侯偉健，魏秀賓，徐光磊

淺析PCM快速成型技術(shù)

侯偉健，魏秀賓，徐光磊

（山東格瑞德集團(tuán)有限公司，山東 德州 253000）

隨著我國(guó)新能源電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)電動(dòng)汽車的性能要求也越來越高，其中電動(dòng)汽車輕量化問題占據(jù)了首要位置，作為新能源電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的上蓋也成了主要減重目標(biāo)。文章主要介紹PCM快速成型技術(shù)、產(chǎn)品成型工藝及設(shè)備需求，并通過對(duì)PCM快速成型技術(shù)的介紹、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、原材料與設(shè)備需求情況進(jìn)行淺析，簡(jiǎn)述技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)發(fā)展必要性及優(yōu)化改進(jìn)的建議。

PCM；FRP；電池蓋；原材料；輕量化

1 前言

新能源汽車進(jìn)入了迅速發(fā)展的時(shí)期，動(dòng)力電池的能量密度等也不斷提升，因此對(duì)高能量密度的電池安全問題的關(guān)注度也越來越高。輕量化是目前電動(dòng)汽車發(fā)展的重要方向，是節(jié)能減排的重要手段[1-2]。作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵部位的電池箱蓋，其輕量化也是提高車輛續(xù)航里程的重要途徑。

經(jīng)過近幾年的不斷研究開發(fā)，現(xiàn)有電池箱蓋主要采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基熱固性復(fù)合材料（FRP）及玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料（PP）制成，其中包含的成型工藝有SMC、RTM及LFT-D等工藝，因工藝技術(shù)及原材料的限制電池蓋的厚度均在3mm以上，故電池蓋重量無法繼續(xù)降低。PCM快速成型技術(shù)的出現(xiàn)，利用玻璃纖維環(huán)氧預(yù)浸作為原材料，電池蓋成型厚度最小可達(dá)到0.9mm，因此電池蓋重量可減少40%以上，此種電池蓋的性能參數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為電池安全帶來保證。

2 PCM快速成型技術(shù)概述

PCM快速成型技術(shù)是基于快速固化環(huán)氧預(yù)浸料以及結(jié)合模壓工藝產(chǎn)生的一種快速成型工藝技術(shù)。

電池蓋快速成型工藝流程包含預(yù)浸料裁剪、預(yù)浸料鋪貼、模壓固化、后加工等，流程如圖1所示：

圖1 PCM快速成型技術(shù)流程圖

（1）利用FiberSim軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，輸出二維裁剪圖紙，操作自動(dòng)化裁布機(jī)對(duì)所需預(yù)浸料進(jìn)行程序化裁剪，完成需要的料片形狀裁剪，為下一步準(zhǔn)確鋪貼做好準(zhǔn)備工作。

（2）操作人員在待用的轉(zhuǎn)移襯套模上進(jìn)行產(chǎn)品預(yù)制體鋪貼，嚴(yán)格處理邊角對(duì)接位置，避免模壓時(shí)影響產(chǎn)品性能。鋪貼過程中需在20-25℃的潔凈房間內(nèi)進(jìn)行，來確保操作過程中的方便性與準(zhǔn)確性。

（3）襯套模定位后，利用五軸機(jī)械手將鋪貼完成的襯套模放置在加熱模具體上，操作液壓機(jī)，主缸下行合模，電池蓋進(jìn)入固化階段，加熱模具型腔內(nèi)溫度控制在150±5℃，產(chǎn)品單位投影面積內(nèi)壓強(qiáng)在1-2Mpa之間。固化完成后將襯套模轉(zhuǎn)移，開啟大功率工業(yè)風(fēng)扇對(duì)電池蓋進(jìn)行風(fēng)冷后脫模流轉(zhuǎn)。

（4）電池蓋成型后，利用五軸機(jī)械手激光切割設(shè)備對(duì)產(chǎn)品各個(gè)安裝孔進(jìn)行精確切割，完成電池蓋的最終加工。

（5）電池蓋進(jìn)行氣密性檢測(cè)以及尺寸檢測(cè)。根據(jù)新能源汽車自燃的分析，大部分是由電池包進(jìn)水短路造成，所以電池蓋氣密性的好壞直接影響到pack電池包的安全性，電池蓋的氣密性檢測(cè)必須要嚴(yán)格執(zhí)行。

快速成型技術(shù)中，襯套模需要多個(gè)同時(shí)進(jìn)行人員鋪貼，才可以保證快速成型的節(jié)拍，現(xiàn)階段寧德時(shí)代新能源（CATL）已采購多家具有此工藝技術(shù)廠商的電池蓋，并且在訂單量上呈增加的趨勢(shì)。

3 PCM快速成型技術(shù)優(yōu)勢(shì)

表1 三種工藝成型電池蓋性能對(duì)比表

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，F(xiàn)RP、PP量產(chǎn)新能源電池蓋的需求量也越來越大，作為汽車輕量化的方向上的主要部件，電池蓋持續(xù)減重也至關(guān)重要?，F(xiàn)有主流工藝性能參數(shù)比較如表1所示。

3.1 輕質(zhì)、高強(qiáng)、高表面質(zhì)量

（1）從平均面積重量性能參數(shù)看出，同類產(chǎn)品PCM減重≥40%。

（2）拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度與產(chǎn)品厚度的乘積，即為產(chǎn)品的強(qiáng)度，從表中數(shù)據(jù)可以得出，三種玻璃鋼成型工藝，PCM的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)也十分明顯。

（3）由于PCM成型工藝中，基體樹脂流動(dòng)相對(duì)很小，不會(huì)造成周邊富樹脂區(qū)，通過控制預(yù)浸料的樹脂含量，能確保產(chǎn)品表面光潔，無玻纖痕和樹脂流痕等缺陷。

3.2 成型效率

針對(duì)量產(chǎn)電池箱上蓋，設(shè)計(jì)的方案是：每套模具配套3-5套襯套模，將預(yù)制體的制作與模壓工序同步，每套模具的生產(chǎn)節(jié)奏可控制在10-15min/件。

4 PCM快速成型技術(shù)原材料支持

PCM快速成型技術(shù)的關(guān)鍵成型材料為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧快速固化預(yù)浸料，目前參與技術(shù)開發(fā)的項(xiàng)目所用的基本都是江蘇恒神股份有限公司的EV101-UL 預(yù)浸料。

EV101-UL預(yù)浸料是一款阻燃環(huán)氧材料體系，可滿足電池蓋阻燃要求?？椢镱A(yù)浸料纖維面密度為 200~650g/㎡，完全滿足目前成型工藝的設(shè)計(jì)需求。 EV101-UL 系列預(yù)浸料樹脂含量可以根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)整，樹脂含量偏差為±3%，可滿足電池蓋表面光潔度要求；同時(shí)按工藝要求可調(diào)節(jié)固化溫度、固化時(shí)間，大大滿足了工藝多樣化的需求。

利用PCM快速成型技術(shù)工藝（150℃×5min）成型的玻纖織物預(yù)浸料層壓板典型物理性能如表2所示：

表2 力學(xué)性能表

注：*預(yù)浸料纖維體積含量為 60%。

表3 阻燃性能表

5 PCM快速成型技術(shù)設(shè)備需求

目前已有較為成熟的PCM快速成型生產(chǎn)線及設(shè)備，自動(dòng)化設(shè)備模塊為快速成型技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了能達(dá)到快速成型需求，目前生產(chǎn)線配備的自動(dòng)化設(shè)備主要包含：

（1）自動(dòng)化裁布機(jī)。FiberSim軟件提供精確鋪層圖紙，自動(dòng)化裁布機(jī)高效準(zhǔn)確的裁剪預(yù)浸料樣片。

（2）襯套模。采用P20模具鋼加工的薄殼體襯套模，加快了溫度傳導(dǎo)速度，減少了成型節(jié)拍；表面呈亮光澤面，為電池蓋外觀提供保障。目前臺(tái)州優(yōu)普塑模有限公司加工此工藝技術(shù)用模具相對(duì)成熟。

（3）五軸機(jī)械手。利用ABB機(jī)械手臂對(duì)襯套模進(jìn)行轉(zhuǎn)移放置，準(zhǔn)確放置定位杜絕了人員操作不當(dāng)對(duì)襯套模的磕碰及損傷，縮短了操作時(shí)間。

（4）四柱式液壓機(jī)。使用廈門泰田液壓制造高精度四柱式液壓機(jī)，進(jìn)一步控制產(chǎn)品的成型精度。

（5）高精度激光切割設(shè)備。采用五軸激光切割設(shè)備，保證產(chǎn)品安裝孔的加工精度。

（6）自主研發(fā)通用氣密檢測(cè)設(shè)備。全尺寸工作臺(tái)面，滿足各種型號(hào)規(guī)格的電池箱蓋進(jìn)行測(cè)試，氣體泄漏量測(cè)量準(zhǔn)確，全自動(dòng)一鍵操作。

6 結(jié)束語

PCM快速成型技術(shù)作為新能源汽車電池蓋生產(chǎn)的一項(xiàng)前沿技術(shù)，相比于SMC、LFT-D成型工藝，電池蓋具有超薄的主體、超高的物理性能以及較優(yōu)的制造環(huán)境。有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)前景，目前國(guó)內(nèi)多家復(fù)材制品公司已有產(chǎn)能布局，并已經(jīng)在乘用車和商用車電池上應(yīng)用，量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)有待結(jié)合量產(chǎn)項(xiàng)目去進(jìn)一步積累和完善。

PCM快速成型技術(shù)模具方面設(shè)計(jì)還是重中之重，目前國(guó)內(nèi)制作經(jīng)驗(yàn)還有所欠缺，建議與模具廠、主機(jī)廠、材料供應(yīng)商等各方合作，積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模具優(yōu)化使電池蓋表面效果更加完美。

[1] 武萬斌,年雪山.汽車輕量化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車工程師,2017 (01):15-17.

[2] 鄭斯?jié)?汽車輕量化技術(shù)[J].科技與創(chuàng)新, 2016, 000(001):131-131.

Brief Analysis of PCM Rapid Prototyping

Hou Weijian, Wei Xiubin, Xu Guanglei

（Shandong Great Group Co., Ltd., Shandong Dezhou 253000）

With the rapid development of new energy electric vehicles (evs) in China, the performance requirements for evs are becoming higher and higher, and the issue of evs'lightweight occupies the primary position, as a new energy electric vehicle power battery cover has become the main target of weight reduction. This paper mainly introduces the PCM Rapid prototyping, product forming process and equipment requirements, and analyzes the PCM Rapid prototyping's introduction, technical advantages, raw materials and equipment requirements, the application status, necessity of technological develop -ment and suggestions for optimization and improvement are briefly described.

PCM; FRP; Battery cover; Raw materials; Lightweight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.040

U466

A

1671-7988(2021)07-126-03

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侯偉健（1993.03-）， 男，漢族，本科，就職于山東格瑞德集團(tuán)有限公司，主要從事纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)及應(yīng)用研究。