ESE Carbon公司的E2復合材料車輪轂產品線是一次固化成型的一體式全碳纖維車輪轂

通過減小轉動慣量和組合質量（含汽車的車輪轂、懸架和不受懸架支撐的其他直接連接部件在內的簧下質量），碳纖維的車輪轂提供了一系列的優勢，包括：轉動慣量和簧下質量的降低幅度高達50%，通常情況下，這有助于以更低的能耗實現更快的加速，縮短制動距離，而且由于與路面的接觸更好（機械抓地力）而改善了操控性并降低了噪聲。

　　但是，碳纖維車輪轂（無論是混合材料的還是全復合材料的）的價格卻是許多消費者難以承受的，優惠的價格也超過了1萬美元/每套，這使得這種車輪轂只能用于非常高端的跑車和豪華車輛。

　　美國ESE Carbon公司致力于為更廣泛的汽車消費者提供碳纖維的車輪轂。為此，該公司組建了五軸數控精密加工團隊，新增了先進的結構復合材料部件生產能力、訂制的纖維鋪放設備和實現自動化生產的機器人技術。

　　該公司計劃在2021年推出一次固化的一體式全碳纖維復合材料車輪轂——E2產品系列。

　　該車輪轂僅重17磅，ESE將其設計為適用于額定重量3850磅的軸，這使它能夠支撐額定總重量達6800磅的汽車。據該公司CEO Carlos Hermida介紹，能夠承受同樣重量的傳統鋁制車輪轂，其重量會超過30磅。

　　E2是一種基于普通運動美學設計的五輻輪轂，具有凹面、深碗的外觀。

　　ESE Carbon公司使用了透明度良好的耐高溫環氧樹脂系統，可提供訂制化的外觀解決方案，包括透明光澤、透明啞光和訂制顏色。

　　ESE Carbon公司對這款碳纖維車輪轂的認證方法，80%采取了美國汽車工程師學會（SAE）目前推薦的做法，這些方法適用于目前制造的所有車輪轂，包括金屬的車輪轂。

　　此外，Hermida 表示，該公司很有可能依據美國汽車工程師學會剛剛批準發布的新的復合材料車輪轂推薦規程SAE J3204，對市場上個一體式的車輪轂進行認證。

　　與針對金屬車輪轂的SAE推薦規程一樣，這一針對復合材料車輪轂的新建議通過各種疲勞和沖擊試驗解決了耐久性問題，它還特別針對復合材料而增加了有關環境影響的新要求。

　　采用訂制纖維鋪放技術

　　ESE Carbon公司的車輪轂采用訂制纖維鋪放技術（TFP）制成，這項技術允許該公司以較快的節拍大批量地生產力學性能優良的碳纖維部件。

　　TFP的工作原理是，將纖維束排列鋪放到結構性能所需的位置，并在一個兼容的基層上將它們縫合到位。這一制程取代了傳統的將機織物裁剪成所需形狀的方法。

　　該公司采用韓國Hyosung Advanced Materials公司提供的工業級別的碳纖維絲束和ZSK Stickmaschinen GmbH（德國Krefeld，以下簡稱ZSK）的TFP技術來縫合層，從而創造出近凈形狀的預成型件。

　　訂制的纖維鋪放：ESE Carbon公司采用ZSK Stickmaschinen GmbH的訂制纖維鋪放技術（TFP）制造碳纖維車輪轂（圖片來自ESE Carbon Co.）

　　當縫合成所需形狀時，通過控制絲束路徑，可以將材料只鋪放到終的預成型件需要它的地方。沒有縫合的，只是傳統的疊層設計中需要被剪掉的織物面積。由于能夠符合復雜的形狀，因此這一過程減少了將機織物切割成形時所產生的早期廢物以及后處理造成的浪費。

　　在采用TFP技術之前，初使用的是傳統的碳纖維織物。TFP技術的使用使該公司減少了50%的層數，從而創建了一個簡化的鋪層過程并大程度地減少了浪費。

　　采用TFP技術，碳纖維廢料從使用傳統碳纖維織物時的大約40%減少到目前的10%以下。此外，這項技術還改善了鋪層質量，優化了纖維取向并增加了設計的靈活性。

　　航空級別的絲束：ESE Carbon公司的E2車輪轂采用了Hyosung Advanced Materials公司提供的碳纖維絲束（圖片來自ESE Carbon Co.）

　　“在我們的輻條中有許多彎曲，這使鋪層（疊層）復雜化。采用傳統織物，碳纖維疊層的取向會受到限制。”Hermida解釋道，“但采用TFP，使得在任何方向上創建直線或曲線圖案的能力幾乎不受限制，從而能夠設計出經過優化的疊層。與采用傳統織物相比，能更有效地管理載荷和應力。”

　　對疊層的改進使得ESE Carbon公司顯著降低了成本。在切換成TFP之前，鋪層對于該公司而言是一大生產瓶頸。使用TFP后，減少了疊層層數，提高了效率，使得鋪層時間縮短了近50%，這樣，每副模具每天可以生產出更多的部件。

　　完全灌注、一次固化的輪轂

　　除了投資TFP技術外，ESE Carbon公司還采用了一種專有的壓縮樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝來生產E2，所用的訂制壓機由該公司的工程團隊設計。

　　Hermida表示，實現一個完全灌注、一次固化的輪轂充滿了挑戰，這其中的一個關鍵部分是選擇正確的樹脂系統。

　　“我們需要一種高度透明的快速固化系統，它必須性能穩定、黏度低且玻璃化轉變溫度（Tg）高。”Hermida說道。

　　為此，該公司選用了亨斯邁先進材料的Araldite作為其環氧樹脂系統原料。該樹脂系統提供了所需的低黏度，可以實現更快速的澆注以浸潤纖維使其便于加工，同時還能靈活地適應不同的模具條件和節拍時間。

　　利用Araldite樹脂系統，ESE Carbon公司提高了生產效率，增強了輪輞強度，即使車輪轂處在制動帶來的高溫環境中也同樣如此。

　　與同樣擁有高玻璃化轉變溫度（高達200℃）的傳統環氧樹脂相比，Araldite樹脂系統的延伸率和斷裂韌性更高。該系統可在模內中溫固化，然后有選擇性地在模外進行高溫后固化，這樣就能縮短在模內的停留時間，確保終獲得的輕質復合材料輪輞具有良好的耐疲勞性能，這對于車輛運行過程中暴露在反復循環/壓力狀態下的車輪轂而言，是確保其耐久性的關鍵。

　　持續提升自動化水平

　　ESE Carbon公司計劃在2020年季度對E2車輪轂進行路試，并將于2020年晚些時候交付用于后市場的車輪轂。該公司表示，其已開始與一些OEMs展開交流。隨著E2的上市，問題又回到了成本上。

　　“碳纖維車輪轂的制造有許多獨特之處。雖然我們現在采用了自動化技術，但為了將車輪轂的價格降到理想的價位，我們仍需要大量地訂制開發自動化技術。”Hermida表示。

　　隨著對TFP技術的應用，ESE Carbon公司在提升生產的自動化水平方面取得了很大進步，甚至還實現了車輪轂后處理加工的自動化。目前，該公司正在利用機器人來努力提升諸如修邊、疊層的拾起放置以及預成型等操作的自動化水平。

　　該公司的初始目標是，以低于9900美元的價格提供4個一套的E2車輪轂。雖然這依然很貴，但卻代表了該公司朝著正確的方向邁出了一步?？傊摴镜淖詣踊椖繉⒂兄谙麥p成本。

　　“這只是個起點。”Hermida表示，“我們的目標是接近鍛鋁車輪轂的價格。”類似的鍛鋁輪轂價格在5000～7000美元之間。