CF-SMC模壓工藝——碳纖維汽車部件生產工藝

 SMC(Sheet Molding Compound的縮寫,即片狀模塑料)模壓是指將片材按制品尺寸、形狀、厚度、重量等要求裁剪下料,然后將裁剪好的材料疊合放入已加熱的金屬模具型腔內,按預先設定好的加壓方式固化成型的過程。

上述介紹中關鍵詞說明:

  • 片材:傳統的SMC工藝中使用的片材由短切纖維和樹脂及填料等組成,現在HRC已具有將連續碳纖維和短切纖維混雜加工得到的片材(即CF-SMC)模壓成型的工藝。

CF-SMC模壓成型工藝是將連續碳纖維和短切纖維通過不同形式的混雜加工從而制備成形狀較為復雜、有較高尺寸精度要求的復合材料零部件,這里連續纖維作為增強體彌補了短切纖維的力學短板,達到了局部補強的目的,在力學性能上遠遠優于傳統的SMC制備技術,適用于大批量、重復性高、結構復雜的半結構汽車件生產。

  • 裁剪:上述片材會以卷狀保存,按照制品要求設計尺寸,設定裁床參數,進行裁剪,以得到可繼續加工的片材
  • 疊合:按照制品設計要求,將多片裁剪好的片材進行鋪疊,以得到滿足厚度要求的成型料
  • 固化成型:將鋪疊好片材放入模具,控制溫度、壓力和時間,使其固化

我們將上述關鍵詞串起來就得到了基本工藝流程,如下圖:

 

SMC模壓工藝的優點有很多,比如它具有操作簡單、易于實現自動化、生產節拍短(3-5min)、可成型表面光滑結構復雜的制品等,另外應用SMC模壓工藝得到制品,其性能也非常出色:優異的電絕緣性能、機械性能、熱穩定性、耐化學腐蝕性。

SMC工藝并不是一個新興的復合材料成型工藝,它在上世紀六十年代就已經出現,經過了半個多世紀的發展,不斷更新優化,現在廣泛應用于汽車行業、建筑行業、通訊工程、電子、電氣等行業中。

其中,在汽車行業,發達國家早已有大量的應用案例,隨著近年來新能源汽車行業的高速發展,汽車輕量化需求越來越明顯,本土汽車制造也在進行大批量SMC模壓制品的應用,包括了:

  • 內外飾件,比如前后保險杠、車身裙板、擾流板等
  • 車身覆蓋件和車身結構件,比如車身內板結構件和車門結構件,側圍,機蓋內板,尾門內板等
  • 以及有特殊性能要求的部件,如發動機罩,電池上殼體等

值得一提的是,用于SMC生產的材料和生產工藝是相互促進不斷發展的,整體發展趨勢是低密度,低模壓,其中低模壓指的是固化成型過程中所需的壓力,低密度指的是材料性能。而低密度SMC帶來的直接結果就是:在不犧牲力學性能、表面質量的情況下繼續減輕重量。

以下是蘭博基尼的CF-SMC產品--蘭博基尼鍛造碳纖維

蘭博基尼首款SUV Urus量產上市時,為了讓SUV依舊達到跑車的公路性能,減重是首要任務。所以蘭博基尼研發了新的碳纖維制造技術,以滿足大量、流水線生產的要求,同時也讓它的成本大幅降低。這就是碳纖維鍛造復合材料技術。

這種新的碳纖維制造技術有別于目前大量應用的碳纖維編織布+樹脂的制造流程,它可以大量且高效的流水化生產,為蘭博基尼量產全新車型打下堅實的基礎。這種技術被命名為碳纖維鍛造復合材料,它的優勢很多:可以適用復雜的幾何結構、節省制造時間并降低原材料成本。這項技術在2010年首先開始應用,經過6年的技術積累,現在可以開展大規模化的生產。目前蘭博基尼已和日本三菱麗陽株式會社深度合作,共同開發碳纖維鍛造技術并將應用到全新車型上。這種新的碳纖維復合材料是根據模具沖壓而成:模具中加入碳纖維和樹脂之后由液壓機鍛壓成型,所以極大減少了生產時間。

 

蘭博基尼把這種所謂鍛造碳纖維稱為第三代技術那么,蘭博基尼宣傳的碳纖維復合材料鍛造技術,又是什么呢?

“FORGED COMPOSITE is produced by Sheet Moulding Compound process with carbon fibres (opposited traditional glass fibre SMC) It uses pre-fabricated sheet material made of vinylester resin and short length carbon fibres (chopped fibers)”這是引用蘭博基尼官方的相關宣傳資料里對鍛造復合材料技術的應用,就是碳纖維的SMC工藝。

 

鍛造復合材料技術工藝流程

從其工藝流程上就可以看出,其余玻璃纖維復合材料的模壓工藝流程一模一樣。

 

不同工藝參數的比較

從上圖我們可以看出,鍛造復合材料技術向對于其他工藝,在cycle time上有壓倒性的優勢,這也是模壓工藝的特點決定的。生產周期短,生產效率高。

 

與RTM工藝比較

與目前碳纖維領域比較成熟的RTM工藝相比,cycle time減少了44%。

雖然這種工藝在玻璃纖維復合材料上早已應用,但是在碳纖維復合材料上并不多見,因為使用這種技術,需要纖維的長度在某一個范圍之類,比如玻璃纖維一般是6~25mm(憑記憶,可能不準確)。對于碳纖維的模壓,其使用的玻璃纖維是一種短切碳纖維材料,這種材料與樹脂混合后,在高壓的作用下, 流動性好,能夠成型復雜結構的零部件。這種短切碳纖維的材料供應商比較較有名的有量子復合材料和三菱麗陽兩家,這兩家也是蘭博基尼的供應商。

 

鍛造復合材料技術并不是什么特別黑的黑科技,是本身是碳纖維復合材料SMC材料,模壓工藝的應用。