復合材料汽車部件制造技術新進展
摘 要：本文主要介紹了復合材料汽車部件制造技術進展。
1 復合材料在汽車工業中應用現狀
在范圍內，汽車工業是復合材料應用量大的領域之一，并且始終保持著高速增長趨勢。樹脂基復合材料是以合成樹脂為基體，以纖維作為增強材料，通過特定工藝手段復合而成的一類新型高性能材料。與其他材料相比，具有輕質高強、可設計性強、耐沖擊、耐腐蝕、零部件一體化等優點，因此不論從性能、外形設計、還是對車輛減重方面，都得到了汽車制造廠商的青睞，廣泛應用于卡車、客車、轎車的外覆蓋件和結構件的制造。美國關鍵技術委員會曾在美國關鍵技術報告中指出：“復合材料在汽車中是保持競爭優勢的潛在源泉?！逼噺秃喜牧嫌昧康牟粩嘣黾邮侨珡秃喜牧闲枨罅靠焖僭鲩L的重要原因之一。
隨著復合材料工業化生產技術的成熟，作為汽車輕量化理想材料的復合材料已被國內汽車工業逐步認同，越來越多的車型采用了復合材料部件。1999年國內汽車復合材料用量為2000噸，2000年達到4800噸，2004年超過3萬噸。據預計，到2010年，交通運輸用復合材料用量將達到20萬噸左右，占復合材料總用量的16.7%，產值將達到60億元。
2 復合材料汽車部件制造新技術
目前，用于制造復合材料汽車部件的典型成型工藝有手糊、噴射、SMC模壓、RTM注射模塑等。每種工藝均有其佳適用的產品結構和佳適用的性產批量。其中手糊工藝生產效率低下，產品精度低，對環境污染嚴重；SMC工藝模具成本高，產品中纖維的取向難以控制，僅局限于非結構件的應用。因此，如何發展新的制造技術，降低高品質復合材料的成本，是一個亟待解決的高技術問題。
為適應于汽車部件的一體化、縮短開發周期以及日趨增加的環境保護等要求，以RTM為代表的液體模塑技術(LCM)自20世紀80年代后迅速發展起來。在過去的十多年里，汽車工業對這一技術感興趣，其原因是采用這一技術可進一步減輕車輛的重量、降低制造成本和改善車輛的性能。
復合材料液體成型技術是指將液態聚合物注入鋪有纖維預成型體的閉合模腔中，或加熱熔化預先放入模腔內的樹脂膜，液態聚合物在流動充模的同時完成樹脂/纖維的浸潤并經固化成型為制品的一類制備技術。該技術屬于高性能低成本制造技術，工藝方法靈活，尤其適合制造大型、異型結構件，并且能夠一次成型帶有夾芯、加筋、預埋的大型結構件。汽車工業中，液體模塑成型工藝具有克服大、中型規模FRP生產困難的潛力，為不同的生產規模提供了一條低成本、高效率的工藝路線，成為復合材料成型工藝的重要發展方向之一。
作為高性能復合材料的低成本制造技術，LCM工藝仍存在成品性能離散性大，微也、浸漬不良等缺陷難以控制，模具、工藝設計缺乏系統的理論指導等急需解決的核心問題。
2.1 產品結構設計與成型過程模擬技術[-page-]
LCM工藝的關鍵是在不影響已鋪放好的增強材料和模具承受過大壓力的前提下，樹脂完全浸潤模腔內的增強材料，并排除所有的空氣，不留下任何干斑。傳統方法的模具設計和工藝控制非常倚重操作工的經驗，而在這兩個關鍵處采用計算機輔助工程即可實現從試驗摸索到數值模擬的跨越。
產品結構設計的合理與否，將直接影響產品的性能使用要求，因此產品結構設計是產品生產關鍵環節之一。按照產品的使用性能要求、力學性能要求及成型工藝要求，利用ANSYS有限元分析軟件可對產品結構形式，包括增強材料的鋪層、厚度分布、局部加強設計等進行優化，實現復合材料構件強度的整體性和協調性。
LCM工藝成型過程模擬是模具和工藝輔助設計的并行工程方法，其基本的目的是優化模塑成型周期。掌握樹脂注射過程中的流動形式及流體壓力分布，可以指導模具設計。采用準確的成型過程模擬，可在計算機上進行多次反復設計，可顯著縮短新產品的研制周期，降低研發成本。這是液體模塑工藝成功和使之具有強大的競爭實力的關鍵之一。
LCM工藝成型過程模擬以材料性能數據為基礎，如樹脂的化學流變特性、增強材料的滲透特性等處用PAM-RTM流動模擬軟件對成型過程進行模似，以確定注射方式、注膠口位置、充模時間、流動前鋒、壓力與時間的關系、樹脂固化過程與時間的關系等，從而對成型工藝參數進行優化，大大減少試驗次數并使參數更加合理的準確，另外，還可指導模具結構的優化設計、產品生產周期的預算。同時通過數值模似，可對LCM工藝過程的干斑、注射時間過長、纖維移動等主要缺陷進行分析和預測，從而提高產品質量和成品率。
2.2 大型構件快速成型技術
隨著復合材料在汽車工業應用范圍的不斷擴大，對于某些成型面積大、耐疲勞和耐候性要求高的車用大型構件，需從工藝設計上提高制品質量，降低秤成本。真空輔助成型工藝正是適應這一需求的一種低成本的復合材料大型構件成型技術。該工藝是在真空狀態下排出纖維增強體中的氣體，利用用樹脂的流動、滲透，實現對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進行固化，形成一定樹脂/纖維比例復合材料部件的工藝方法。該工藝只需一個單面的剛性模具，另一半為軟模，從而節約了模具成本；可實現多個零部件的整體成型，可大大提高成型效率。
浸漬和固化是影響復合材料成型效率的兩大重要因素，因此突破快速充模和協同固化技術是實現大型構件快速成型的重要保障。[-page-]
快速充模即是通過流道設計，實現充模過程中樹脂的快速分配，包括樹脂流道和真空通路的設計，通?？梢圆扇∫韵聨追N方式：①在軟模上預先加工設計的樹脂流動通道；②在模具表面加工真空通路，使用高滲透介質作為樹脂流動通道；③在芯材表面布設流道；④模具上加工主導流槽后和高滲透介質配合使用。
作為影響生產效率的主要因素之一，固化速度對于大型構件固化技術更為重要。在大型部件的成型過程中，可采用多種引發劑組成的快速引發體系，使其具有長凝膠時間、快速引發、高活性的特點。并可根據構件特性，調整凝膠時間和固化時間，保證大型構件在整個成型過程中樹脂能夠充分流動、浸漬，并快速固化，從而提高制品質量和成型效率。
快速成型工藝的特點是樹脂充滿快，制品纖維含量高、孔隙率低，適合制造大型產品，充模速度可達12kg/min。60kg、7m2的大型件充模僅需5min，固化僅需30min。
2.3 模具金屬化技術
復合材料液體模塑成型工藝的優越之一是可以通過減少模具投資來降低制造成本，因此在液體成型工藝中，模具設計和制造占有非常重要的地位。傳統的復合材料制造采用的模具主要有兩類：復合材料模具和金屬模具。其中復合材料模具具有成本低、制造周期短、賦型好的特點，是實現液體成型工藝低成本、高品質的關鍵之一。但復合材料模具同時具有尺寸精度不高、模具表面硬度低、耐磨性差、易損壞的缺點。
低成本模具技術與傳統模具技術相比差別很大，需要根據產品的結構形狀、成型方法及生產批量，選擇不同的模具材料、模具結構和成型方法。針對LCM成型工藝及復合材料模具的特點，可結合玻璃鋼模具低成本與金屬模具表面進行強化處理，通過在復合材料模具表面均勻覆蓋致密的金屬層，達到提高模具表面質量、硬度、耐磨性等目的，從而延長模具壽命，降低產品成本。
模具表面的金屬化處理技術主要有金屬冷噴和電鑄兩種。金屬冷噴技術是在主模型表面冷噴一層鋅鋁等低熔點合金，形成模具型腔，在其余部分添加背襯材料的一種快速制模方法。電鑄是通過在芯模上電沉積金屬，然后將金屬電鑄層從芯模上分離而制取金屬制品的成型工藝。
在復合材料模具表面金屬化處理技術中，復合材料層與金屬層間的界面匹配與復合是其中的關鍵。采用環氧樹脂、聚酰氨、三乙烯四胺、鋁粉、短切玻璃纖維進行澆注，作為背襯材料，具有良好的切削性能，而且金屬層與背襯粘結牢固，克服了金屬層易脫落的問題。另外，背襯也可采用機械方法加工出斜槽，而后澆注低熔點錫合金將鋼骨架和金屬殼連接在一起。
1 復合材料在汽車工業中應用現狀
在范圍內，汽車工業是復合材料應用量大的領域之一，并且始終保持著高速增長趨勢。樹脂基復合材料是以合成樹脂為基體，以纖維作為增強材料，通過特定工藝手段復合而成的一類新型高性能材料。與其他材料相比，具有輕質高強、可設計性強、耐沖擊、耐腐蝕、零部件一體化等優點，因此不論從性能、外形設計、還是對車輛減重方面，都得到了汽車制造廠商的青睞，廣泛應用于卡車、客車、轎車的外覆蓋件和結構件的制造。美國關鍵技術委員會曾在美國關鍵技術報告中指出：“復合材料在汽車中是保持競爭優勢的潛在源泉?！逼噺秃喜牧嫌昧康牟粩嘣黾邮侨珡秃喜牧闲枨罅靠焖僭鲩L的重要原因之一。
隨著復合材料工業化生產技術的成熟，作為汽車輕量化理想材料的復合材料已被國內汽車工業逐步認同，越來越多的車型采用了復合材料部件。1999年國內汽車復合材料用量為2000噸，2000年達到4800噸，2004年超過3萬噸。據預計，到2010年，交通運輸用復合材料用量將達到20萬噸左右，占復合材料總用量的16.7%，產值將達到60億元。
2 復合材料汽車部件制造新技術
目前，用于制造復合材料汽車部件的典型成型工藝有手糊、噴射、SMC模壓、RTM注射模塑等。每種工藝均有其佳適用的產品結構和佳適用的性產批量。其中手糊工藝生產效率低下，產品精度低，對環境污染嚴重；SMC工藝模具成本高，產品中纖維的取向難以控制，僅局限于非結構件的應用。因此，如何發展新的制造技術，降低高品質復合材料的成本，是一個亟待解決的高技術問題。
為適應于汽車部件的一體化、縮短開發周期以及日趨增加的環境保護等要求，以RTM為代表的液體模塑技術(LCM)自20世紀80年代后迅速發展起來。在過去的十多年里，汽車工業對這一技術感興趣，其原因是采用這一技術可進一步減輕車輛的重量、降低制造成本和改善車輛的性能。
復合材料液體成型技術是指將液態聚合物注入鋪有纖維預成型體的閉合模腔中，或加熱熔化預先放入模腔內的樹脂膜，液態聚合物在流動充模的同時完成樹脂/纖維的浸潤并經固化成型為制品的一類制備技術。該技術屬于高性能低成本制造技術，工藝方法靈活，尤其適合制造大型、異型結構件，并且能夠一次成型帶有夾芯、加筋、預埋的大型結構件。汽車工業中，液體模塑成型工藝具有克服大、中型規模FRP生產困難的潛力，為不同的生產規模提供了一條低成本、高效率的工藝路線，成為復合材料成型工藝的重要發展方向之一。
作為高性能復合材料的低成本制造技術，LCM工藝仍存在成品性能離散性大，微也、浸漬不良等缺陷難以控制，模具、工藝設計缺乏系統的理論指導等急需解決的核心問題。
2.1 產品結構設計與成型過程模擬技術[-page-]
LCM工藝的關鍵是在不影響已鋪放好的增強材料和模具承受過大壓力的前提下，樹脂完全浸潤模腔內的增強材料，并排除所有的空氣，不留下任何干斑。傳統方法的模具設計和工藝控制非常倚重操作工的經驗，而在這兩個關鍵處采用計算機輔助工程即可實現從試驗摸索到數值模擬的跨越。
產品結構設計的合理與否，將直接影響產品的性能使用要求，因此產品結構設計是產品生產關鍵環節之一。按照產品的使用性能要求、力學性能要求及成型工藝要求，利用ANSYS有限元分析軟件可對產品結構形式，包括增強材料的鋪層、厚度分布、局部加強設計等進行優化，實現復合材料構件強度的整體性和協調性。
LCM工藝成型過程模擬是模具和工藝輔助設計的并行工程方法，其基本的目的是優化模塑成型周期。掌握樹脂注射過程中的流動形式及流體壓力分布，可以指導模具設計。采用準確的成型過程模擬，可在計算機上進行多次反復設計，可顯著縮短新產品的研制周期，降低研發成本。這是液體模塑工藝成功和使之具有強大的競爭實力的關鍵之一。
LCM工藝成型過程模擬以材料性能數據為基礎，如樹脂的化學流變特性、增強材料的滲透特性等處用PAM-RTM流動模擬軟件對成型過程進行模似，以確定注射方式、注膠口位置、充模時間、流動前鋒、壓力與時間的關系、樹脂固化過程與時間的關系等，從而對成型工藝參數進行優化，大大減少試驗次數并使參數更加合理的準確，另外，還可指導模具結構的優化設計、產品生產周期的預算。同時通過數值模似，可對LCM工藝過程的干斑、注射時間過長、纖維移動等主要缺陷進行分析和預測，從而提高產品質量和成品率。
2.2 大型構件快速成型技術
隨著復合材料在汽車工業應用范圍的不斷擴大，對于某些成型面積大、耐疲勞和耐候性要求高的車用大型構件，需從工藝設計上提高制品質量，降低秤成本。真空輔助成型工藝正是適應這一需求的一種低成本的復合材料大型構件成型技術。該工藝是在真空狀態下排出纖維增強體中的氣體，利用用樹脂的流動、滲透，實現對纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進行固化，形成一定樹脂/纖維比例復合材料部件的工藝方法。該工藝只需一個單面的剛性模具，另一半為軟模，從而節約了模具成本；可實現多個零部件的整體成型，可大大提高成型效率。
浸漬和固化是影響復合材料成型效率的兩大重要因素，因此突破快速充模和協同固化技術是實現大型構件快速成型的重要保障。[-page-]
快速充模即是通過流道設計，實現充模過程中樹脂的快速分配，包括樹脂流道和真空通路的設計，通?？梢圆扇∫韵聨追N方式：①在軟模上預先加工設計的樹脂流動通道；②在模具表面加工真空通路，使用高滲透介質作為樹脂流動通道；③在芯材表面布設流道；④模具上加工主導流槽后和高滲透介質配合使用。
作為影響生產效率的主要因素之一，固化速度對于大型構件固化技術更為重要。在大型部件的成型過程中，可采用多種引發劑組成的快速引發體系，使其具有長凝膠時間、快速引發、高活性的特點。并可根據構件特性，調整凝膠時間和固化時間，保證大型構件在整個成型過程中樹脂能夠充分流動、浸漬，并快速固化，從而提高制品質量和成型效率。
快速成型工藝的特點是樹脂充滿快，制品纖維含量高、孔隙率低，適合制造大型產品，充模速度可達12kg/min。60kg、7m2的大型件充模僅需5min，固化僅需30min。
2.3 模具金屬化技術
復合材料液體模塑成型工藝的優越之一是可以通過減少模具投資來降低制造成本，因此在液體成型工藝中，模具設計和制造占有非常重要的地位。傳統的復合材料制造采用的模具主要有兩類：復合材料模具和金屬模具。其中復合材料模具具有成本低、制造周期短、賦型好的特點，是實現液體成型工藝低成本、高品質的關鍵之一。但復合材料模具同時具有尺寸精度不高、模具表面硬度低、耐磨性差、易損壞的缺點。
低成本模具技術與傳統模具技術相比差別很大，需要根據產品的結構形狀、成型方法及生產批量，選擇不同的模具材料、模具結構和成型方法。針對LCM成型工藝及復合材料模具的特點，可結合玻璃鋼模具低成本與金屬模具表面進行強化處理，通過在復合材料模具表面均勻覆蓋致密的金屬層，達到提高模具表面質量、硬度、耐磨性等目的，從而延長模具壽命，降低產品成本。
模具表面的金屬化處理技術主要有金屬冷噴和電鑄兩種。金屬冷噴技術是在主模型表面冷噴一層鋅鋁等低熔點合金，形成模具型腔，在其余部分添加背襯材料的一種快速制模方法。電鑄是通過在芯模上電沉積金屬，然后將金屬電鑄層從芯模上分離而制取金屬制品的成型工藝。
在復合材料模具表面金屬化處理技術中，復合材料層與金屬層間的界面匹配與復合是其中的關鍵。采用環氧樹脂、聚酰氨、三乙烯四胺、鋁粉、短切玻璃纖維進行澆注，作為背襯材料，具有良好的切削性能，而且金屬層與背襯粘結牢固，克服了金屬層易脫落的問題。另外，背襯也可采用機械方法加工出斜槽，而后澆注低熔點錫合金將鋼骨架和金屬殼連接在一起。
