车体制造新纪元BMW i系车型碳纤维技术

>文 吴中元

车体制造新纪元BMW i系车型碳纤维技术

>文 吴中元

车型轻量化技术是每个汽车制造商都不会忽视的研发重点，但真正敢于将前沿科技应用于大批量生产的量产车型，就不是每个制造商都有的魄力了。此时，革命性的车型往往会加速众多先进科技走入量产领域，比如BMW集团最新的i系电驱动车型。

BMW i3是BMW向市场推出的第一款电驱动量产车型，为城市内的交通提供了一种新的、注重可持续发展的选择。为了实现它至今为止独一无二的车体结构设计方案，不仅需要运用先进的轻质材料，而且还要采用创新的生产工艺。

BMW i3创新的车体架构由两部分构成：一个部分是由铝合金材料制成的、驱动车辆的“Drive模块”，其中集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件。另一个部分是碳纤维强化塑料（CFRP）制成、构成车厢主体的“Life模块”。由于采用了革命性的设计方案并使用了碳纤维强化塑料，与一般的汽车制造相比，BMW i3的生产时间缩短了一半。这种工艺并不需要很大的投资，因为取消了一般整车厂的冲压车间以及传统的涂装车间，并且Life模块和Drive模块的生产还可以同时进行。在BMW i系车型中的碳纤维强化塑料材料的使用规模，在目前全球汽车业中是绝无仅有的。

对于使用电驱动系统的车辆而言，轻量化车身设计具有非常重要的意义，因为除了蓄电池容量之外，车身重量也是限制续航里程的一个重要因素。车身重量越轻，续航里程也就越大。因此，为了抵消配备电气组件所带来的额外重量，BMW i系车型都必须采用这种轻量化车身设计和创新的材料。BMW i3的Life模块主要由碳纤维强化塑料（CFRP）制成，这种创新的材料是由一家合资企业——SGL汽车碳纤维(SGL ACF)公司生产的。

位于美国莫斯湖的SGL ACF公司，利用碳纤维原丝和热塑性聚丙烯腈纺织纤维生产出碳纤维材料。这种碳纤维的直径仅有7微米（人的头发丝直径大约为50微米）。然后，为了应用于汽车行业，将大约50 000根这种单纤维整合成“粗纱”，并将其缠绕起来用于下一步加工。

另一个合资企业位于德国瓦科斯多夫的创新工业园，在这里将莫斯湖工厂生产的纤维束按照工业标准加工成轻质的编织物。然后将不同纤维方向的编织物组合成多层的、不同朝向的碳纤维叠层，再进行裁剪。这就构成了在兰茨胡特和莱比锡的BMW工厂生产碳纤维强化塑料部件和组件所需的原材料。同时，碳纤维强化塑料下脚料在瓦科斯多夫工厂经过再加工，重新用于BMW i系车型的生产。目前，BMW i3所使用的碳纤维中大约10%来自回收材料。

在德国兰茨胡特和莱比锡的BMW创新和生产中心，将瓦科斯多夫工厂提供的碳纤维叠层加工成BMW i3和BMW i8的车身零件。首先，用一种加热工具使裁剪下来的碳纤维编织物具有稳定的三维形状。然后，多个这种预制的预成型坯件就可以组装成一个较大的部件。这样就可以生产出大面积的车身部件，这是用铝合金材料或钢板很难实现的。在预制和预成型之后，下一个工艺步骤就是利用树脂模塑（RTM）工艺在高压下进行树脂固化。此时，在高压下将液态树脂注射到预成型坯件中。首先使碳纤维与树脂连接起来，然后进行固化，从而使这种材料具有足够的刚性和优异的性能。经过十年间的不断研发，BMW专家已经成功地将碳纤维强化塑料部件的生产流程实现了自动化，从而使这种部件的大规模生产既经济、质量可靠，又工艺稳定。

在莱比锡工厂新建的车身制造车间，将碳纤维强化塑料复合组件拼合起来，这样就制造出Life模块的基本结构。由于BMW i3 Life模块的碳纤维强化塑料结构几何融合性高，其车身部件的数量只相当于普通钢制车身的三分之一，整个基本架构由大约150个碳纤维强化塑料组件组成。在使用碳纤维强化塑料制造车身时，既没有拧紧螺丝或铆接时所发出的噪声，也没有焊接时飞溅的火星，一切连接只使用最先进的黏合技术，并且实现了100%的自动化。BMW研发的独一无二的车身连接工艺，可以将各个部件在不接触的情况下精确拼合，以此保证最佳的车身刚性。

BMW i3是第一款完全采用塑料蒙皮的BMW车型。塑料件比钢板的重量轻了一半，同时是一种不受侵蚀的表面材料，其生产也非常节能。此外，这种材料对于轻微损坏也并不敏感，对于一款城市中行走的车型，特别是电动车来说，这无疑是绝佳的选择。

BMW i系车型碳纤维技术