銷以及疊加的有機板通過工具閉合運動緩慢地縮回而不是突然縮回，在工具中安裝了四個氣體壓縮彈簧，使得其輕柔滑動，有機薄片垂褶平滑?！　?img src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/9eea4d3c5a5d43149455412a361c9a84.png" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/9eea4d3c5a5d43149455412a361c9a84.png?image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_400" data-pc-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/9eea4d3c5a5d43149455412a361c9a84.png?image_process=/format,webp/quality,q_40" data-initial-src="https://img.jishulink.com/201812/imgs/9eea4d3c5a5d43149455412a361c9a84.png" alt='混合多材料（鋼/塑/有機材料）車身A柱輕量化開發與驗證的圖7' referrerpolicy='origin-when-cross-origin' />
 　　為了對成品部件進行脫模，將套筒噴射器安裝在脊的交叉點處。此外，為了綜合控制產品實例穩定性，安裝了一系列不同的傳感器，以捕獲整個工藝鏈中各個工藝階段的工藝參數。同時，還在腔體內安裝了壓力和溫度傳感器以獲得填充和冷卻過程中的溫度和壓力數據。
　　
　　小結
　　
　　未來的新能源汽車的外觀結構件需要具有高結構應力的創新解決方案，而三維材料混合技術可在滿足剛性要求的前提下，還可保持最大安裝空間，以及滿足碰撞法規要求。除了材料和結構設計，成型工藝及模具也是必不可少的部分。全面的解決方案才能確保產品的質量穩定性和實現大批量生產，三維材料混合技術項目提供了一個新思路。