奧迪碳纖維復(fù)材預(yù)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(fù)材的成長還需要時(shí)間和業(yè)內(nèi)同行的努力，因?yàn)槠涿媾R以下挑戰(zhàn)：復(fù)材結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于這類復(fù)材由纖維材料與其他材質(zhì)混合而成，這意味著要實(shí)現(xiàn)所需的性能參數(shù)，當(dāng)前的設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)還面臨很多難度。

不同于鋼材及鋁材，復(fù)材尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)遇，重點(diǎn)研發(fā)碳纖維復(fù)材。

如今，首先要面對(duì)的問題是：奧迪應(yīng)從何種入手？

目前最普遍的做法就是從小批量應(yīng)用開始，逐步實(shí)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(shè)計(jì)應(yīng)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)布局。

奧迪將MSS作為一款工具，旨在將先進(jìn)的碳纖維復(fù)材應(yīng)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(jìn)，奧迪更堅(jiān)定了這一構(gòu)想。奧迪輕量化設(shè)計(jì)中心碳纖維復(fù)材（CFRP）技術(shù)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(xiàng)目所研發(fā)的碳纖維復(fù)材。

那么，第二個(gè)問題是：碳纖維材料將被應(yīng)用到哪個(gè)車身部件中呢？

Roquette表示，奧迪耗費(fèi)了三年時(shí)光，對(duì)白車身進(jìn)行了多次研發(fā)及評(píng)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(duì)白車身的23項(xiàng)載荷工況（load cases）進(jìn)行了識(shí)別，隨后再加以區(qū)分。然后，他們對(duì)各個(gè)白車身部件施加了各向異性應(yīng)力（anisotropic stresses），將數(shù)值設(shè)置到最大值，然后再從中找到了最適合采用碳纖維復(fù)材的部件。

Roquette指出：“然而，應(yīng)力只是其中的一項(xiàng)因素，經(jīng)濟(jì)性也很重要。奧迪在制造碳纖維材料時(shí)能否兼顧到上述兩點(diǎn)嗎？奧迪擁有碳纖維復(fù)材制造所需的技術(shù)嗎？成本及重要方面能取得改進(jìn)及成功嗎？”隨著研發(fā)工作的不斷推進(jìn)，奧迪的研發(fā)人員漸漸找到了符合上述標(biāo)準(zhǔn)的車用零部件——以傳動(dòng)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(dòng)機(jī)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(fù)材，從而大幅提升了扭應(yīng)力（torsional stress）及車輛的剛度（vehicle stiffness），還實(shí)現(xiàn)車身減重。

載荷工況的設(shè)計(jì)工作

Roquette的同事Felix Diebold表示，當(dāng)奧迪復(fù)材研究中心首次關(guān)注上述的23種載荷工況時(shí)，公司正尋找新機(jī)會(huì)，希望利用碳纖維復(fù)材增強(qiáng)白車身的扭應(yīng)力，同時(shí)減輕其重量，從而提升車輛的總體強(qiáng)度及乘客的安全性。于是，奧迪的設(shè)計(jì)工程師們將單向碳纖維織物加強(qiáng)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(jié)合。

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

當(dāng)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(qiáng)化B柱的性能就顯得至關(guān)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(qiáng)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(jì)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(duì)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(dāng)時(shí)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(bǔ)充道，可采用模塑對(duì)泡沫材料加工成各種3D形狀，實(shí)現(xiàn)凸起件、嵌入件（inserts）及其他金屬部件的一體化。在對(duì)復(fù)材泡沫芯材進(jìn)行加工時(shí)，無需進(jìn)行機(jī)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(jié)構(gòu)（homogenous cell structure），可耐受液壓靜力（hydrostatic testing）試驗(yàn)。

超快速樹脂傳遞模塑的研發(fā)之路

最后一項(xiàng)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(biāo)，上述工藝精整顯得頗為瑣碎，最終，奧迪決定將該項(xiàng)工作移交給了一家一級(jí)供應(yīng)商，由其負(fù)責(zé)相關(guān)的生產(chǎn)工作。

Roquette表示，高壓樹脂傳遞模塑（HP-RTM）成為汽車復(fù)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(dá)120-bar。若注入點(diǎn)的壓力較高，會(huì)對(duì)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(shí)確保生產(chǎn)周期不會(huì)被拖長。

這看似是一項(xiàng)無可能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，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(jī)構(gòu)取得聯(lián)系后，該難題才得到解決。雙方對(duì)RTM工藝中的（fine-tune）了注塑壓力、壓縮力（compression force）及模具間隙進(jìn)行了精準(zhǔn)調(diào)整（微調(diào)），從而進(jìn)一步優(yōu)化了該模塑工藝。

Roquette表示，奧迪與這類研究機(jī)構(gòu)合作。據(jù)測(cè)試驗(yàn)證，在進(jìn)行模塑工藝期間，若磨腔壓力（cavity pressure）是一項(xiàng)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(gè)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(duì)于奧迪R8 Spyder的夾層結(jié)構(gòu)（sandwich structures），注塑壓力不超過40 bar，最大模塑間隙可達(dá)0.6毫米，最大壓縮力可達(dá)500 MT，而模具溫度不得超過123℃。憑借該項(xiàng)新工藝，注塑時(shí)間可縮短至15秒，而整體生產(chǎn)周期時(shí)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(jià)格相對(duì)便宜的壓縮機(jī)，且能耗較低，不會(huì)對(duì)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(yīng)用之路

Roquette表示，當(dāng)奧迪首次打算為MSS制造復(fù)材零部件時(shí)，公司所制定的首個(gè)生產(chǎn)策略是與歐洲汽車復(fù)材加工商開展合作，因?yàn)楹笳呋蛟S擁有所需的產(chǎn)能及專業(yè)技術(shù)，可高效而快速地設(shè)計(jì)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(fù)材及相關(guān)的加工技術(shù)。

Roquette表示：“據(jù)我們所知，若奧迪真的想要在復(fù)材領(lǐng)域取得技術(shù)突破，首先奧迪的研發(fā)人員務(wù)必要精通該領(lǐng)域的技術(shù)，其次，務(wù)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(tuán)隊(duì)，所有人都在日復(fù)一日地花精力鉆研該項(xiàng)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(zhuǎn)交給負(fù)責(zé)實(shí)際生產(chǎn)的兩大歐洲復(fù)材供應(yīng)商時(shí)，對(duì)方也對(duì)覺得該合作所涉及的技術(shù)與產(chǎn)品均存在不確定性。Roquette表示：“因?yàn)檫@并非是奧迪從開放市場上購得的（成熟）技術(shù)。奧迪挑選的供應(yīng)商也生產(chǎn)過這類材料，擁有多年的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。然而，奧迪轉(zhuǎn)交的自主研發(fā)技術(shù)與供應(yīng)商所采用的技術(shù)截然不同。對(duì)于該項(xiàng)新技術(shù)，供應(yīng)商方面有點(diǎn)難以接受。”

他還說道：“為此，奧迪為供應(yīng)商提供了相關(guān)的技術(shù)展示，告知其新技術(shù)的應(yīng)用方法。最終，奧迪說服了供應(yīng)商，由后者負(fù)責(zé)這類零部件的生產(chǎn)，供應(yīng)商為此也承擔(dān)了許多風(fēng)險(xiǎn)。作為一家車企的供應(yīng)商，要做到這一點(diǎn)確實(shí)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(shù)研發(fā)及應(yīng)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(fù)材后壁及后窗臺(tái)板（upper rear shelf），上述兩款部件都采用了碳纖維復(fù)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(jià)格問題，還有RTM工藝的生產(chǎn)速度。此外，還要考慮樹脂價(jià)格、粘合劑價(jià)格，整個(gè)材料鏈的價(jià)格。為此，我們務(wù)必采用全新的理念。”