碳纖維單體殼車身的低成本制造論

寂靜天花板

隨著整車輕量化科技的進步，復合材料以及輕質鋁材將會越來越多的出現在汽車的車身成型技術中。同等質量下強度更高、重量更輕的碳纖維復合材料從眼下來看無疑是一個非常靠譜的選擇。本期我們聊一聊關于碳纖維單體殼車身成型的那些事。
, R6 j% O$ q, ]4 z' l) `傳統成型工藝分類
        要探討碳纖維單體殼車身的成型，就必須先來了解一下目前汽車制造行業里關于車身部件成型的方式究竟有哪幾種。
        以材料作區分，我們可以把車身結構件及覆蓋件成型方式分為冷、熱軋處理和熱塑成型兩種。
2 [6 O& o$ \4 \# X; q" A+ l, ^3 A- k        金屬構件一般采用冷軋或熱軋技術進行結構成型，不在本文討論范圍之內，暫且不表。熱塑成型則主要運用于除金屬零件之外的復合材料成型。根據模具的成型原理不同，一般運用在汽車產品上的非金屬零件成型工藝無外乎注塑、吹塑、吸塑這幾大類型。當然，在這幾大類型還可再細分出二次注塑、陰模吸附等門類，此處不多贅述。
碳纖維單體殼成型工藝
        對傳統材料成型工藝有了了解，再談碳纖維單體殼車身的工藝特殊性就容易理解多了。從本質上碳纖維單體殼屬于復合材料結構的范疇，所以在成型技術上也與傳統材質有著很大區別。
        整體上看，作為復合材料的碳纖維單體殼車身只需一道工序就可以完成材料的成型以及結構的成型，這也就使得碳纖維單體殼車身在設計之初就必須把結構設計和材料的成型工藝緊密的聯系起來。當然，這種將材料成型和結構成型同時完成的特質也為其成型方法提供了更多選擇。
        以碳纖維為代表的樹脂基復合材料的成型工藝可以分為纖維預浸成型和預成型件樹脂轉移模塑成型。說來拗口，簡單點描述，前者就是先將碳纖維簾布提前在樹脂里進行浸泡，讓樹脂包覆在這塊簾布上。由于簾布上已經布滿了樹脂，所以在成型的過程中就不再需要樹脂。后者則是先將簾布鋪在模具上，然后在成型過程中加入樹脂，這一成型方式基本等同于傳統車型上塑料零件加玻纖的成型方式。
        正如上一期在介紹碳纖維單體殼車身時說到的那樣，哈爾濱工業大學HRT車隊的賽車均采用碳纖維預浸成型技術，而這一技術的優勢只有兩個字——成本。
) S/ }" {( M) h8 `        具體來看，根據所用設備的不同，碳纖維預浸成型技術又可分為熱壓罐成型、真空袋成型、壓力袋成型、軟膜成型以及壓膜成型五種。
        其中，熱壓罐成型是目前運用最為廣泛的先進復合材料成型工藝，F1賽車的碳纖維零件就是采用這一技術打造的。按此工藝，經過預浸處理的碳纖維材料依照成型工藝的要求貼服在模具上形成毛坯，然后通過各種輔助材料將毛坯根據所需特征進行隔離，最后再在真空壓力、均勻的溫度以及空氣壓力下實現樹脂的固化。
; K5 r$ y# }- k( N9 d9 l% F        論及好處，熱壓罐成型方法得到的零件具有最均勻的樹脂含量、更為緊密的內部結構，而零件的內外表面質量也得以很好的保證。當然，其最大的弊端就是模具成本太高，非金屬模具難以勝任，且較大的壓力還有可能造成蜂窩夾層結構的破壞，所以并不適用于哈爾濱工業大學HRT車隊的三明治車身結構。

真空袋成型方法
        為了解決成本的問題及工藝對成型結構的限制，哈爾濱工業大學HRT車隊賽車的單體殼車身選用了真空袋成型方法。這一成型方法與塑料零件的吸塑原理相類似，即用真空袋形成類似于注塑模具中的陽模，陰模依然存在，通過對模具抽真空，進而使得碳纖維預浸布夾在其中完成成型。
        工藝方面，與熱壓罐成型相比，真空袋成型方法最大的區別在于真空袋外沒有空氣壓力，也無壓板的作用，所以使用烤箱就可以完成碳纖維單體殼車身的成型。且采用真空袋成型方法對于模具的要求極低，一般來說只要耐高溫的玻璃鋼材質就可以實現，而模具也幾乎不需要任何保養。
        另外，由于運用了碳纖維預浸布，所以在成型過程中無需考慮樹脂材料的注料口，也不需要再去考慮樹脂材料的固化問題，只需要在模具上制作真空孔，并且設定合適的出模角度就可以完成。與此同時，對于碳纖維單體殼車身這種出模就需要內部架構的零件而言，真空袋成型方法還很好的解決了內部結構容易倒扣和脫模問題，因此正對HRT車隊的胃口。
( ?: }! Q0 _& G& X/ O- l; i- P/ K        成本方面，眾所周知，由硬質的陰陽兩模構成的模具結構是無法一次性構成內部中空的立體結構的，而真空袋成型方法中真空袋的作用可以認為是起到陽模的作用，且在成型結束之后，只需要把真空袋拆掉就可以，完全不存在零件無法脫模的問題。故HRT車隊的碳纖維單體殼車身僅僅需要上下兩幅陰模即可成型，這便大大節省了制造模具的所需花銷。
        當然，真空袋成型方法的缺點也很明顯。
        首先，由于真空壓力最多只能達到0.1Mpa，所以這一成型工藝僅僅適用于1.5mm以下的碳纖維材料以及蜂窩夾層結構。
; i+ h! U& w7 N7 f        其次，由于采用真空袋來充當陽模，所以零件內表面的質量真心不敢恭維。
        但對于HRT賽車而言，這些都不是問題。其一，1.5mm以下的碳纖維材料已經足夠造車之用。其二，零件的內表面并非A面，不會影響外觀。更何況，零件內表面的質量完全取決于鋪設預浸布和真空袋時的手工質量，只要多加細心，便會大有改觀。
+ S# W0 H1 w, Q& P  E        具體來說，哈爾濱工業大學HRT車隊的碳纖維單體殼車身在成型過程中對于模具內部材料的鋪設分為三層。第一層是預浸布，第二層則是經過隨型處理的蜂窩鋁材料，第三層還是預浸布。三層材料之外，是最外層的真空袋。
1 @0 \, m. _' f9 L, i8 }0 ^        而為了保證成型的真空度，HRT車隊在進行碳纖維單體殼車身成型時又在模具的外表面覆蓋了一層真空袋。所以當模具放入烘烤爐進行成型的時候，看上去就像是一只正在烤制的叫花雞。成型之后，上下模具拆開，HRT車隊的碳纖維單體殼也就大功告成。

魏小毛

不錯！很有見地

gj5202014gs

首先要謝謝樓主的分享，我們公司也在剛開始做這個碳纖維，這方面的權威資料應該多發點。

cg_jzy

給我這樣的新手，給了個不錯的思路