碳纤维零部件大批量生产的生产线设计

文/袁国，徐国强，徐汉·东风设计研究院有限公司

汽车材料产业的规律是，当一种材料垄断已经形成，后来者就很难完全颠覆，只有等待下一次产业革新的浪潮。如今，随着电动汽车时代的加速到来，为了满足同样电池数量的电动汽车行驶更远的距离，或者同样续航里程的电动汽车安装更少数量的电池，因此使得碳纤维复合材料在电动汽车上的应用前景更为广泛。

碳纤维材料的大规模使用将改变传统汽车行业。“如果说福特创建流水线生产，是汽车行业的第一次革命，那么碳纤维+新能源可能是第二次汽车革命”。碳纤维生产的车身不需要传统的冲压、焊接、涂装工艺，而是变成了模压成形、粘结、涂装或塑料外壳。轻量化碳纤维车身如图1所示。

一个全新的、充满想象空间的汽车车身用材料市场正在开启，碳纤维复合材料正迎来一个前所未有的历史黄金期。

图1 轻量化碳纤维车身

工艺要求

碳纤维在航空航天、军工及风电行业应用较多，由于这些行业相对特殊，对产能要求不高，决定了碳纤维原有的成形工艺不能满足大批量的生产，这给汽车产业的应用带来很大的挑战。

传统的碳纤维成形工艺（例如手糊、热压罐、袋压等工艺）均无法保证产品的连续性生产，且上述离散型的生产方式造成产品性能质量、产品一致性无法保证、人力资源投入大、生产效率低等一系列问题，无法满足汽车工业的需要。

传统的碳纤维成形技术只有满足汽车行业生产节拍短、生产效率高、制造质量稳定可靠、单位生产成本低、配套环节成熟等要求，才能实现大规模应用。

目前，为满足碳纤维材料在汽车行业大批量应用，国外已经出现了能大大减少树脂注入和固化时间的树脂体系，为碳纤维的连续规模化生产创造了先决条件。国际上开发了HP-RTM成形工艺（图2），并应用于宝马量产车上，其通过预成形体、钢模，真空辅助排气，高压注射和在高压下完成树脂的浸渍和固化工艺，实现了低成本、短周期、大批量、高质量的生产。

因此，如何用HP-RTM工艺，设计一条能快速、连续、高效生产出性能稳定的碳纤维零部件的生产线，就显得尤为重要。

生产线设计

设计构思

该生产线在自动化方式的前提下，依据工艺流程及节拍，通过合理的布局，保证设备利用率，提高生产效率，实现整线的全自动快速连续生产。

将生产线上的预成形区和HP-RTM区布置在移动式机器人的导轨两侧，两条线上不同工序间，零件的上下料采用移动式机器人来实现，其中机器人轨道贯穿于整个工艺流线，使得整条生产线上中间零存储，从而实现了连续快速生产的作业方式。

设计方案

该HP-RTM连续生产线依流程设置开卷裁剪区、预成形区、HP-RTM区、修整区，还包括贯穿开卷裁剪区、预成形区、HP-RTM区，以及修整区的移动式转运装置，如图3所示。

⑴开卷裁剪区。由开卷机、裁剪机、扫码机、以及加热装置构成，整套设备沿生产线方向依次依序排列，碳纤维卷料开卷、裁剪、铺层后进行激光打码，来实现产品信息的可追溯性，加热装置通过式红外加热实现，加热后的铺层坯料通过AGV小车或移动机器人运送到预成形区。该区域均通过自动化设备完成，不需人工辅助作业。

图2 HP-RTM工艺流程图

图3 HP-RTM连续生产线示意图

⑵预成形区。预成形压机平行相对布置，压机之间留有机器人转运通道，移动式机器人开卷后的坯料放置在预成形压机内，制备预成形体，成形后的预成形体由移动式机器人转运到下一工序。

预成形的目的是为制造一个由织物增强材料制成的预制件，预成形体在加热加压下制备是为了保证在后续高压注入树脂的条件下，使预成形体能保持高的抗冲刷性。

⑶HP-RTM成形区。HP-RTM压机平行相对布置，其后方两侧分别设置注射机。通过移动式机器人将预成形体放入HP-RTM压机的模具内，闭合模具，在真空辅助排气的情况下，将专用树脂注入到闭模中浸渍预成形体，通过树脂系统以及部件的尺寸和工艺设计，按照合适的注射速度在一个闭环过程中，对树脂和固化剂进行精确计量，并在高压下进行混合，得到反应性混合物，固化完成后零件将被送往修整区冲孔修边。

⑷修整区。在转运通道两侧，分别布置修整区及零件存放区，通过移动式机器人将零件坯体放入修整区，进行激光切割，按零件的设计尺寸要求整形，并通过移动式机器人下线后，送往零件存放区，至此整个工艺流程完成。

设计要点

⑴采用流水线的方式设计生产线，改变了传统岛式布局方案，岛式布局能实现局部工序的自动化，但存在大量的物流转运环节。

⑵成形压机采用双开工作台方式，实现了快速换模，避免了需要等待作业事件的发生，也提高了整线的生产节拍。

⑶将该生产线占用工时较长的预成形区的预成形压机和HP-RTM区的HP-RTM压机设置为对称平行布置，采用了双线并行的设计，使得整条生产线设计精巧，结构简单，实现了碳纤维HP-RTM工艺工业化、规模化的生产方式。

⑷本设计综合考虑工艺进步对生产线的影响，依据快速固化树脂的发展趋势，树脂固化的时间越来越短，当高压成形固化的节拍匹配预成形的节拍时，也将实现单条线一个流的自动化连续生产方式。

结束语

此生产线的设计实现了碳纤维零部件从离散生产升级到连续批量化生产，为碳纤维在汽车工业大规模应用提供了技术支撑，也促进了碳纤维在汽车行业的快速发展。