奧迪碳纖維復材預研發(fā)階段所面臨的難題

然而，鋼材和鋁材仍受到汽車行業(yè)的青睞，復材的成長還需要時間和業(yè)內(nèi)同行的努力，因為其面臨以下挑戰(zhàn)：復材結構復雜，由于這類復材由纖維材料與其他材質(zhì)混合而成，這意味著要實現(xiàn)所需的性能參數(shù)，當前的設計及模擬實驗還面臨很多難度。

不同于鋼材及鋁材，復材尚未實現(xiàn)標準化作業(yè)生產(chǎn)，這意味著其生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)周期更長。盡管各大車企積極致力于汽車輕量化，竭力減輕車重。為此，奧迪愿意抓住這一機遇，重點研發(fā)碳纖維復材。

如今，首先要面對的問題是：奧迪應從何種入手？

目前最普遍的做法就是從小批量應用開始，逐步實現(xiàn)高速量產(chǎn)，這從各車企的產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略中就可以清楚地感受到。在最近的7年里，奧迪就是這樣操作的。公司的研發(fā)工作始于其模塊化跑車系統(tǒng)（Modular Sports-Car System，MSS），公司將該車身框架設計應用到奧迪R8 Coupe、奧迪R8 Spyder、奧迪R8 LMS（賽車）及蘭博基尼Huracan等眾多車型中，蘭博基尼Huracan是一款兩座式跑車，其采用了后置發(fā)動機的設計布局。

奧迪將MSS作為一款工具，旨在將先進的碳纖維復材應用到白車身（body-in-white，BIW）中，從而減輕車重并提升車輛的性能。隨著車輛電氣化的不斷推進，奧迪更堅定了這一構想。奧迪輕量化設計中心碳纖維復材（CFRP）技術研發(fā)專員David Roquette表示，第一代奧迪R8車型采用了鋁材，但奧迪決定在第二代R8中采用MSS項目所研發(fā)的碳纖維復材。

那么，第二個問題是：碳纖維材料將被應用到哪個車身部件中呢？

Roquette表示，奧迪耗費了三年時光，對白車身進行了多次研發(fā)及評估，最終找到了答案。他與同事利用公司內(nèi)部研發(fā)的優(yōu)化軟件包，對白車身的23項載荷工況（load cases）進行了識別，隨后再加以區(qū)分。然后，他們對各個白車身部件施加了各向異性應力（anisotropic stresses），將數(shù)值設置到最大值，然后再從中找到了最適合采用碳纖維復材的部件。

Roquette指出：“然而，應力只是其中的一項因素，經(jīng)濟性也很重要。奧迪在制造碳纖維材料時能否兼顧到上述兩點嗎？奧迪擁有碳纖維復材制造所需的技術嗎？成本及重要方面能取得改進及成功嗎？”隨著研發(fā)工作的不斷推進，奧迪的研發(fā)人員漸漸找到了符合上述標準的車用零部件——以傳動軸通道（driveshaft tunnel）及（轎廂）后壁（rear wall）。后壁的作用在于將乘客艙（passenger compartment）與后發(fā)動機艙（rear engine compartment）隔開。據(jù)Roquette透露，2016款R8 Spyder和Coupé車型的后壁均采用了碳纖維復材，從而大幅提升了扭應力（torsional stress）及車輛的剛度（vehicle stiffness），還實現(xiàn)車身減重。

載荷工況的設計工作

Roquette的同事Felix Diebold表示，當奧迪復材研究中心首次關注上述的23種載荷工況時，公司正尋找新機會，希望利用碳纖維復材增強白車身的扭應力，同時減輕其重量，從而提升車輛的總體強度及乘客的安全性。于是，奧迪的設計工程師們將單向碳纖維織物加強件（woven carbon fiber fabric reinforcements）與快速硫化環(huán)氧樹脂體系（fast-cure epoxy resin system）相結合。

Diebold表示，奧迪希望R8 Spyder的部分復材部件能采用泡沫夾層結構（foam-cored sandwich construction），特別是B柱填充物及后壁這兩個部件。Roquette表示，奧迪采用泡沫夾層，其旨在減少各結構件、B柱填充物、強化件（consolidate part）中碳纖維的用量，同時提升其強度及剛度。

當奧迪R8 Spyder的車頂收起后，該款車型就變了一輛敞篷車。因此，強化B柱的性能就顯得至關重要了。在非敞篷模式下，其底盤的穩(wěn)定性及剛度取決于車門、車頂梁（roof frame）等部件的剛度及強度。在敞篷模式下，車門等部件更是要確保所需的穩(wěn)定性及剛度。

奧迪希望采用樹脂傳遞模塑（resin transfer molding，RTM）工藝，向被碳纖維包裹的泡沫材料中注入環(huán)氧樹脂。Diebold回憶道，該計劃的主要難題在于尋找一種易操控的內(nèi)層芯材（core material），且該材料既不能太重（密度為100-150 kg/m3），也不能太輕。否則，在RTM加工過程中，該材料易被壓碎。

奧迪最終敲定了一款全新方案，采用了基于聚甲基丙烯酰亞胺（polymethacrylimide，PMI）的泡沫，屬于市面上相對較新的一款產(chǎn)品。Diebold表示：“該材質(zhì)不易被壓碎，易于處理。當時還嘗試了其他芯材，但存在受熱、成本或其他限制因素，最終無法采用該材料。”

他補充道，可采用模塑對泡沫材料加工成各種3D形狀，實現(xiàn)凸起件、嵌入件（inserts）及其他金屬部件的一體化。在對復材泡沫芯材進行加工時，無需進行機加工及研磨。此外，據(jù)Diebold稱，聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）材料擁有均質(zhì)芯材結構（homogenous cell structure），可耐受液壓靜力（hydrostatic testing）試驗。

超快速樹脂傳遞模塑的研發(fā)之路

最后一項研發(fā)難題在于：RTM工藝的精整（refinement），奧迪期望利用新工藝將各類材料融合到一起。相較于奧迪的研發(fā)目標，上述工藝精整顯得頗為瑣碎，最終，奧迪決定將該項工作移交給了一家一級供應商，由其負責相關的生產(chǎn)工作。

Roquette表示，高壓樹脂傳遞模塑（HP-RTM）成為汽車復材制造商的寵兒，盡管奧迪也曾考慮過是否要采用該工藝，但其注塑壓力高達120-bar。若注入點的壓力較高，會對泡沫芯材的一體性造成影響，奧迪并不想在性能上做出妥協(xié)。于是，公司尋求新方法，期望在降低注塑壓力的同時確保生產(chǎn)周期不會被拖長。

這看似是一項無可能實現(xiàn)的任務，直到奧迪與致力于模壓傳感器（mold cavity pressure sensors）研發(fā)工作的研發(fā)機構取得聯(lián)系后，該難題才得到解決。雙方對RTM工藝中的（fine-tune）了注塑壓力、壓縮力（compression force）及模具間隙進行了精準調(diào)整（微調(diào)），從而進一步優(yōu)化了該模塑工藝。

Roquette表示，奧迪與這類研究機構合作。據(jù)測試驗證，在進行模塑工藝期間，若磨腔壓力（cavity pressure）是一項基本控制變量（governing and primary variable），那么模具間隙高度及壓縮力或許是一個可調(diào)節(jié)的中等值，可調(diào)整該數(shù)值，從而確保生產(chǎn)周期盡可能地快。即使無法做到很快，但至少也要比高壓RTM工藝快很多。為此，奧迪將該工藝命名為超快速樹脂傳遞模塑（ultra-RTM）。

對于奧迪R8 Spyder的夾層結構（sandwich structures），注塑壓力不超過40 bar，最大模塑間隙可達0.6毫米，最大壓縮力可達500 MT，而模具溫度不得超過123℃。憑借該項新工藝，注塑時間可縮短至15秒，而整體生產(chǎn)周期時間可控制在5分鐘以內(nèi)。這意味著零部件的加工可采用體積較小、價格相對便宜的壓縮機，且能耗較低，不會對芯材的一體性造成威脅（不易被壓碎）。

新工藝向制造商的推廣應用之路

Roquette表示，當奧迪首次打算為MSS制造復材零部件時，公司所制定的首個生產(chǎn)策略是與歐洲汽車復材加工商開展合作，因為后者或許擁有所需的產(chǎn)能及專業(yè)技術，可高效而快速地設計并制造奧迪所需的零部件。然而，奧迪最終還是決定自行研發(fā)這類復材及相關的加工技術。

Roquette表示：“據(jù)我們所知，若奧迪真的想要在復材領域取得技術突破，首先奧迪的研發(fā)人員務必要精通該領域的技術，其次，務必要采用自主研發(fā)。奧迪擁有一支規(guī)模超大的研發(fā)團隊，所有人都在日復一日地花精力鉆研該項目。”

等到奧迪材料及工藝的自主研發(fā)取得成果，并將其成果轉交給負責實際生產(chǎn)的兩大歐洲復材供應商時，對方也對覺得該合作所涉及的技術與產(chǎn)品均存在不確定性。Roquette表示：“因為這并非是奧迪從開放市場上購得的（成熟）技術。奧迪挑選的供應商也生產(chǎn)過這類材料，擁有多年的生產(chǎn)技術經(jīng)驗。然而，奧迪轉交的自主研發(fā)技術與供應商所采用的技術截然不同。對于該項新技術，供應商方面有點難以接受。”

他還說道：“為此，奧迪為供應商提供了相關的技術展示，告知其新技術的應用方法。最終，奧迪說服了供應商，由后者負責這類零部件的生產(chǎn)，供應商為此也承擔了許多風險。作為一家車企的供應商，要做到這一點確實很不容易。”

成本居高制約制造 奧迪繼續(xù)探索新工藝

然而，該技術研發(fā)及應用并未止步于2016款R8 Spyder。2017年，奧迪引入了一款四座豪華車奧迪A8，該款車型采用了碳纖維復材后壁及后窗臺板（upper rear shelf），上述兩款部件都采用了碳纖維復材，也都采用了超快速RTM工藝。

Roquette表示：“體積越大，所需的工作量就越多。碳纖維成品部件的成本還是太高了。如今，公司將目光放在產(chǎn)品的方方面面，不僅僅是碳纖維的價格問題，還有RTM工藝的生產(chǎn)速度。此外，還要考慮樹脂價格、粘合劑價格，整個材料鏈的價格。為此，我們務必采用全新的理念。”