作為較大型混合材料白車身結(jié)構(gòu)的一部分，它彰顯了復(fù)合材料和有色金屬在中等批量的生產(chǎn)中所具有的巨大應(yīng)用前景。
這種用于電池電動汽車的后承載地板由兩種類型的熱塑性復(fù)合材料加上金屬型材和嵌件組成，它起到行李箱和后乘員艙地板的作用。
通過粘合劑和機(jī)械連接的方式，它與第二個(gè)混合/熱固性復(fù)合材料的承載地板相連接。
第二個(gè)承載地板是用于汽車前半部分的結(jié)構(gòu)，用以支撐電池，它采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂、通過樹脂傳遞模塑成型而被生產(chǎn)出來，擁有金屬嵌件以及含聚氨酯泡沫芯材的局部夾層結(jié)構(gòu)。
整個(gè)承載地板模塊被連接并用螺栓固定到鋁制門檻/側(cè)圍上，門檻和側(cè)圍本身則由螺栓固定到鋁制的單體車身橫梁上。
整個(gè)承載地板模塊示范件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了減重，為每天300輛這一批量生產(chǎn)的汽車提供了顯著的碰撞能量吸收性能。
設(shè)計(jì)決策
參與后承載地板研究的聯(lián)盟成員包括：
? 汽車制造商奧迪汽車公司（也是整個(gè)SMiLE項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者）及其母公司大眾汽車公司
? 德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院車輛系統(tǒng)技術(shù)研究所
? 弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所（是前、后承載地板項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者）
? 弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所
? 熱塑性復(fù)合材料供應(yīng)商巴斯夫
? 機(jī)器制造商迪芬巴赫
? 工裝模具制造商Frimo
對于前、后承載地板以及它們所屬的較大的白車身結(jié)構(gòu)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是，在減重降本的同時(shí)，能吸收更高的沖擊能量。
因此，他們決定采用熱塑性復(fù)合材料和金屬嵌件來生產(chǎn)后承載地板。
該團(tuán)隊(duì)想要添加后備箱功能以及第二排安全帶連接結(jié)構(gòu)，但他們還想利用承載地板來吸收大量的碰撞能量。
通常情況下，汽車制造商主要是依靠金屬承載地板側(cè)面的金屬型材來管理乘用車的后碰撞能量，因此，考慮到熱塑性復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，研究人員們想要知道：復(fù)合材料承載地板的整個(gè)寬度和長度是否可以被用來管理碰撞載荷，以及是否能夠吸收更高的碰撞能量。
研究人員們審視了常見的汽車熱塑性復(fù)合材料，聚丙烯（PP）和聚酰胺6（PA6）等基體材料都進(jìn)入了他們的視野，但由于溫度原因，他們放棄了PP，因?yàn)楹蟪休d地板會隨白車身一起經(jīng)過高溫電泳涂裝防銹處理。
由于需要連續(xù)纖維增強(qiáng)材料來實(shí)現(xiàn)最高的剛性和強(qiáng)度，因此他們主要將目標(biāo)集中在織物增強(qiáng)的有機(jī)板材（一種玻璃纖維氈熱塑性（GMT）復(fù)合材料形式）和單向（UD）熱塑性預(yù)浸帶。
基于多種原因，他們選擇用預(yù)浸帶作進(jìn)一步的原型開發(fā)。
研究人員們知道，后承載地板的幾何形狀會很復(fù)雜，因此，他們使用了自動化的鋪帶機(jī)（ATL），這樣，就可以按任意方向鋪放UD帶，使得制成窗口/孔的用料要比使用有機(jī)板的少，以減少廢料，降低重量和成本，并允許最有效地將纖維應(yīng)用到部件的局部和整個(gè)范圍內(nèi)。
而且，由于通過ATL鋪放的纖維在疊層的每一層中都是平的或平行的，而不像織物那樣是編織的，因而無波動及后續(xù)在剛性和強(qiáng)度方面的損失。
不過，UD 帶的確有其局限性：它們相對較貴，懸垂性較差，幾乎沒有流動，因而難以填充復(fù)雜的形狀。
通過有選擇性地使用不連續(xù)的/短切的直接長纖維熱塑性（D-LFT）復(fù)合材料，這些問題迎刃而解，因?yàn)樗鼈兪强闪鲃拥?，允許實(shí)現(xiàn)高度的功能集成/部件整合，而且在沒有纖維橋接的情況下更容易形成復(fù)雜的肋，又能吸收大量的沖擊能量。
采用D-LFT，還易于嵌入金屬附件，尤其是需要對嵌件預(yù)鉆孔以便復(fù)合材料流過而包覆在金屬周圍時(shí)，這樣，通過機(jī)械連鎖就可以實(shí)現(xiàn)牢固的結(jié)合。
此外，D-LFT比帶材或有機(jī)板便宜，更容易在厚的部分成型。
由于配混是在壓機(jī)旁邊完成的，因此D-LFT簡化了材料的庫存管理，為開發(fā)項(xiàng)目提供了高度的靈活性，從而可以快速改變材料特性，包括纖維長度和類型、纖維體積百分含量（FVF）以及基體材料。
在制作過程中，對材料/工藝的設(shè)置是可控的，從而可以實(shí)現(xiàn)高度的重復(fù)性和再現(xiàn)性（R&R）——這也就是為什么近20年來汽車行業(yè)已將這種工藝用于中、大批量的生產(chǎn)中。
由于研究人員們希望后承載地板薄而輕，并能夠在吸收高沖擊載荷的同時(shí)還抗屈曲，他們采用了玻璃纖維增強(qiáng)的和碳纖維增強(qiáng)的帶材以及D-LFT，按不同的纖維重量百分比（FWFs），通過對小型部件的測試來進(jìn)行模擬和初步開發(fā)，以評估機(jī)械性能和填充性能。
雖然與玻璃纖維的復(fù)合材料相比，碳纖維的復(fù)合材料生產(chǎn)出了更薄、更輕且更剛性的結(jié)構(gòu)，但由于成本問題，再加上前承載地板已經(jīng)使用了碳纖維增強(qiáng)材料，因此研究人員們在擴(kuò)大到全尺寸部件的過程中，選用玻璃纖維來增強(qiáng)后承載地板。
由巴斯夫提供的含40%玻纖重量百分比的Ultramid B3K PA6 D-LFT 以及8層含60%玻纖重量百分比的Ultratape B3WG12 PA6 在此得到了應(yīng)用。
在經(jīng)過大量的模擬之后，一個(gè)1.3m×1.3m的后承載地板最終被設(shè)計(jì)出來，它包括：一個(gè)由UD帶制成的薄殼、近凈形狀的結(jié)構(gòu)，被預(yù)固結(jié)成層壓交織板，其上擁有較厚的D-LFT擠壓區(qū)；同樣由UD帶制成的帶有深槽（50mm高，115mm寬）的大型波紋板，沿部件的縱軸成型，從而能以較小的重量和厚度實(shí)現(xiàn)高剛性。此外，兩個(gè)窗口在鋪帶過程中即已形成，從而允許D-LFT穿透層壓板直至需要它的位置。
由于在大型層壓板中很難形成深波紋，因此必須同時(shí)修改成型工藝和模具，才能確保生產(chǎn)出完美的部件。
這些波紋，加上在X形的格子結(jié)構(gòu)中形成復(fù)雜肋的兩種D-LFT材料，為這一區(qū)域帶來了高慣性矩，在薄而輕的設(shè)計(jì)中增加了部件剛性，同時(shí)避免了碰撞時(shí)發(fā)生屈曲。
部件后部的D-LFT 格子形成了一個(gè)擠壓區(qū)，從而可以在追尾事故中吸收能量。
鋁型材被整體成型到承載地板的軸向側(cè)面，經(jīng)特殊的表面處理并通過提供聯(lián)鎖的孔而被粘接到D-LFT和層壓板上。
這些得到精心設(shè)計(jì)的剖面，進(jìn)一步提高了部件的剛性，提供了良好的屈曲性能，并能在碰撞過程中將力傳遞到D-LFT擠壓區(qū)。
它們還為將后承載地板直接安裝到周圍的金屬結(jié)構(gòu)上而提供了連接點(diǎn)。
附加的金屬嵌件也能被整體成型到結(jié)構(gòu)之中，為安全帶鎖提供直接安裝。
成功的實(shí)施
模擬工作以及對大、小型部件的測試，驗(yàn)證了整個(gè)混合材料的后承載地板能夠被用來管理碰撞載荷。
進(jìn)一步的評估顯示，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該與傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)一樣安全。
在對后地板模塊的設(shè)計(jì)、可加工性和性能等所有主要方面作了大量的模擬工作之后，通過對大型和小型部件的測試，驗(yàn)證了這些模擬，比如，通過幾種不同的成型研究，可以看看模具行程（上）和填充（下）帶來的影響（圖片來自弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所）
該項(xiàng)目的一個(gè)更大的目標(biāo)是，將整個(gè)白車身的重量減至200kg，這在模擬以及對小型部件的開發(fā)過程中，從理論上得到了滿足。
然而，隨著項(xiàng)目的發(fā)展，需要更好的碰撞性能，這就要求在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中增加質(zhì)量。
此外，出于成本考慮，使得后承載地板所用增強(qiáng)材料由碳纖維變成了玻璃纖維。
由此而獲得的帶有嵌件的后承載地板重32.9kg，而前承載地板（帶有嵌件但不包括電池）重12.1kg。
這樣，為了達(dá)到更高的安全性以及降低成本，最終的試驗(yàn)部件僅差4.3%就能實(shí)現(xiàn)白車身的減重目標(biāo)。
由于在前承載地板上大量使用了碳纖維增強(qiáng)材料，因而SMiLE白車身也比傳統(tǒng)的金屬系統(tǒng)更貴。
為了后承載地板項(xiàng)目，弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)了一種D-LFT/加壓的子工藝，名為“局部高級訂制LFT”，它能夠有選擇性地將D-LFT材料應(yīng)用于主UD帶結(jié)構(gòu)中，以生產(chǎn)出無法用帶材制作的局部復(fù)雜的形狀（如肋）。
由弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所在SMiLE項(xiàng)目之前就已開發(fā)并在此項(xiàng)目中得到應(yīng)用的另一項(xiàng)技術(shù)，是一種通過輻射誘導(dǎo)的真空固結(jié)而快速加熱和固化熱塑性帶材的方法，現(xiàn)在該技術(shù)已在迪芬巴赫的Fibercon機(jī)器上實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。
值得一提的是，從一開始，整個(gè)試驗(yàn)過程就采用了Frimo 制造的高度復(fù)雜的模具，并為后續(xù)的測試和示范生產(chǎn)出了100多個(gè)樣件。
雖然該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一步法的成型工藝，但弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)的熱塑性加工負(fù)責(zé)人及后承載地板項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 Sebastian Baumgärtner博士確信，在生產(chǎn)環(huán)境下，通過在另一副單獨(dú)的模具中預(yù)成型層壓板，用兩步法的工藝來成型這種復(fù)雜的部件會更加高效。
“我們首先選擇嘗試更難的一步法工藝，其效果很好。”Baumgärtner解釋道，“但是，由于模具非常復(fù)雜，對工藝的控制不是那么容易，如果層壓板的某些地方太熱，它與LFT絲束就會有很強(qiáng)的相互作用。因此，為了保證生產(chǎn)過程中的良好重復(fù)性，最好簡單一點(diǎn)，選用兩步法的工藝。”
不過，由于這種復(fù)合材料部件的尺寸很大，以及成型它的工藝復(fù)雜，該團(tuán)隊(duì)對最終結(jié)果仍非常滿意。
“我們證明了我們能夠生產(chǎn)出一種創(chuàng)新且經(jīng)濟(jì)的部件，其性能和重量都得到了優(yōu)化，采用商業(yè)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了功能的高度集成。”他補(bǔ)充道。
在最終的成型試驗(yàn)中生產(chǎn)的熱塑性復(fù)合材料的后承載地板，與熱固性復(fù)合材料的前承載地板及側(cè)圍連接在一起，形成了此圖的示范部件，以作進(jìn)一步的評估（圖片來自弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所）
整個(gè)承載地板獲得了中國的2018 CCE-JEC創(chuàng)新獎(jiǎng)。
德國政府則將更大的SMiLE項(xiàng)目看作是燈塔計(jì)劃，意味著這項(xiàng)技術(shù)在未來移動性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將非常重要。
目前，該團(tuán)隊(duì)正在討論下一步的工作。
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