混合多材料（钢/塑/有机材料）车身A柱轻量化开发与验证

　　三维材料混合技术

　　近年来，轻量化已成为汽车行业的关键词，汽车制造商不断尝试新方案来减轻车辆重量。其中，创新的结构设计就是一种重要的方法。目前，传统的纯钢制结构已逐步淘汰，混合材料结构越来越多的被采用。铝、镁、钢、塑料等不同材料的组合将更有针对性的实现性能的提升和重量的减轻。
　　
　　对于需要承受高应力的碰撞结构件，纯金属结构已逐渐被淘汰。特别是对于新能源汽车，需要创新动力系统设计，以抵消电池带来的整备质量增加，满足碰撞安全要求，同时最大化电池安装空间。为此，保时捷、德国Mitras、萨克森（德国）的轻量化设计中心（Leichtbau-Zentrum Sachsen，LZS）和德累斯顿技术大学的轻量化工程和聚合物技术研究所（ILK）联合开展了“三维材料混合应用技术”项目，该项目由Sächsische Aufbaubank（SAB）赞助。旨在将先进的材料混合方案应用于车身结构件的开发中，例如图1所示的混合材料车身A柱。 　　目前，行业已有将金属型材与纤维增强复合材料两种材料混合应用的案例，如图2。第一种注塑成形部件截面稳定性较好，但整体结构稳定性较差；第二种结构拥有金属边缘，其优势是可以通过点焊、铆接等常见方式进行连接，但其截面稳定性较差；第三种纤维增强复合材料设计具有较好的稳定性，但整体的刚性较差。同时复合材料的设计需要采用胶粘连接，批量化生产时传统装配线需要进行较大的改动。基于三维材料混合技术开发的第四种结构，采用热成型钢或冷轧钢板+有机纤维板局部增强+长纤维增强脊结构实现横截面稳定。 　　将该结构应用于B柱的轻量化设计中，与传统B柱相比，部件数量显著减少，重量降低14%，能量吸收能力提升25%。
　　
　　三维材料混合结构成型工具
　　
　　为实现钢板、玻纤增强有机板、长纤维模压复合材料混合结构的加工，2013年Siebenwurst开发了一种用于冲击挤压加工的特殊模具，并在ILK工艺开发中心的项目中投入使用，如图3。上部有多个气动夹具，确保压制过程中钢板的可靠定位。下部设有多个元件，液压系统可确保将有机板定型和压制到钢制外壳中；密封框架可防止热塑性化合物在挤压过程中出现泄漏；待模具内塑料凝固后，可以使用顶针部件实现脱模。
　　
　　目前，该模具已成功实现自动化生产试验。研究人员将对模具进一步调整以实现产品部件的品质稳定。 　　热塑性注塑成型的三维混合技术
　　
　　为进一步提升产品稳定性和实现成本效益，2015年七家工业公司（Porsche, Volkswagen, Siebenwurst, Mitras Composites, ESI, Trumpf, Hengstmann Solutions）和三家德国研究机构（TU Dresden’s ILK, University of Stuttgart’s IKT and the Bavarian Laser Center）联合开展了“Q-Pro”项目，制定了多项优化目标。如针对有机增强材料和金属外壳的粘接工艺进行优化，尝试了激光处理表面，以提升粘接效果。
　　
　　这就是为什么在后续项目中，所获得的专业知识将用于在组件质量，再现性和成本效益方面进一步改进三维混合技术。为此，2015年，七家工业公司（保时捷，大众，Siebenwurst，Mitras复合材料，ESI，Trumpf，Hengstmann解决方案）和三家德国研究机构（德累斯顿工业大学ILK，斯图加特大学IKT和巴伐利亚激光中心）齐聚一堂关于Forel联合项目“Q-Pro”的研究联盟的一部分。该小组专注于许多不同的目标。对于有机增强材料与金属板壳体的工艺集成粘合，还研究了激光结构化表面的使用以及牢固结合的溶液。为了最大限度地减少未来的开发工作并提高组件质量，还建立了一个端到端的流程链，并对三维混合生产过程的模拟和实验映射进行了广泛的研究。
　　
　　项目组以混合设计A柱为例进行了工艺优化，如图4。Siebenwurst开发了大型三维混合结构模具，将原始挤压成型工艺改为注塑成型。通过与保时捷的密切合作，以及合作伙伴（ILK，VW和ESI）的工厂进行持续的流程模拟，实现了设计及工艺的完善。 　　注塑工具组件在ILK的工艺开发中心生产，为了向成型工具注射热塑性熔融化合物，Siebenwurst开发了一种模块化热流道系统，可用于各种不同的工具，如图5所示。 　　无论是基本轮廓还是A柱，在设计模具时，上游金属成形工艺中金属钣金的公差是一个重要挑战。如果不能充分适应与指定金属板公差的偏差，则可能导致对工具造成代价高昂的损坏并降低部件质量。例如，尺寸过小的金属板壳会导致工具磨损增加，因为壳体在注射和保压过程中变宽。在部件脱模之后，还存在钢板弹回的风险，并且部件中的张力会导致注塑成型的脊结构的松动。
　　
　　金属板壳通过三个液压紧凑夹具固定在上部工具中，如图6所示。紧夹具的位置即钢板固定的位置，由传感器监控。机器人处理机构上的相机系统还将在合模之后对壳体的位置进行检测。 　　为实现有机薄板的精确定位，在工具下部安装了四个带有圆锥形尖端的固定销，如图7。为了确保这些固定销以及叠加的有机板通过工具闭合运动缓慢地缩回而不是突然缩回，在工具中安装了四个气体压缩弹簧，使得其轻柔滑动，有机薄片垂褶平滑。 　　为了对成品部件进行脱模，将套筒喷射器安装在脊的交叉点处。此外，为了综合控制产品实例稳定性，安装了一系列不同的传感器，以捕获整个工艺链中各个工艺阶段的工艺参数。同时，还在腔体内安装了压力和温度传感器以获得填充和冷却过程中的温度和压力数据。
　　
　　小结
　　
　　未来的新能源汽车的外观结构件需要具有高结构应力的创新解决方案，而三维材料混合技术可在满足刚性要求的前提下，还可保持最大安装空间，以及满足碰撞法规要求。除了材料和结构设计，成型工艺及模具也是必不可少的部分。全面的解决方案才能确保产品的质量稳定性和实现大批量生产，三维材料混合技术项目提供了一个新思路。