汽车行业复合材料零件制造技术进展

杨锦华

摘要：截止到2018年6月底，全国机动车保有量达到3.19亿辆，如此众多的汽车带来了严重的能源消耗与环境污染问题。汽车轻量化是降低能耗，减少排放最有效的措施之一。研究表明汽车质量每减100kg，可节省燃油 0.3-0.5L，减少 CO2排放8-11g，加速性能提高8-10%，制动距离缩短2-7m[1]。汽车轻量化可以使用复合材料。将复合材料应用于汽车行业，一方面需要对依据复合材料的性能特点进行更好的设计，另一方面选择合适的技术制造复合材料汽车零件显得尤为重要。从现有的复合材料制备技术中，选取已经应用于汽车行业的树脂传递模塑工艺、缠绕工艺以及真空辅助树脂灌注工艺的研究现状进行了综合评述。并对未来汽车行业复合材料零件制造技术的低成本化提出参考意见。

Abstract： By the end of June 2018， the number of motor vehicles in China had reached 319 million， which has caused serious energy consumption and environmental pollution. Vehicle lightweight is one of the most effective measures to reduce energy consumption and emissions. Studies show that for every 100kg of vehicle mass reduction， fuel saving is 0.3-0.5L， CO2 emission reduction is 8-11g， acceleration performance is improved by 8-10%， and braking distance is shortened by 2-7m[1]. Lightweight cars can be made of composite materials. To apply composite materials to the automobile industry， on the one hand， it is necessary to design better according to the performance characteristics of composite materials， and on the other hand， it is particularly important to select the appropriate technology to manufacture composite automobile parts.From the existing composite material preparation technologies， the research status of resin transfer molding technology， winding technology and vacuum-assisted resin filling technology which have been applied in automobile industry were reviewed. The paper also gives some Suggestions on the future low-cost manufacturing technology of composite parts in automobile industry.

关键词：复合材料零件;汽车;制造技术

Key words： composite parts;car;manufacturing technology

1  复合材料在汽车行业的应用

复合材料是由两种或两种以上物理性质与化学性质不同的物质，通过某种加工方式而制成的新的固体材料[2]。复合材料问世后，高昂的成本及较难的技术要求，限制了它的广泛应用，初期仅应用于航空航天领域。1953年，美国Ford公司制造出全世界首台复合材料车身的赛车，复合材料首次应用于汽车行业。

此后美国Ford公司及欧洲研究机构均对碳纤维复合材料在汽车行业的应用进行了研究及尝试。2011年，宝马公司于法兰克福车展，首次发布i3电动概念车和i8混动概念跑车，碳纤维复合材料在汽车上应用达到一个新的高度，同时在汽车行业又掀起了一阵研究复合材料应用的热潮。

传统的汽车材料为高强度钢，使用时间最长，工艺成熟，但其高密度使得汽车重量久高不下，不利于对汽车进行减重。而碳纤维复合材料的密度仅为高强度钢的三分之一，将其用于汽车中，可有效進行轻量化。复合材料具有可设计性和各向异性，可根据汽车不同部位所需性能选择不同的基体与增强体，选择空间大，提高材料利用率;复合材料和其构件同时成型，免去了金属材料前期各种加工过程，且同时复合材料可对车体的各个生产制造过程进行整合与优化，提高零件制造效率。

现今，汽车车身、引擎盖、车门、轮毂、板簧等零件上均已成功使用复合材料代替金属材料，使用性能表现优异，各高档豪华车品牌也都将复合材料用与汽车生产中，兰博基尼、布加迪威龙、奥迪R8、宾利等一系列车型都使用了碳纤维复合材料作为车身材料[3-6]。

2  汽车行业复合材料成型技术

复合材料的成型技术有手糊成型、热压罐成型、液态成形、模压工艺、缠绕工艺等。本文介绍已经应用于汽车行业零件制造的树脂传递模塑工艺、缠绕工艺以及真空辅助树脂灌注工艺。

2.1 树脂传递模塑工艺

树脂传递模塑工艺，英文简称RTM工艺，是指在一定温度和压力下，把低粘度的树脂注入到预先铺覆好增强纤维的模具中，然后固化成型的一种复合材料成型方法，于1940年由欧洲Macro公司开发，属于复合材料液体成型技术。上世纪60-70年代，受制于树脂、纤维及模具，发展较为缓慢。进入80年代，随着原材料工业发展，尤其是纺织复合材料技术进步，树脂传递模塑工艺逐步成熟和完善，得以大力推广。树脂传递模塑工艺中，使用双面模具进行制造，制件表面质量好，精度高，尺寸稳定。2018年北京车展中，康得复材展示了使用树脂传递模塑工艺制造的碳纤维复合材料引擎盖，其分别制造引擎盖的外板和内板，中间加入泡沫夹心后，使用结构胶黏剂进行粘接后完成引擎盖的制造，比原金属引擎盖减重约30%。另外奇瑞A5的行李箱内板，奥迪A6的行李箱盖、发动机罩板，兰博基尼的超级跑车车厢，江铃轻卡系列的侧防护板，备胎箱等，均使用树脂传递模塑工艺制造。

2.2 真空辅助树脂灌注工艺

树脂传递模塑工艺中，需要双面模具，且在合模之后需要较高的压力，对模具要求较高，一般使用钢制模具，同时需匹配相应的注射系统以及大吨位压机，如果成型较大零件，则需要的模具等规格也需要增大，成本较高。因此一般小型汽车构件在前期验证和大型客车车身制造时，使用真空辅助树脂灌注工艺。

真空辅助树脂灌注工艺，英文简称VARI（Vacuum Assisted Resin Infusion）工艺，其原理与树脂传递模塑工艺原理相近，仅需一面光滑硬质（钢材、玻璃钢等）模具，在模具上方铺覆预成型体及塑料真空袋，利用真空泵将预成型体中的气体抽出并压实，同时利用真空负压将树脂抽入预成型体，通过真空压下树脂的缓慢流动，实现对纤维织物的渗透浸渍。浸渍完成后，再按照树脂的固化工艺进行保压固化，完成复合材料构件的制造。真空辅助树脂灌注工艺成本更低，不需要匹配专业注射机及大吨位压机，只需单面模具且对模具要求也低，操作简便，成型质量较好，可为树脂传递模塑工艺及高压树脂传递模塑工艺进行前期制造论证。但是整体制造时间较长，效率较低，多用于制造大型零件诸如客车车身、轨道交通等。

2.3 缠绕工艺

缠绕成型技术是将纤维通过树脂浸润后成型在芯摸上，在常温或者高温下进过旋转固化得到复合材料零件的一种制造技术。一般来说，使用缠绕成型技术制造的构件是标准的回转体，便于纤维更好的进行铺贴，压力容器居多。缠绕成型过程中，纤维逐步缠绕在旋转的回转体模具上，模具可在零件制造完成后脱出进行重复使用，降低成本，也可作为成型后零件的一部分，节省脱模的时间。

随着中国制造2025计划的提出，国内工业领域掀起了智能化、自动化的改革。现今大部分的纤维缠绕机使用智能化控制技术，逐步的迭代升级。国内众多公司纷纷针对纤维缠绕技术的相关设备及理论研究进行攻关，成果丰硕，部分技术已经领先国外公司。目前在汽车领域，传动轴和公交车的CNG高压气瓶等使用缠绕成型技术进行制造，性能可靠。

3  汽车行业复合材料零件制造技术现状

复合材料零件整体成本中，原材料的成本仅占不到百分之二十，剩余的百分之八十均为制造过程的成本。现今，复合材料无法在汽车行业进行大规模的应用，实现对金属材料大量替换的主要原因就是其成本居高不下。因此为有效降低复合材料零件的成本，一方面升级原材料诸如纤维和树脂的生产技术，降低成本;另一方面可针对制造技术进行升级，降低制造过程的成本。针对降低制造过程的成本，本文提出了以下几种方式。

3.1 复合材料制造整体化

复合材料零件制造中，设备成本占总成本很大比例，因此，为提高设备的利用率，可开发一次性整体成型技术。针对汽车结构设计，摆脱金属结构的影响，根据复合材料的性能特点进行设计，整合各部分，降低零件数量，减少加工过程，可有效降低成本。

3.2 复合材料模具使用模块化

汽车零件复合材料制造技术中，模具的成本同样高居不下。模具可由金属、陶瓷、玻璃钢和塑料等材料制成。一般模具由模具基座和成型模具组成。树脂传递模塑工艺及高压树脂传递模塑工艺中，对模具要求较高，成型模具为金属。为有效降低模具成本，可将原来整块模具进行模块化制造与使用，针对模具不同位置的性能要求，使用不同的材料，同时结合到汽车零件形状的设计，尽可能的减少模块化模具的数量，提高每个模块的利用率，使用模具模块可以组合成更多的零件进行制造，降低模具的成本。

3.3 复合材料制造技术智能化

复合材料相应的理论还不完善，使得前期实验与调试需要消耗大量的人力物力，同时人为因素也在一定的程度上影响着结果的准确性与可信性。因此可结合仿真分析、人工智能、VR虚拟现实等技术，对复合材料制造技术进行前期验证与指导，降低实际实验次数，减少人为因素影响，提高零件制造效率，有效降低成本。

4  总结与展望

未来汽车的节能减排将会面临越来越严苛的局面，新能源汽车的发展成为未来汽车行业的主要方面。针对汽车进行轻量化一方面可有效提高新能源汽车的续航里程，另一方面也可降低燃油车的尾气排放，提高能源利用率，汽车轻量化刻不容缓。复合材料可有效的降低汽车重量，将会在汽车行业进行大量的使用。明确汽车行业复合材料零件的制造技术，以及更好的降低复合材料零件制造技术的成本将对未来复合材料在汽车行业的发展产生重要的作用。

参考文献：

[1]European Aluminium Association.Aluminium in cars [J].Eur Aluminium Association， 2008.

[2]凌靜，等.复合材料部件在汽车轻量化中的应用[J].现代零部件，2013（02）：34-37.

[3]Tham C.Y. Ballistic impact of a KEVLARs helmet： Experiment and simulations [J]. International Journal of Impact Engineering 35 （2008） 304-318.

[4]Song S.H. Experimental and Numerical Investigation on Impact Performance of Carbon Reinforced Aluminum Laminates [J]. J. Mater. Sci. Technol.， 2010， 26（4）， 327-332.

[5]Luo R.K. Impact damage analysis of composite plates [J] International Journal of Impact Engineering 22 （1999） 435—447.

[6]Ik-Hyeon Choi. Low-velocity impact analysis of composite laminates under initial in-plane load [J] Composite Structures 86 （2008） 251-257.