文 吳中元車體制造新紀(jì)元BMW i系車型碳纖維技術(shù)>文 吳中元車型輕量化技術(shù)是每個汽車制造商都不會忽視的研發(fā)重點(diǎn),但真正敢于將前沿科技應(yīng)"/>
>文 吳中元
車體制造新紀(jì)元BMW i系車型碳纖維技術(shù)
>文 吳中元
車型輕量化技術(shù)是每個汽車制造商都不會忽視的研發(fā)重點(diǎn),但真正敢于將前沿科技應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的量產(chǎn)車型,就不是每個制造商都有的魄力了。此時,革命性的車型往往會加速眾多先進(jìn)科技走入量產(chǎn)領(lǐng)域,比如BMW集團(tuán)最新的i系電驅(qū)動車型。
BMW i3是BMW向市場推出的第一款電驅(qū)動量產(chǎn)車型,為城市內(nèi)的交通提供了一種新的、注重可持續(xù)發(fā)展的選擇。為了實(shí)現(xiàn)它至今為止獨(dú)一無二的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,不僅需要運(yùn)用先進(jìn)的輕質(zhì)材料,而且還要采用創(chuàng)新的生產(chǎn)工藝。
BMW i3創(chuàng)新的車體架構(gòu)由兩部分構(gòu)成:一個部分是由鋁合金材料制成的、驅(qū)動車輛的“Drive模塊”,其中集成了驅(qū)動系統(tǒng)、底盤、蓄電池、結(jié)構(gòu)功能組件和防碰撞功能組件。另一個部分是碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)制成、構(gòu)成車廂主體的“Life模塊”。由于采用了革命性的設(shè)計方案并使用了碳纖維強(qiáng)化塑料,與一般的汽車制造相比,BMW i3的生產(chǎn)時間縮短了一半。這種工藝并不需要很大的投資,因?yàn)槿∠艘话阏噺S的沖壓車間以及傳統(tǒng)的涂裝車間,并且Life模塊和Drive模塊的生產(chǎn)還可以同時進(jìn)行。在BMW i系車型中的碳纖維強(qiáng)化塑料材料的使用規(guī)模,在目前全球汽車業(yè)中是絕無僅有的。
對于使用電驅(qū)動系統(tǒng)的車輛而言,輕量化車身設(shè)計具有非常重要的意義,因?yàn)槌诵铍姵厝萘恐?,車身重量也是限制續(xù)航里程的一個重要因素。車身重量越輕,續(xù)航里程也就越大。因此,為了抵消配備電氣組件所帶來的額外重量,BMW i系車型都必須采用這種輕量化車身設(shè)計和創(chuàng)新的材料。BMW i3的Life模塊主要由碳纖維強(qiáng)化塑料(CFRP)制成,這種創(chuàng)新的材料是由一家合資企業(yè)——SGL汽車碳纖維(SGL ACF)公司生產(chǎn)的。
位于美國莫斯湖的SGL ACF公司,利用碳纖維原絲和熱塑性聚丙烯腈紡織纖維生產(chǎn)出碳纖維材料。這種碳纖維的直徑僅有7微米(人的頭發(fā)絲直徑大約為50微米)。然后,為了應(yīng)用于汽車行業(yè),將大約50 000根這種單纖維整合成“粗紗”,并將其纏繞起來用于下一步加工。
另一個合資企業(yè)位于德國瓦科斯多夫的創(chuàng)新工業(yè)園,在這里將莫斯湖工廠生產(chǎn)的纖維束按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加工成輕質(zhì)的編織物。然后將不同纖維方向的編織物組合成多層的、不同朝向的碳纖維疊層,再進(jìn)行裁剪。這就構(gòu)成了在蘭茨胡特和萊比錫的BMW工廠生產(chǎn)碳纖維強(qiáng)化塑料部件和組件所需的原材料。同時,碳纖維強(qiáng)化塑料下腳料在瓦科斯多夫工廠經(jīng)過再加工,重新用于BMW i系車型的生產(chǎn)。目前,BMW i3所使用的碳纖維中大約10%來自回收材料。
在德國蘭茨胡特和萊比錫的BMW創(chuàng)新和生產(chǎn)中心,將瓦科斯多夫工廠提供的碳纖維疊層加工成BMW i3和BMW i8的車身零件。首先,用一種加熱工具使裁剪下來的碳纖維編織物具有穩(wěn)定的三維形狀。然后,多個這種預(yù)制的預(yù)成型坯件就可以組裝成一個較大的部件。這樣就可以生產(chǎn)出大面積的車身部件,這是用鋁合金材料或鋼板很難實(shí)現(xiàn)的。在預(yù)制和預(yù)成型之后,下一個工藝步驟就是利用樹脂模塑(RTM)工藝在高壓下進(jìn)行樹脂固化。此時,在高壓下將液態(tài)樹脂注射到預(yù)成型坯件中。首先使碳纖維與樹脂連接起來,然后進(jìn)行固化,從而使這種材料具有足夠的剛性和優(yōu)異的性能。經(jīng)過十年間的不斷研發(fā),BMW專家已經(jīng)成功地將碳纖維強(qiáng)化塑料部件的生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)了自動化,從而使這種部件的大規(guī)模生產(chǎn)既經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可靠,又工藝穩(wěn)定。
在萊比錫工廠新建的車身制造車間,將碳纖維強(qiáng)化塑料復(fù)合組件拼合起來,這樣就制造出Life模塊的基本結(jié)構(gòu)。由于BMW i3 Life模塊的碳纖維強(qiáng)化塑料結(jié)構(gòu)幾何融合性高,其車身部件的數(shù)量只相當(dāng)于普通鋼制車身的三分之一,整個基本架構(gòu)由大約150個碳纖維強(qiáng)化塑料組件組成。在使用碳纖維強(qiáng)化塑料制造車身時,既沒有擰緊螺絲或鉚接時所發(fā)出的噪聲,也沒有焊接時飛濺的火星,一切連接只使用最先進(jìn)的黏合技術(shù),并且實(shí)現(xiàn)了100%的自動化。BMW研發(fā)的獨(dú)一無二的車身連接工藝,可以將各個部件在不接觸的情況下精確拼合,以此保證最佳的車身剛性。
BMW i3是第一款完全采用塑料蒙皮的BMW車型。塑料件比鋼板的重量輕了一半,同時是一種不受侵蝕的表面材料,其生產(chǎn)也非常節(jié)能。此外,這種材料對于輕微損壞也并不敏感,對于一款城市中行走的車型,特別是電動車來說,這無疑是絕佳的選擇。
BMW i系車型碳纖維技術(shù)