【汽車】用氣囊輔助壓縮成型的衍生工藝生產具有熱壓罐工藝品質的汽車部件
在高性能汽車制造領域，碳纖維增強塑料（CFRP）部件對于實現最佳的強度/重量比以及滿足嚴格的效率要求變得日益重要。但是，傳統的CFRP部件制造方法，如熱壓罐固化，通常難以滿足汽車行業對生產效率、質量一致性和成本效益的要求。為應對這些挑戰，HP Composites（意大利 Ascoli Piceno）開發了其專有的AirPower 技術。
AirPower技術結合了基于氣囊輔助壓縮成型（BACM）原理的衍生工藝、可訂制的材料科學以及對工藝過程的控制，每年能以1500件的產量，成功地生產出瑪莎拉蒂MC20超級跑車的復雜CFRP車頂，從而展示了該技術能以汽車規模的生產效率實現復雜、高質量復合材料部件的生產。
瑪莎拉蒂MC20的碳纖維復合材料車頂采用HP Composites公司的 AirPower 技術制成，該技術是氣囊輔助壓縮成型（BACM）的衍生工藝（圖片來源：瑪莎拉蒂）
為汽車應用而增強的BACM
AirPower技術是建立在久經考驗的BACM工藝的優勢基礎之上，BACM已證明了其能夠生產纖維體積含量高達67%且孔隙率低至0.2%的航空級復合材料結構。BACM 工藝的核心是，在壓制模具中使用了一種充氣氣囊系統，因而能夠在整個復合材料層壓板以及在整個生產過程中實施訂制的壓力控制。
瑪莎拉蒂MC20的車身結構凸顯了復合材料的中央盆體和車頂結構，它們與前后兩個鋁制副車架相連（圖片來源：瑪莎拉蒂）
傳統的BACM機構是由一個具有上下兩部分的金屬壓模組成，上部的充氣氣囊充當下部的對模。HP Composites的AirPower技術通過引入分體式下模設計以及整合了氣囊與真空袋功能的訂制柔性對模而增強了這一設計。這種分體式下模由上半部分和下半部分組成，下半部分是用作加熱表面的金屬結構，上半部分是可拆卸的CFRP薄殼。這種創新設計允許在上部鋪放預浸料層而無需啟動固化，同時使下部保持在固化溫度。CFRP殼結構確保了對熱應力和殘余應力進行適當的管理，因為它的熱膨脹系數與制成品的相匹配。柔性對模安裝在CFRP薄殼上，當模具閉合時，密封到下模的外邊緣，從而在制造過程中在柔性對模的頂部提供氣壓，在底部提供真空。
HP Composites的研發項目經理 Vincenzo Castorani 解釋說：“下模的下部保持部件的固化溫度，上部的CFRP部分充當薄的隔熱器而與熱源隔開，這樣，我們在準備好之前就能層壓部件而無需開始固化過程。通過將模具保持在140℃的恒溫，AirPower 消除了重復的加熱和冷卻循環，與傳統的熱壓罐工藝相比，可節省高達 50% 的能源。
訂制充氣氣囊
HP Composites的柔性對模是其 AirPower 復合材料制造工裝的關鍵組成部分，其作用是對復合材料層壓板施加均勻的壓力，即使在具有復雜形狀或底切的區域也是如此。HP Composites為客戶訂制設計并制造柔性對模，控制厚度、硬度和材料成分。該柔性對模采用的是一種高度訂制的合成橡膠，它由單體訂制聚合而成，具有所需的性能。
AirPower工制程藝，其中包含用于制造特定部件的訂制柔性對模（圖片來源：HP Composites）
HP Composites的銷售經理 Michelangelo Mastroberti 強調了柔性對模設計的重要性。“這種合成橡膠的厚度正是為柔性對模在施壓和固化過程中發揮作用而量身訂制的。”他說道，“橡膠的化學成分是均勻的，而它的設計特征即厚度和橡膠類型、形狀和密封表面，都適用于所生產的部件，從而確保其在整個生產過程中具有所需的耐用性和一致性。”
制造柔性對模是從制備一個與氣囊所需形狀相匹配的堅固的母模開始的。該模具的設計要滿足所制造的復合材料部件的特定要求，包括復雜的形狀、底切或集成的嵌件。接下來，是將定量的訂制合成橡膠材料應用到模具中。
使用 AirPower 技術制造CFRP部件所需的訂制對模（圖片來源：HP Composites）
母模與合成橡膠相結合，并在特定的固化周期內經受熱壓罐固化。柔性對模的密封部分對于保持壓力和真空至關重要，因此需要特別注意。
固化完成后，將柔性對模脫模，并仔細檢查是否有缺陷或不規則之處，并修剪掉多余的材料。然后，再進行嚴格的質量控制檢查，以確保其尺寸精度、表面質量和力學性能。接著進行壓力測試，以在模擬制造的條件下驗證其性能。
雖然柔性對模的制造工藝復雜，但由于可將其設計為可訂制和可重復，因而使得生產質量可重復的產品成為可能，從而為以汽車規模的生產效率生產復合材料部件提供了支持。在柔性對模制造方面，HP Composites積累了專業知識，并設有專門的部門專注于這些關鍵組件的設計、制造和維護。
熱管理和能源效率
熱管理是AirPower技術的一個重要方面。AirPower機器使用電阻加熱，加熱芯穿過上下金屬壓機結構。內部設計的電源系統確保溫度在模具表面得到均勻分布。“最近的生產運行表明，與傳統的充氣氣囊成型工藝相比，能耗降低了50%。” HP Composites的團隊解釋說，“能效的提高降低了生產成本，并有助于減少對環境的影響。”
用于生產瑪莎拉蒂 MC20 車頂結構的 AirPower 機器（圖片來源：HP Composites）
“雖然AirPower 技術需要金屬模具和合成橡膠對模，一開始這會對環境帶來影響，但與熱壓罐模具相比，由于這些工裝的使用壽命更長，從而抵消了其最初對環境的影響。”HP Composites的團隊繼續說道，“此外，熱壓罐工藝需要消耗真空袋，而且真空袋必須經常更換，這會帶來額外的浪費和資源消耗。由于復合材料行業優先考慮可持續性和環境責任，像AirPower這樣的技術將在減少制造過程對生態的影響方面發揮重要作用，同時還能滿足嚴苛應用所需的高性能標準要求。”
生產瑪莎拉蒂MC20車頂的模具，其下模部分的真空管路連接允許在制造過程中在柔性對模的頂部施加氣壓，在柔性對模的底部施加真空（圖片來源：HP Composites）
瑪莎拉蒂MC20車頂的材料開發和結構設計
HP Composites與瑪莎拉蒂合作，使用其AirPower技術，制造瑪莎拉蒂頂級跑車MC20的車頂。針對此應用，HP Composites 開發了一種訂制的 CFRP 預浸料，其編織結構旨在優化結構性能和生產效率。其結果是一種高克重的編織 CFRP 織物，它允許使用更少的層，加速層壓過程，具有工程懸垂性，有助于車頂復雜形狀的成型。
瑪莎拉蒂MC20車頂結構的預浸料鋪層。左圖顯示了鋪放的車頂結構上層，中圖顯示了在結構中放置鋁嵌件的粘接過程，右圖顯示了結構的內部骨架層（圖片來源：HP Composites）
開發訂制的CFRP預浸料離不開HP Composites與瑪莎拉蒂的廣泛合作。該材料經過一系列的測試而得到表征，以確定其性能特征并創建材料卡。這些數據使得鋪層設計成為可能，同時還考慮了生產工藝和加強A柱和B柱等關鍵區域的需求。
瑪莎拉蒂設計負責人 Gianluca Monsurrò 概述了其設計理念：“主要目標是最大程度地實現車頂與汽車主體的集成，使我們能夠最大程度地減少材料用量，同時滿足性能要求并創造盡可能輕的車頂結構。”MC20的車頂包含一系列鋁制嵌件，這些嵌件在確保結構完整性以及與車輛的集成方面起著至關重要的作用。HP Composites 還開發了一種訂制的層壓工藝，可以在復合材料與金屬嵌件之間建立適當的牢固連接。該工藝包括表面處理，以防止電偶腐蝕并確保牢固連接以實現最佳性能。
制造流程優化
為實現高效固結并確?？紫堵首钚。琀P Composites為MC20的車頂設計了訂制的生產流程。在部件整合過程中，訂制柔性對模上方的氣壓會向頂部施加高達 8 bar 的壓力，同時在下面抽取真空。車頂的構造過程涉及多次將多層的CFRP 結構粘接在一起，這些必須在生產過程中完美匹配。防火墻也在同一過程中被粘接到車頂結構上。
此圖為特定部件的后處理過程。通過將下模（左圖）分為上、下兩部分，可以防止在成型部件與熱的下部分之間形成直接的熱通道，從而實現在模內進行冷卻管理。然后將部件從壓機中取出，并在冷卻站（中圖）進一步優化冷卻。冷卻完成后，CFRP 部件即從熱的分離器（右圖）上脫模（圖片來源：HP Composites）
脫模過程中的熱管理是確保成品形狀穩定的關鍵因素。為精確控制冷卻速率，HP Composites開發了AirPower機構來防止任何可能導致部件變形或損壞的熱應力。通過對冷卻速率的精心平衡，可以確保工業化的生產效率，同時避免損壞部件。從鋪放預浸料到獲得完全固結的部件，僅需2小時。經過精心的固化后操作（包括修整、鉆孔和表面處理），即可確保復合材料結構及其與金屬嵌件界面的完整性。
過程控制與質量保證
HP Composites 采用無損檢測方法（如熱成像分析和超聲波）作為強大的質量控制措施。瑪莎拉蒂 MC20的車頂經過了嚴格的測試，以驗證其結構性能及其對車輛整體扭轉剛度和碰撞安全性的貢獻。測試機制包括：循環載荷測試，以模擬道路對A柱和B柱等主結構的影響；振動測試，以了解金屬與復合材料結構之間的粘接效果。Castorani表示：“我們發現，層壓板的緊實性和性能水平與更耗時、更耗能的熱壓罐工藝制成品的完全相同。”
最終的車頂結構僅重26公斤，這對MC20的輕量化設計作出了重大貢獻，因為整車僅重1200公斤。該車頂在碰撞情況下的結構完整性滿足了所有的目標要求，證明了AirPower技術在生產高性能復合材料部件方面的有效性。
可擴展性和行業影響力
在最大產能下，HP Composites每天兩班制可以生產8個MC20車頂。Mastroberti 強調了該技術的可擴展性優勢：“為了每年為瑪莎拉蒂生產1500套生產運行套件，我們總共只需要8個柔性對模。而使用熱壓罐技術要獲得同樣的效果，則需要 30 多副模具和相當數量的熱壓罐。”
MC20 車頂項目的成功，凸顯了AirPower技術在汽車復合材料行業具有更廣泛的應用潛力。HP Composites 已經應用這項技術為瑪莎拉蒂集團生產了其他部件，包括側裙、前后擴散器和分流器。對于其中的一些部件，該公司采用了快速固化的樹脂系統，進一步將生產周期從幾小時縮短到不到20分鐘。
AirPower技術的可擴展性不僅限于汽車行業。Mastroberti表示，該公司正在探索在衛星和太空領域應用的機會，以利用該技術生產具有不同形狀的復雜部件而不影響質量。
原文鏈接：
https://www.compositesworld.com/articles/bladder-assisted-compression-molding-produces-complex-autoclave-quality-automotive-parts
