国内自主轻量化车型碳纤维批量化应用案例分享(2018.04.20会议)

后背门 • SMC
后保险杠 • SMC • TMP
后扰流器 • RTM
前扰流器 • RTM
头灯底座 • RTM
轮毂 • RTM
门 • SMC • RTM
侧扰流器 •RTM
*其中RTM技术涵盖且不限于基于同一工艺原理而衍生出的RMCP,L-RTM,-C-RTM,V-RTM等成型方法 Source: element14.com
生产； 该工艺压机锁模力相对高压RTM要低，生产节拍与HP-RTM类似，但设备投资相对较少，单个产品根据价格竞争优势； 可制作产品造型复杂度相对HP-RTM要低一些
放料与切割
铺层
将料放入模具 （有时需要做预制体）
在表面上涂胶
脱模
加压固化
合模
热固性批量化成型工艺技术——快速预浸料模压PCM
成型技术及路线
该工艺原材料利用率高，生产效率高，节拍可达3-10分钟； 该工艺设备投资相对比较低，可实现手工、半自动、全自动转换，柔性化程度高；
可结合其他已有的技术如SMC等技术，实现复杂零部件（如带加强筋部件）的一体化成型。在该 工艺中，SMC作为高流动性填料用于制作部件的加强筋卡扣等复杂特征造型，而连续预浸料可作 为部件的加强部分，因而可实现既具有力学性能又可以实现高复杂造型的结构件；
• TMP: 热成型（热塑材料）
Source: roadandtrack.com
汽车应用- 外覆盖件
引擎盖 • SMC • RTM
前翼子板 • SMC
前保险杠 • SMC • TMP
后视镜 • RTM
潜在应用
样件及小批量生产可以通过预浸料、真空导流和手糊等工艺实现
顶盖 • RTM • SMC
扰流器 • Braiding - RTM
成型技术及路线
热固性批量化成型工艺技术——高压压缩RTM（HP-CRTM）
该工艺的设备与HP-RTM通用，部件生产的节拍与HP-RTM基本一致； 该工艺上先在模具合拢前留出一定的间隙，使用高压注射机注射时压力不用过高，待注射完成后进一步锁紧压机，闭合模具； 该工艺生产的部件纤维体积分数高，注射时纤维变形小，产品的机械性能好
• RTM • SMC-WCM
侧架
防撞梁 • SMC • TMP
冲击吸收盒 • Braiding - RTM
顶架 • RTM • SMC
• Braiding - RTM
• WCM
• RTM: 树脂传递模塑
• SMC: 模压成型
• WCM: 湿法模压
• PCM: 预浸料模压
*其中RTM技术涵盖且不限于基于同一工艺原理而衍生出的RMCP,L-RTM,-C-RTM,V-RTM等成型方法
高强钢 常规钢 碳纤维 镁合金 铝合金板材冲压 铝合金挤出 铸铝
案例介绍
中国恒瑞产品开发示例- 顶盖&门槛横梁
案例介绍
工艺：真空导流VARI
工艺：树脂传递模塑RTM
材料：Toray 3K碳纤维/12K碳纤维+Hexion增强环氧树脂基 材料：西格里大丝束碳纤维+Hexion增强环氧树脂基
减重比例：高于50%
成型技术及路线
原材料计算依据按照BMW与SGL碳纤维的协议价格价格在16$/KG左右；
汽车用CFRP零部件案例介绍
碳纤维应用汽车案例-迈凯伦720（2017）
案例介绍
部件：车身 工艺：碳纤维SMC+快速预浸料模压 一级供应商：意大利C.P.C 原材料供应：日本三菱 生产节拍：3分钟/件 总产能：10,000套/年
碳纤维应用汽车案例-宝马BMW i3（2013年）
宝马i3车身模块使用共计34个碳纤维零部件， 其中 13个零部件采用HP-RTM工艺； 2个零部件采用泡沫加强编织HP-RTM工艺； 其余19个部件采用湿法模压工艺
案例介绍
碳纤维应用汽车案例-宝马新7系（2015）
案例介绍
量产：2015年
碳纤维部件：A（Braided-HP-RTM）、B（PCM）、C柱（C-SMC）； 中央通道/顶盖横梁 / 门槛梁（Wet Mold）
后翼子板 • SMC
• RTM: 树脂传递模塑 • SMC: 模压成型 • WCM: 湿法模压 • PCM: 预浸料模压 • TMP: 热成型（热塑材料）
汽车应用- 内饰件
仪表盘 • RTM • SMC
仪表盘装饰 •RTM •SMC
潜在应用
样件及小批量生产可以通过预浸料、真空导流和手糊等工艺实现
主控台 • SMC • RTM
碳纤维车身工艺路线与传统车身工艺路线对比
汽车用CFRP复合材料行业展望及分析
冲压
焊接
涂装
总装
VS
注塑
胶接
总装
以碳纤维复合材料为代表的轻量化时代已经来临，中国汽车品牌需提早战略规划与布局方 能在这个以技术创新为核心原动力的时代实现腾飞
谢谢大家！
CFRP在汽车碳纤维零部件的应用 及量产化技术
中国恒瑞有限公司 杨恒
2018.04.20
汽车用CFRP成型技术及应用
汽车用CFRP零部件潜在成型技术路线及工艺 热塑性路线
成型技术及路线
热固性路线
短切纤维
长纤维
连续性纤维
连续性纤维
长纤维
注塑成型
注塑/模压成型 • GMT • LFT/LFT-D • LWRT
Source: fourwheeler.com
• RTM: 树脂传递模塑 • SMC: 模压成型 • WCM: 湿法模压 • PCM: 预浸料模压 • TMP: 热成型（热塑材料）
成型技术及路线
热固性批量化成型工艺技术——高压RTM（HP-IRTM）
可实现快速自动化放料与切割，机器人自动化搬运铺层，自动化预成型，预制体自动转运合模，快速高压注射树脂，并配合使用快速固 化树脂体系，固化后自动开模产品自动转运； 高压RTM能制作产品复杂的部件，可实现包括三明治结构的一体化成型； 由于全部生产线自动化程度高，生产节拍一般可达3-6分钟，特殊情况下，甚至可高达2分钟； 需要人工少，产品一致性好，特别适合汽车零部件等高生产节拍需求； 利用高压RTM生产线设备，还可以改进出基于快速化工艺的高压压缩RTM（HP-CRTM），低压超级RTM（Ultra-RTM）等工艺
产品：后行李箱盖内板 量产工艺：热压罐 部件尺寸：853*620mm
产品：前机盖内板 量产工艺：热压罐 部件尺寸：1962*1515mm
汽车用CFRP复合材料行业展望与分析
市场概览
碳纤维汽车市场 - 轻量化的必要性和紧迫性
轻量化与油耗、性能的关系：
实际油耗：整备质量每减重100kg，油耗 降低约0.3-0.5L/100km
成型技术及路线
亚洲首条独家专利自动化FRP成型生产线 RMCP——Rapid Multi-injection Compression Process（可适用于RMCP/HP-IRTM/HP-CRTM/WCM）
不同工艺之间成本对比
典型碳纤维汽车零部件，假定4KG重和50000件/年产量，基于（2016年）成本估算
汽车应用- 底盘部件
潜在应用
样件及小批量生产可以通过预浸料、真空导流和手糊等工艺实现
弹簧 • GFRP
引擎罩 • SMC • TMP
传动轴 • Winding-Braiding - RTM
稳定杆 • Winding-Braiding - RTM
板簧
• GFRP
油盘 • SMC
*其中RTM技术涵盖且不限于基于同一工艺原理而衍生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的RMCP,L-RTM,-C-RTM,V-RTM等成型方法
减重比例：高于50%
中国恒瑞产品开发示例- 外覆盖件
材料：碳纤维加强环氧树脂基材料 工艺：预浸料模压/预浸料热压罐/快速
多孔注入压缩成型(开发中) 减重：可达50% 产量：预计2019年达 5000 件/年
产品：左车门外板下段 量产工艺：预浸料模压 部件尺寸：1307*200*80mm
案例介绍
减重10%
安全 -节省10%动能
耐久性 -疲劳减少50%
性能 -0.5s(0-100kph)
有效负载和牵引 -增加130公斤
碳纤维汽车市场 - 轻量化的必要性和紧迫性
CO2 排放政府规定
欧洲 美国轻型载货车 日本 中国
市场概览
每公里二氧化碳排放克数，以新欧标为基准
主机厂需要轻量化解决方案和也需多方面的考量：技术优势/成本/产能/技术成熟度等
产品：左车门内板 量产工艺：热压罐 部件尺寸：1328*636*249mm
产品：左车门外板上段 量产工艺：预浸料模压 部件尺寸：1331*331*190mm
中国恒瑞产品开发示例- 外覆盖件
案例介绍
产品：右后侧围外板 量产工艺：热压罐 部件尺寸：1800*1150mm
产品：前机盖外板 量产工艺：热压罐 部件尺寸：1962*1515mm
放料与裁切
铺层
预成型
Vacuum
Vacuum
脱模
抽真空合模固化
模具预留间隙
Resin
注射浸润预制体
成型技术及路线
热固性批量化成型工艺技术——湿法模压WCM
湿法模压为开模操作，在纤维浸润之前的裁切与搬运方法与高压RTM类似； 一般情况下无需制作预成型体，但若部件的造型相对比较复杂，湿法模压难以实现均匀浸润时，需要制作预成型体； 在铺层好的纤维垛上直接自动撒上胶液，有时可在模具外面进行撒胶，有时可直接放入模具撒胶，具体根据实际状况优化
模压成型预浸料（织 物铺层）TMP 拉挤成型 编织成型 纤维缠绕 自动铺丝/铺带 • ATP/AFP 热塑性液体成型
• RTM
模压成型
• 预浸料模压 PCM
• 热压罐 Autoclave
拉H挤R成C型
编织成型 纤维缠绕 自动铺丝/铺带 液体成型
• RTM • HP-RTM • HP-CRTM • Ultra-RTM • VARI • WCM
工艺：湿法模压、C-SMC、编织-高压RTM、快速预浸料模压PCM
特点：轻质高强、快速成型
碳纤维应用汽车案例-奥迪Audi R8
多种材料混合设计 奥迪使用Ultra-RTM工艺 车身刚度增加40%
后壁板
CFRP in the vehicle
中通道 B柱
碳纤维部件总重量26KG
案例介绍
碳纤维应用汽车案例-奥迪Audi A8
模压成型
• SMC • 湿法模压
WCM
HRC现有及未来发展工艺
短切纤维
模压成型 • BMC 注射成型 • R-RIM
潜在应用
汽车应用- 车身结构件
样件及小批量生产可以通过预浸料、真空导流和手糊等工艺实现
车顶框架及加强筋
车顶横梁
• Braiding – RTM
• Braiding - RTM
• SMC
门饰 • RTM • SMC
方向盘 • Braiding – RTM
座椅框架 • TMP • RTM
*其中RTM技术涵盖且不限于基于同一工艺原理而衍生出的RMCP,L-RTM,-C-RTM,V-RTM等成型方法
Source: element14.com
• RTM: 树脂传递模塑 • SMC: 模压成型 • WCM: 湿法模压 • PCM: 预浸料模压 • TMP: 热成型（热塑材料）
• WCM
后背门框架
• RTM
• SMC
后框架
• RTM
前罩板-防火墙
• SMC
• RTM • SMC • TMP
A, B, C, D 柱及其加强筋 • TMP • RTM
底部框架
• WCM
• Braiding – RTM
车门板
• TMP
引擎盖框架
• RTM • SMC • TMP
门板加强筋 • TMP • RTM
加速性能：整备质量每减重100kg，0100km/h加速性提升8-10%
制动性能：整备质量每减重100kg，制动 距离缩短2～7m。
国家战略：2020年CO2排放112g/km
国家法规：2020年平均油耗5.0L/100km
刹车 -缩短3米距离
燃油经济性 -2mpg 0.7L/100KM
尾气排放 -减少7%