一次灌注固化成型的一体式碳纤维车轮毂

放大  缩小 日期:2020-09-16     来源:PT现代塑料    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:【汽车碳纤维】采用订制纤维铺放技术和订制压机来生产新型的碳纤维车轮毂,可以最大程度地减少浪费并提高生产的可扩展性。ESE Carbon公司的E2复合材料车轮毂产品线是一次固化成型的一体式全碳纤维车轮毂(图片来自ES
汽车碳纤维采用订制纤维铺放技术和订制压机来生产新型的碳纤维车轮毂,可以最大程度地减少浪费并提高生产的可扩展性。
汽车碳纤维

ESE Carbon公司的E2复合材料车轮毂产品线是一次固化成型的一体式全碳纤维车轮毂(图片来自ESE Carbon公司)

通过减小转动惯量和组合质量(含汽车的车轮毂、悬架和不受悬架支撑的其他直接连接部件在内的簧下质量),碳纤维的车轮毂提供了一系列的优势,包括:转动惯量和簧下质量的降低幅度高达50%,通常情况下,这有助于以更低的能耗实现更快的加速,缩短制动距离,而且由于与路面的接触更好(机械抓地力)而改善了操控性并降低了噪声。

但是,碳纤维车轮毂(无论是混合材料的还是全复合材料的)的价格却是许多消费者难以承受的,最优惠的价格也超过了1万美元/每套,这使得这种车轮毂只能用于非常高端的跑车和豪华车辆。

美国ESE Carbon公司致力于为更广泛的汽车消费者提供碳纤维的车轮毂。为此,该公司组建了五轴数控精密加工团队,新增了先进的结构复合材料部件生产能力、订制的纤维铺放设备和实现自动化生产的机器人技术。

该公司计划在2021年推出一次固化的一体式全碳纤维复合材料车轮毂——E2产品系列。

该车轮毂仅重17磅,ESE将其设计为适用于额定重量3850磅的轴,这使它能够支撑额定总重量达6800磅的汽车。据该公司CEO Carlos Hermida介绍,能够承受同样重量的传统铝制车轮毂,其重量会超过30磅。

E2是一种基于普通运动美学设计的五辐轮毂,具有凹面、深碗的外观。

ESE Carbon公司使用了透明度良好的耐高温环氧树脂系统,可提供订制化的外观解决方案,包括透明光泽、透明哑光和订制颜色。

ESE Carbon公司对这款碳纤维车轮毂的认证方法,80%采取了美国汽车工程师学会(SAE)目前推荐的做法,这些方法适用于目前制造的所有车轮毂,包括金属的车轮毂。

此外,Hermida 表示,该公司很有可能依据美国汽车工程师学会刚刚批准发布的新的复合材料车轮毂推荐规程SAE J3204,对市场上第一个一体式的车轮毂进行认证。

与针对金属车轮毂的SAE推荐规程一样,这一针对复合材料车轮毂的新建议通过各种疲劳和冲击试验解决了耐久性问题,它还特别针对复合材料而增加了有关环境影响的新要求。

采用订制纤维铺放技术

ESE Carbon公司的车轮毂采用订制纤维铺放技术(TFP)制成,这项技术允许该公司以较快的节拍大批量地生产力学性能优良的碳纤维部件。

TFP的工作原理是,将纤维束排列铺放到结构性能所需的位置,并在一个兼容的基层上将它们缝合到位。这一制程取代了传统的将机织物裁剪成所需形状的方法。

该公司采用韩国Hyosung Advanced Materials公司提供的工业级别的碳纤维丝束和ZSK Stickmaschinen GmbH(德国Krefeld,以下简称ZSK)的TFP技术来缝合层,从而创造出近净形状的预成型件。

订制的纤维铺放:ESE Carbon公司采用ZSK Stickmaschinen GmbH的订制纤维铺放技术(TFP)制造碳纤维车轮毂(图片来自ESE Carbon Co.)

当缝合成所需形状时,通过控制丝束路径,可以将材料只铺放到最终的预成型件需要它的地方。没有缝合的,只是传统的叠层设计中需要被剪掉的织物面积。由于能够符合复杂的形状,因此这一过程减少了将机织物切割成形时所产生的早期废物以及后处理造成的浪费。

在采用TFP技术之前,最初使用的是传统的碳纤维织物。TFP技术的使用使该公司减少了50%的层数,从而创建了一个简化的铺层过程并最大程度地减少了浪费。

采用TFP技术,碳纤维废料从使用传统碳纤维织物时的大约40%减少到目前的10%以下。此外,这项技术还改善了铺层质量,优化了纤维取向并增加了设计的灵活性。

航空级别的丝束:ESE Carbon公司的E2车轮毂采用了Hyosung Advanced Materials公司提供的碳纤维丝束(图片来自ESE Carbon Co.)

“在我们的辐条中有许多弯曲,这使铺层(叠层)复杂化。采用传统织物,碳纤维叠层的取向会受到限制。”Hermida解释道,“但采用TFP,使得在任何方向上创建直线或曲线图案的能力几乎不受限制,从而能够设计出经过优化的叠层。与采用传统织物相比,能更有效地管理载荷和应力。”

对叠层的改进使得ESE Carbon公司显著降低了成本。在切换成TFP之前,铺层对于该公司而言是一大生产瓶颈。使用TFP后,减少了叠层层数,提高了效率,使得铺层时间缩短了近50%,这样,每副模具每天可以生产出更多的部件。

完全灌注、一次固化的轮毂

除了投资TFP技术外,ESE Carbon公司还采用了一种专有的压缩树脂传递模塑成型(RTM)工艺来生产E2,所用的订制压机由该公司的工程团队设计。

Hermida表示,实现一个完全灌注、一次固化的轮毂充满了挑战,这其中的一个关键部分是选择正确的树脂系统。

“我们需要一种高度透明的快速固化系统,它必须性能稳定、黏度低且玻璃化转变温度(Tg)高。”Hermida说道。

为此,该公司选用了亨斯迈先进材料的Araldite作为其环氧树脂系统原料。该树脂系统提供了所需的低黏度,可以实现更快速的浇注以浸润纤维使其便于加工,同时还能灵活地适应不同的模具条件和节拍时间。

利用Araldite树脂系统,ESE Carbon公司提高了生产效率,增强了轮辋强度,即使车轮毂处在制动带来的高温环境中也同样如此。

 

与同样拥有高玻璃化转变温度(高达200℃)的传统环氧树脂相比,Araldite树脂系统的延伸率和断裂韧性更高。该系统可在模内中温固化,然后有选择性地在模外进行高温后固化,这样就能缩短在模内的停留时间,确保最终获得的轻质复合材料轮辋具有良好的耐疲劳性能,这对于车辆运行过程中暴露在反复循环/压力状态下的车轮毂而言,是确保其耐久性的关键。

持续提升自动化水平

ESE Carbon公司计划在2020年第一季度对E2车轮毂进行路试,并将于2020年晚些时候交付用于后市场的车轮毂。该公司表示,其已开始与一些OEMs展开交流。随着E2的上市,问题又回到了成本上。

“碳纤维车轮毂的制造有许多独特之处。虽然我们现在采用了自动化技术,但为了将车轮毂的价格降到理想的价位,我们仍需要大量地订制开发自动化技术。”Hermida表示。

随着对TFP技术的应用,ESE Carbon公司在提升生产的自动化水平方面取得了很大进步,甚至还实现了车轮毂后处理加工的自动化。目前,该公司正在利用机器人来努力提升诸如修边、叠层的拾起放置以及预成型等操作的自动化水平。

该公司的初始目标是,以低于9900美元的价格提供4个一套的E2车轮毂。虽然这依然很贵,但却代表了该公司朝着正确的方向迈出了一步。总之,该公司的自动化项目将有助于消减成本。

“这只是个起点。”Hermida表示,“我们的目标是接近锻铝车轮毂的价格。”类似的锻铝轮毂价格在5000~7000美元之间。

 

 
 
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