纖維增強塑料（FRP）作為輕質材料，替代傳統金屬材料，在汽車輕量化生產中的應用穩步提高。其中，除了傳統復合材料部件的應用外，還包括多材料的混合應用。從單材料到多材料的變化給成產工藝帶來了較大的挑戰。成型技術和機械研究所（IFUM）針對車用混合材料成型技術進行了研究和開發，并對材料部件的可靠性進行驗證。

 

　　1.1 混合成型工藝

 

　　關于形成金屬-FRP混合組分的主要方法有兩種。一方面，可以在成型之前或在兩個單獨的成型過程之后將復合材料進行連接。另一方面，可以在一個單獨的工藝步驟中實現連接和成形。即，將預先浸漬樹脂的鋼板與碳纖維增強聚合物（CFRP）一起固化成型， 環氧樹脂粘附到鋼表面，并在固化后產生牢固的粘合力。

 

　　近年來，熱塑性材料憑借加工時間段、可回收、可熱連接等優點越來越受青睞。德累斯頓工業大學開展了一系列研究項目，采用織物增強熱塑性復合材料和金屬薄板，通過一步成型法，經注塑和模壓成型具有3D結構的扁平FRP半成品。如，采用三維肋條結構對汽車B柱進行加強。

 

　　1.2 混合成型過程的仿真和建模

 

　　混合材料部件的設計和開發一般需要建立材料模型，進行數值模擬，從而確定工藝參數。對于各向同性材料，使用Mises屈服準則；而各向異性材料則可選擇Hill屈服準則。針對纖維增強的熱塑性材料，采用耦合法建模和均質化FE建模兩種方法，具體如下圖1。纖維增強熱塑性片材成型過程模擬的關鍵因素是纖維的取向分布，對成型后纖維取向的預測是建模的關鍵。而對于熱塑性基體，其剛度很大程度上取決于成型溫度，且溫度對成型階段的起皺行為有很大的影響。

 

　　對于混合材料成型工藝參數的確定，需要對不同材料間的界面結合進行建模，夾芯結構的材料需要重點關注結合界面的失效形式。對于一次注射成型過程的模擬將通過預浸料與中間層結構粘接情況的分析，預測其對結構剛度和強度的影響。

 

　　2、成型過程與仿真開發

 

　　本章介紹了夾心層結構的成型過程，并采用有機片材和玻璃氈增強熱塑性塑料（GMT）制備了電池托盤。同時對各組件間的連接工藝進行研究。

 

　　2.1 三明治夾心層結構的設計

 

　　夾芯結構的設計如圖2所示，其在鋼板與碳纖維增強PA6材料之間為材料粘合劑連接，而是通過增加一層PA6，直接熱連接到鋼板表面。

 

　　2.1.1 加熱和冷卻工藝參數的設定

 

　　為實現在一個模具中進行加熱、浸漬和固結，設計了如圖3中所示的加熱方案。先將部件加熱到高于熱塑性基質的熔融溫度，形成半成品，并在壓力作用下浸漬纖維。在固結階段，僅冷卻部件輪廓的外邊緣區域，中心層保持在高溫下。冷卻裝置停止后，存儲在部件中的熱能流回表面，從而使部件快速重新加熱。

 

　　圖4為冷卻階段成型模具的熱成像圖像。可以看出，在啟動冷卻幾秒鐘后，在模具中建立了清晰的溫度梯度。約45 s后，表面溫度達到約160℃，中心溫度保持在250℃。實驗中將模具重新加熱至250℃成型溫度的時間僅需5-6分鐘，約是初始加熱所需時間的四分之一。

 

　　2.1.2 部件的生產

 

　　帽型部件的結構和材料設計如圖5所示，其在245-260℃的溫度下實現了較好的浸漬、和粘合，終固結質量良好。圖6為帽型部件底部區域的截面圖，可以看出，溫度在230℃時，纖維的浸漬和零件的固結不充分；在250℃時可獲得較為理想的結果；溫度提升至280℃時發生了熱降解。

 

　　為在成型過程中復合材料與金屬表面形成牢固而穩定的粘合，通過考慮中間層的壓力和溫度參數進行建模，如圖7所示。

 

　　2.1.3 夾層結構的界面結合

 

　　對夾層結構的粘合情況進行分析，研究部件在成型過程中各夾層結構的失效機理，具體如圖8。圖8a左側為牽引力分離曲線。為研究夾層結構（厚度1.2毫米）與金屬薄板外層（HC鋼）和聚合物芯在剪切載荷下的界面的失效行為，進行了改進的拉伸試驗（見圖8b），有限元失效模擬如圖8c。

 

　　2.2 混合材料電池包殼體的模壓成型

 

　　作為BMBF項目ProVorPlus的一部分，IFUM開發了混合材料電池托盤。托盤由殼體、階梯形結構和隧道形結構組成。通過加強筋實現隧道結構的加強，外殼采用有機片材，并通過GMT肋條結構進行加強。

 

　　2.2.1 工藝流程設計

 

　　采用有機片材通過折疊十字形坯料，形成階梯狀和隧道狀結構。成型過程中的重要挑戰是隧道結構的起皺問題，如圖9。為防止壓縮折疊時纖維發生斷裂，可以通過減小通道區域中的夾持寬度來引導纖維。此外，在通道區域內設置了空腔和額外的1mm的片材間隙，用于壓縮成型工藝，其目的是將GMT材料的分布限制在隧道幾何形狀內。

 

　　2.2.2 數值模型

 

　　采用LS-Dyna通過均質化方法建立仿真模型，如下圖。為分析溫度的發布變化，假設有機片材各方向的熱導率一致。為達到增強結構的目的，增強肋條必須適當的結合到隧道結構中。因此，GMT和有機片之間的中間層溫度必須至少在粘結的一側超過熔化溫度。通過對有機板和GMT之間的熱傳遞進行建模，可以在仿真模型中實現此熱過程的模擬分析。

 

　　2.2.3 實驗結果

 

　　電池包殼體的成型結果如圖12所示，有機片材與隧道型結構形成密封。底部和壁區域也實現了良好的固結（如圖13a和圖13c），而圖13b顯示，纖維在內半徑處聚集，在邊緣的連接時，纖維垂直于切割平面重新排列，沒有觀察到清晰的連接區域，且沒有看到纖維束松散末端的混合。此外，在接合區域中未檢測到空隙。為了檢查有機薄板和GMT之間的結合，切開了隧道區域，其顯微圖如圖14。有機片的表面適當地結合到GMT，實現了從有機板材到GMT的無縫過渡。

 

　　模擬結果表明，GMT成分無法防止皺紋的形成。此外，可以觀察到側面的溫度提前下降，且由于溫度降低，基質材料的剛度大大增加，從而限制了織物的進一步流動成型。在后期，隧道區域與模具接觸，溫度開始降低，直到實現與GMT的接觸為止。GMT的較高溫度導致有機片在成形階段結束時溫度升高，超過了熔融溫度，造成的表面重熔正確地解釋了在實驗過程中觀察到的鍵形成。

 

　　3、結論

 

　　本文介紹了兩種新的成型技術，一種是通過變熱工具實現一步工藝的夾芯結構成型。其目標是實現纖維的完全浸漬、固結和牢固的粘接。通過成型過程對結合界面的仿真分析，可實現層間失效的預測。另一個項目開發了一種新型模壓成型工藝，并制造了復合材料電池包殼體。通過有限元分析對成型工藝進行仿真優化，預測中間層的形成和熱傳遞。后實驗結果顯示了與仿真模擬較高的一致性。