深度解析車用CFRP濕法模壓成型工藝

　　濕法模壓并不是一種新型的成型工藝。美國Molded Fiberglass Companies公司早在1948年就已經將該工藝應用于量產。一直以來，模壓工藝（Compression Molding）主要被用于片狀模塑料（SMC）和玻璃纖維氈增強熱塑性樹脂（GMT）等材料的成型。濕法模壓成型工藝也被稱為液體模壓成型（LCM），其改進之處在于，不再采用非連續纖維增強樹脂/熱塑性聚合物預制片為原料，而是像濕鋪、樹脂灌注或樹脂傳遞模塑（RTM）等許多其他的復合材料成型工藝一樣，改用干的連續增強體和液態樹脂為原料。得益于在寶馬新7系Sedan車型上碳纖維復合材料客艙部件“碳芯（Carbon Core）”上的應用，濕法模壓工藝再次進入人們的視線。
　　寶馬工廠的濕法模壓成型工藝
　　2015年，德國壓機制造商迪芬巴赫（Dieffenbacher）公司的報告稱由于省去了樹脂注入環節，濕法模壓工藝可以被看做是高壓RTM的經濟型替代工藝。無須再將碳纖維預制件放到RTM模具中閉模進行樹脂的注入、固化，濕法模壓在壓機之外就可以將混合樹脂涂于碳纖維增強體表面。這使得壓機外的樹脂浸漬工序和壓機內的樹脂固化工序能夠同時進行。同時，樹脂（通常為環氧樹脂）由于固化前無需接觸熱模具，因此活性也會更高。Dieffenbacher報告顯示濕法模壓工藝能夠將壓制周期縮短180s，同時，允許多部件同時壓制。
       
       
　　濕法模壓工藝用于生產寶馬7系Sedan客艙幾何外形不復雜的“碳芯”部件，生產周期縮短、成本下降。
      
　　寶馬新7系Sedan配有27個CFRP部件，通過5條Dieffenbacher濕法模壓生產線和2條復合成型生產線生產。復合成型工藝將浸漬樹脂后的碳纖維預制件粘合在鋼板上，并通過模壓固化而形成碳-鋼復合部件，典型部件如寶馬7系的B柱。
　　Dieffenbacher報告稱，濕法模壓工藝自動化程度很高，其中全自動換件系統可以將更換部件的周期控制在約10min。寶馬的濕法模壓線同時采用了Dieffenbacher的CompressLite壓機系統，使操作更適合周圍的自動化環境，同時精度更高、更節能。
　　所報道的工藝過程始于碳纖維織物疊層增強體的超聲焊接工藝；之后由機械手將疊層織物運送到檢測臺上，通過相機精確反饋并調整碳纖維疊層織物的位置；隨后將其移至有2個或4個卡位的中轉臺進行整體稱重；之后，2個機械手進行環氧樹脂涂覆浸漬操作，并通過精確稱重控制終部件的質量一致性。同時，采用送風量5000 m3/hr的通風系統為該工藝環節進行通風換氣。
　　緊接著，工作臺移至進料位置，一只機械手將浸漬了樹脂的疊層織物放入壓機；隨后，壓機合模并在150℃使樹脂固化；開模后，再由機械手將固化部件移入冷卻壓機進行冷卻；移出冷卻壓機、經由放電轉換器進行質量檢測后，部件才能進入下一步裝配環節。
　　Dieffenbacher稱濕法模壓工藝適用于承載要求較高但幾何尺寸簡單的零部件，如車輛的驅動管路、車頂增強體等。盡管該工藝由寶馬7系車量產獲得關注，但它在寶馬i3和i8上早有應用。
      
　　根據2015年SGL集團的統計圖表，寶馬i3上有17個部件、i8上有21個部件采用濕法模壓成型得到。
　　成本
　　在國際工程塑料協會汽車復合材料分會2015年的會議論文"evaluation of a New 'In line prepreg' Progress Approach to Established Processes for the Manufacturing of Structural Component out of Carbon Fiber Reinforced Plastics "中，德國弗朗霍夫化學技術研究所、汽車系統技術研究所和德國卡爾斯魯厄理工大學的研究者研究發現，濕法模壓工藝與熱壓罐、預浸料工藝相比能夠降低原材料成本、提高產能。文章以成本70歐的某部件為例進行了說明，該計算中原材料成本49歐，日產能294件，每條生產線每班4名工人加一名工頭，生產線包含自動化切割臺、纖維儲存單元、1個操控臺、1個樹脂操作單元、1臺壓機、1臺工裝和精加工工作站。
      
　　樹脂
　　位于瑞士霍爾根的Dow汽車系統公司曾在2014年JEC展會上發布了一款低粘度的快速固化環氧樹脂VORAFORCE，并聲稱其特別適用于濕法模壓成型工藝。通過與 德國KraussMaffei公司和意大利Cannon合作，Dow開發了相關的成型工藝，只需對樹脂進行15-20s處理，并經30s固化，即可在60s內完成操作。但是，部件的幾何外形受限，該工藝過程更適合平直且輪廓簡單的部件。
　　美國的Hexion公司同樣開發了一款適用于濕法模壓成型工藝的環氧樹脂，完整的成型周期為75-135s，同時還可以通過“后固化”工序部分代替模內固化，進一步縮短成型周期。
　　動態流體模壓成型工藝（DFCM）
　　亨斯邁公司不僅開發了適用于濕法模壓工藝的Araldite環氧樹脂，同時通過技術改良，進一步開發了適合復雜幾何外形零部件的動態流體模壓成型工藝（DFCM），使成型周期縮短至90s以內。DFCM是一個低壓成型過程，常用的過程壓力為30 bar （3 MPa），采用Araldite樹脂，無需預制成型即可生產復雜結構件。DFCM工藝生產的復合材料中纖維含量可達65%，制品孔隙率低、力學性能優異且廢料少。據稱，與高壓RTM相比，該工藝的設備投入少，同時免除了樹脂的競流效應（race tracking）和纖維清潔等問題的困擾。
　　濕法模壓成型工藝同樣適用于熱塑性樹脂。據報道，液態熱塑性丙烯酸樹脂可用于濕法模壓或20-80℃的低溫模壓工藝生產再生復合材料部件。阿科瑪（Arkema）公司證實，該方法可用于采用多種增強體或其他功能性填充物來生產復合材料部件。與鋼材部件相比，這種材料和成型工藝的組合同時達到了30-50%的減重目標；與其他熱塑性技術相比，生產成本更低。
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