弧线拉挤的汽车部件进入量产

2024年3月16日发(作者：现代瑞纳2015款报价)

雪佛兰科尔维特的CFRP后保险杠梁是汽车行业中第一个采用弧线拉挤技术生产的部件，

它比之前的铝型材轻2.2 kg，而且满足了设计、工程和制造目标要求。

文/ CompositesWorld

Peggy Malnati

弧线拉挤的汽车部件进入量产

应用在通用汽车公司

2020

款第八代雪佛兰科

尔维特跑车上的后保险杠梁，是该车型上最具创新

的复合材料部件，它由一种弧线拉挤技术成型而出。

为了与车辆的后部造型匹配，同时确保能够装入并

不宽敞的可用空间中，该车型的设计团队需要一根

弯曲的梁。而对于生产团队来说，他们则想要在车

身车间将梁装到白车身（

BIW

）的其他部位上，这

意味着它必须拥有稳定的热力学性能，以便能够在

通用的

ELPO

电泳防锈涂装浴中经受住

238

℃的循

环烘烤。该梁还必须满足严格的低速碰撞要求。同

时，工程师们希望减轻重量，使其比用在上一代科

尔维特车辆上的采用金属惰性气体（

MIG

）保护焊

接的铝挤出件更轻。基于科尔维特汽车大量使用复

合材料的历史，制造一款复合材料的梁是最根本的

要求。

车上，包括后保险杠梁和用于中央结构通道的一种

可拆卸车底覆盖板。”

最初，该设计团队想将碳纤维复合材料用到车

辆直的前保险杠上，但出于多种原因，尤其是需要

满足更严格的低速和高速正面障碍物测试要求，他

们很快将重点转移到了对性能要求相对不是很高的

弯曲后梁上。适应车辆中置发动机的新设计特点，

他们需要减轻该部件的重量。

“考虑到我们可能会使用新的技术，加上前壁

障测试有很多不同的细微要求，我们决定从后梁开

10个CFRP部件

随着

2020

款车型设计工作的展开，科尔维特

的开发团队挑选了

10

个结构件，包括传统的铝制

保险杠梁，目的是将它们制成全碳纤维增强塑料

（

CFRP

）的新型部件，以进行生产潜在性评估。

“我们选中的部件，有些是直的，有些是弯曲的，

有些出于某种原因需要钻孔，但每一个都必须达到

我们经过认真研究确定的每公斤单价目标。”科尔

维特车身结构工程团队经理

Ed Moss

解释道，“我

们从最初选择的

10

个部件中挑出

5

个进行下一级

别的评估。虽然在开发过程中放弃了

3

个，但最终

我们将两个

CFRP

部件用到了

2020

款科尔维特汽

在众多值得关注的创新中，2020新款雪佛兰科尔维特跑车上的后保险杠梁是世

界上第一个弧线拉挤的汽车部件，它由一级供应商Shape公司采用德国TTI公

司开发的创新工艺和设备制成（图片来自SPE汽车部门）

汽车塑化

2020?

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加工方案

PROCESSING SOLUTIONS

由于速度太慢、

1.

纤维缠绕：

些项目，因而对

Shape

公司能

成本太高而不能满足目标产量要

求，尤其是不能满足梁的双室设

计要求而被排除在外。

2.

高压反应注射成型：由于

不能生产出具有扫掠曲面的空心

梁而被排除。

3.

复合材料的湿法成型：由

于中央腹板的存在，技术上存在

Shape公司还需要在模后完成重要的装配操作：安装铝制

挑战性，它需要一个预成型型腔

牵引钩。一旦钻好孔并插入五金件，牵引钩即与梁粘接在

一起（图片来自Shape公司）

和两个芯轴以及能产生背压的方

法才能实现这种两室设计。

始。”

Moss

继续解释道，“实际上，

4.

拉挤成型：生产直梁毫无

被用来固定汽车后端的后梁更加

问题，但只有一种变形工艺能够

重要。基于中置发动机的结构，

可靠地生产出热固性复合材料的

我们希望尽可能最大程度地减轻

弯曲型材。

车辆后端的重量。”为了匹配尾

没想到的是，在团队成员中，

部造型以及尽可能增大后备箱空

有一位从一开始就对这种工艺情

间，需要一种弯曲的梁。由于它

有独钟。

靠近产生热量的中置发动机，因

“我希望至少在两款科尔维

此需要使用热力学性能稳定的材

特车型上能够用到拉挤工艺，但

料，因此热塑性塑料不在考虑范

却一直没有找到合适的应用。”

围中。该梁还需要允许将镀铝牵

科尔维特车身结构首席工程师

引钩成型到其中，或者在梁上钻

Chris Basela

回忆道。他曾与一

孔以便在成型后将牵引钩粘接到

级供应商

Shape

公司（美国密

其中。

歇根州

Grand Haven

）一起开发

实际上，后梁的设计工作在

过以前的科尔维特车型和其他一

选定材料和工艺之前就已开始。

为保持整体设计不变，设计后保

险杠梁的一个重要方面是作出决

定，以通过一个中央腹板来沿长

度方向平分空心梁，从而创造

出两个内室。这一特征对于减小

壁厚以减轻梁的重量并使其具备

碰撞试验所需的力学性能至关重

要。正如所料，中央腹板的存在

对工艺的选择带来了影响。

为生产出第一个前直后弯曲

的后保险杠梁，该团队评估了几

种复合材料成型工艺，它们被认

Shape公司是美国第一家拥有德国TTI公司开发的弧线拉挤

生产线的公司，也是第一家采用TTI公司的专利工艺生产商

为能够生产出带有两个内室的空

业化部件的汽车供应商，该工艺克服了传统直线拉挤的许多

心梁，其中包括：

局限性（图片来自Shape公司）

40

?

汽车塑化

2020

够采用铝合金和先进高强钢生产

复杂的弯曲保险杠梁印象深刻。

Shape

公司设计、开发并生产金

属、塑料和复合材料的产品，拥

有丰富的能效管理经验。该公司

已经创新了几种生产金属保险杠

梁的技术，能够确保在减重的同

时提高性能。

随后，

Shape

公司的代表

联系了德国的机械设备制造商

Thomas GmbH + Co. Technik +

Innovation KG

（以下简称

TTI

），

该制造商发明了一种通过拉挤制

造弯曲的二维和三维型材的工艺

和设备。当科尔维特项目机会来

临时，

Shape

已经在与

TTI

讨论

购买一台设备以及使用

TTI

的授

权技术等问题。

设计与表征

当

Shape

公司在等待其新

的弧线拉挤设备建成时，通用汽

车公司、

Shape

公司和工程织

物供应商

Vectorply

公司（美国

阿拉斯加州

Phenix City

）就已

开始评估和表征各种纤维

/

树脂

的组合。基于通用对后保险杠梁

的设计，该团队利用有限元分析

FEA

）来模拟每一种候选材料的

性能，然后在

Shape

公司位于

Grand Haven

的实验室中，利用

Shape

的真空灌注系统来成型试

样。接着，切下试样进行小型试

验，对比预测和试验结果，以帮

助该团队通过其工程假设来获得

信心。针对最有希望选中的纤维

/

树脂组合，他们另外成型了试

样并将它们送至通用汽车公司位

于美国肯塔基州保龄格林工厂的

ELPO

生产线上，科尔维特车型

就是在此装配的。

（

此外，该团队还评估了许多

聚氨酯（

PUR

）树脂，以找到一

种韧性足以通过碰撞试验、热稳

定性足以耐受

ELPO

电泳涂装温

度以及化学相容性允许采用结构

粘合剂将梁粘接到白车身上的候

选材料。

混合的树脂系统。然后再一次对

这些候选材料进行模拟、成型和

测试，将最有希望的候选材料制

成近乎全尺寸的梁，进行碰撞试

验和

ELPO

电泳涂装试验。

有趣的是，最终选出的树脂

在初步测试中没有表现出突出的

性能，但却成功地通过了

ELPO

电泳涂装。

Crestapol 1250

是由

树脂供应商

Scott Bader

有限公

司（英国

Wellingborough

）作为

一种粘合剂而开发的一种现成的

过氧化物固化聚氨酯丙烯酸酯共

聚物，后来得到改性而成为一种

模塑树脂。这一完整的树脂

/

增

强材料系统在碰撞性能、

ELPO

电泳涂装耐受性、减重降本以及

可接受的成型周期方面提供了最

佳平衡。

将紧固件和支架安装到梁上以支撑保险杠防撞罐。为确保

用于梁的碳纤维增强材料不会导致电偶腐蚀，同时尽可能

降低成本、减轻重量，Shape公司采用了一种多层阻隔

解决方案，它由精心布局的材料和涂层构成（图片来自

Shape公司）

研究中出现的问题

接下来，在

TTI

安装在德国

的演示系统上，生产出了近乎全

尺寸的梁，以将其用于碰撞试验

以及在通用的

ELPO

生产线中经

受电泳防锈涂装处理。总之，一

切如期进行，直到梁在保龄格林

工厂通过电泳涂装时才发现了

问题。

“我们发现，被送到该生产

线上的梁，几乎每一根都有水

泡。”

Basela

回忆道，“这不只是

可以通过重新打磨来解决的外观

问题，关键是，水泡将纤维挤到

了一边而引起分层。奇怪的是，

水泡不是局限在一两个位置上，

而是几乎出现在梁的任何一处。”

这一问题引起了该团队对几家供

应商提供的替代树脂系统进行第

二次的深入研究。这一次，他们

评估了更多的

PUR

树脂，以及

环氧树脂、乙烯基酯树脂和一些

通过对织物结构进行广泛研

究，该团队了解了在拉挤成型特

别是在弧线拉挤成型中什么起作

用、什么不起作用。他们研究了

许多织物，包括由玻璃纤维、碳

纤维和碳纤维

/

玻璃纤维混合增

强材料编织而成的织物及无卷曲

织物（

NCFs

）。

“我们喜欢无卷曲织物带给

我们的性能，因为它们是缝编

的，因而纤维在加工过程中不会

移动，这就意味着在相同面重条

件下的刚性和强度更高，以及拥

有更好的悬垂性，且最终部件中

的纤维体积百分比（

FVFs

）更

高。”

Basela

解释道，“因此，我

们决定用单向丝束来微调性能。”

“虽然我们对全玻璃纤维织

物的成本很满意，但是，要使其

满足性能要求，就会导致梁的重

量增加，因此，我们最终决定采

用全碳纤维的技术路线。”

Moss

补充道。最终选定的织物包括一

种双斜纹无卷曲织物、一种三轴

经编无卷曲织物和两种单向经编

无卷曲织物，其中的大多数采用

的是小丝束纤维，而且全都是标

准模量。最终的平均纤维体积百

分比值大约是

50%

。

多个第一

该保险杠梁是世界上第一

个弧线拉挤的汽车部件以及在

北美生产的所有行业中的第一

个弧线拉挤的部件。据说其生

产速度与直线拉挤相当，大约

是

31 cm/min

。到目前为止，

针对这项应用，通用汽车公司

已申请了一项创新专利、

Shape

公司申请了

4

项。最终生产出

来的梁，要比之前的铝型材轻

2.2 kg

，而且满足了设计、工

程和制造目标要求。现在，该

梁已获得美国塑料工程师学会

2019

第四十九届汽车创新奖的

两个奖项：工艺

/

装配

/

使能技

术奖和车辆工程团队奖。

安装托架后，六轴机器人将最终的碳纤维复合材料保险杠梁

转运到最终的质量检验站进行检测，然后再将其运至通用在

美国肯塔基州保龄格林的装配厂（图片来自Shape公司）

汽车塑化

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