江蘇常熟汽飾集團(tuán)攜熱塑性連續(xù)纖維復(fù)合材料一體化成型技術(shù)確認(rèn)申報2021年金輯獎汽車新供應(yīng)鏈百強(qiáng)評選活動。

申請技術(shù)丨熱塑性連續(xù)纖維復(fù)合材料一體化成型技術(shù)

應(yīng)用領(lǐng)域丨環(huán)保輕量及新材料

圖2e座盆骨架

圖2d電池箱體

創(chuàng)新點及優(yōu)勢：

技術(shù)描述：

熱塑性連續(xù)纖維復(fù)合材料作為最近十年內(nèi)出現(xiàn)的一種新型復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用目前仍然非常有限，與傳統(tǒng)的如鋼鋁這些大量在汽車車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用的金屬材料比較起來，比強(qiáng)度和比模量都是非常突出的，也就是說在整車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中存在巨大的潛力。采用連續(xù)纖維為增強(qiáng)材料和熱塑性樹脂為基體，在提供出色的機(jī)械性能、防腐蝕性能和電氣絕緣性能之外，還可以利用熱塑性材料的加工成型性能在合適的成型自動化設(shè)備的輔助配合下實現(xiàn)大規(guī)模和低成本的工業(yè)化生產(chǎn)制造。本項技術(shù)通過結(jié)合了不同的高效傳統(tǒng)成型設(shè)備和最新的自動化技術(shù)可以針對不同產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)出一種通用的成型生產(chǎn)工藝和設(shè)備，尤其適用于采用新型連續(xù)纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)上設(shè)計的大尺寸、高性能、結(jié)構(gòu)性的車用零部件。本項技術(shù)對成型模具也有相關(guān)的專利申報和技術(shù)訣竅。

獨特優(yōu)勢：

目前實現(xiàn)量產(chǎn)的產(chǎn)品主要在國外市場，產(chǎn)品涵蓋了門模組安裝板、剎車踏板、底護(hù)板、備胎倉、防撞梁、座椅骨架等，基本上減重水平在-20~30%之間；國內(nèi)引進(jìn)車型有國產(chǎn)化應(yīng)用，而自主開發(fā)的車型應(yīng)用暫時沒有相應(yīng)的應(yīng)用。但是實際上整車上的結(jié)構(gòu)仍然可以有很多結(jié)構(gòu)零件可以應(yīng)用這類復(fù)合材料達(dá)到輕量化減重減排的目標(biāo)，目前我們和國內(nèi)外各一家廠商有在開發(fā)相關(guān)的應(yīng)用，其中之一可能成為全球第一家采用此類材料制造的相關(guān)產(chǎn)品部件。從新能源汽車來看，電動車的動力電池包也是很有應(yīng)用潛力的一個產(chǎn)品，從我們內(nèi)部的前期分析來看，動力電池包使用該種技術(shù)后可以在減重（30%）以及降本（20%）兩個方面都有長足的改進(jìn)空間，而且一旦推動行業(yè)對電池包的安裝尺寸規(guī)格進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一起來，在商業(yè)模式方面進(jìn)行相關(guān)的創(chuàng)新創(chuàng)造，對整個電動車行業(yè)的推動可能會有整個運營模式方面的顛覆作用。對于這類材料而言用以取代非安全性的結(jié)構(gòu)金屬部件既是能發(fā)揮它最大性能也是提供它的使用性價比的地方。雖然上述談及到各種零部件的應(yīng)用場景，但是我們并不認(rèn)為所有應(yīng)用都有其價值，例如對于剎車踏板而言使用這類材料的性價比不高，有更成熟且性能也滿足使用要求的工程塑料可以替代金屬件?？傮w而言，對于這類連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料通過采用模壓和注塑兩種或以上傳統(tǒng)塑料加工方式的工藝技術(shù)能夠在充分利用原材料的基礎(chǔ)上結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到性能和減重的最優(yōu)化，個別零件下減重比例可以達(dá)到-50%的水平，提升整個生產(chǎn)制造效率和成本優(yōu)化效果；同時，結(jié)合其他的模具技術(shù)和自動化技術(shù)也可以將后續(xù)的部分裝配和檢驗工作集成在一個工藝流程中實現(xiàn)。該工藝技術(shù)對于節(jié)能減排的先進(jìn)性可以簡單歸納為以下幾點：

1. 多工藝一體化復(fù)合成型能力

        結(jié)合了模壓工藝和注塑工藝以及復(fù)合模具的技術(shù)特點。傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料以人工手糊、真空罐成型、簡單模壓、液體樹脂模塑等工藝手段為主，輔助以機(jī)械切割和表面處理等工藝，從備料到成品通常需要好幾個工序才可以得到最終的完成品，這個加工過程中間除了人工時間、能耗、原料的大量投入，還有環(huán)保和職業(yè)健康方面的困擾。相對而言，采用了新材料的一體化工藝可以大大簡化整個生產(chǎn)過程，降低生產(chǎn)費用并且對環(huán)境、職業(yè)健康以及后續(xù)的循環(huán)回收使用都是非常友好的。 

2. 柔性的自動化智能制造方案，

       該工藝可以結(jié)合現(xiàn)有成熟的塑料工業(yè)設(shè)備如各種壓機(jī)，注塑機(jī)，機(jī)器人，快速加熱設(shè)備，自動傳送線，紅外測量、照相測量和比對設(shè)備，針對特定的產(chǎn)品制造，對應(yīng)的產(chǎn)量和質(zhì)量要求，定制設(shè)計出柔性的自動化生產(chǎn)線，圍繞一體化主機(jī)可以根據(jù)特定車型特定產(chǎn)品的產(chǎn)質(zhì)量要求設(shè)計出最符合經(jīng)濟(jì)效益的制造方案。

3. 巨大的輕量化潛力，

       產(chǎn)品設(shè)計中充分利用不同材料的性能特點，分別利用連續(xù)纖維的強(qiáng)度優(yōu)異和改性增強(qiáng)材料的結(jié)構(gòu)模量，使得產(chǎn)品設(shè)計滿足性能標(biāo)準(zhǔn)中要求的強(qiáng)度和剛度的目標(biāo)，通過現(xiàn)有的產(chǎn)品模擬分析技術(shù)，對整體產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)可進(jìn)行數(shù)值計算分析，預(yù)判產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)果，也可以對加工工藝性進(jìn)行前期的可行性分析，對后續(xù)的實際成型的可靠性進(jìn)行預(yù)判和提前避免可能在加工過程中出現(xiàn)的缺陷或者考慮改進(jìn)設(shè)計方案。通過不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計，對于類似金屬產(chǎn)品的輕量化減重目標(biāo)為30-50%，越是大的部件，減重的比例空間越大。

4. 出色的工業(yè)化生產(chǎn)效率，

       對于汽車行業(yè)而言，年產(chǎn)2萬輛車輛是每個乘用車企業(yè)對每個車型的最低期望，也是企業(yè)的生產(chǎn)能否具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的最小規(guī)模要求，而目前國內(nèi)市場上主要廠商的暢銷車型往往能達(dá)到年產(chǎn)20-30萬輛份的規(guī)模，還有很多年產(chǎn)5-10萬輛份的單一車型，相對于航天航空、風(fēng)力發(fā)電等主要使用復(fù)合材料的行業(yè)而言，產(chǎn)量是非常巨大的，從而也就要求生產(chǎn)效率非常高，而且主流乘用車是面對著一個非常大眾化的市場，也導(dǎo)致車企對產(chǎn)品成本的控制要有一個較高的水平。以上兩點是傳統(tǒng)的復(fù)合材料和工藝技術(shù)無法滿足的，而一體化成型技術(shù)卻是能夠同時達(dá)到效率和成本的要求的。

應(yīng)用場景：

目前作為原材料的熱塑性連續(xù)纖維預(yù)浸料片材有國內(nèi)外眾多的原料廠商從事研發(fā)和生產(chǎn)，但在國內(nèi)對于這類材料的應(yīng)用開發(fā)基本沒有成規(guī)模的企業(yè)在進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)研發(fā)，而對于在整個汽車行業(yè)的應(yīng)用開發(fā)而言，更是需要針對各個細(xì)分領(lǐng)域的產(chǎn)品進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用設(shè)計以及可行性分析能力。常熟汽飾作為上市公司對這方面的產(chǎn)品應(yīng)用分析和工藝技術(shù)研發(fā)在國內(nèi)是處于領(lǐng)先地位；我們的研發(fā)部門雖然成立僅僅三年時間，但在技術(shù)中心建立伊始，我們就對CAD、CAE數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)技術(shù)給與了極大的重視，特別是在CAE能力的建設(shè)上歷年都根據(jù)實際需要對相應(yīng)的分析軟件給予投入，在人員上也不斷的招募和培養(yǎng)有關(guān)技術(shù)人員，同時還和不同的大學(xué)院校建立了項目合作和長期合作關(guān)系；我們在過去三年內(nèi)主導(dǎo)、參與并實施了多項概念化產(chǎn)品應(yīng)用的開發(fā)，從性能分析、可行性分析到部分前瞻性研發(fā)的項目的產(chǎn)品開發(fā)和樣品制造，積累了一定的經(jīng)驗和技術(shù)訣竅。我們圍繞輕量化、環(huán)保性、安全性，開展了多款汽車復(fù)合材料產(chǎn)品的研發(fā)工作。目前已經(jīng)完成研發(fā)并量產(chǎn)的產(chǎn)品包括多款車型的后備箱部件和新能源汽車的動力艙支架，這些設(shè)計方案均經(jīng)過CAE模擬優(yōu)化，達(dá)到了產(chǎn)品原始材料的性能要求，同時大大降低了產(chǎn)品的重量。此外，早在2018年，我公司就對注塑模壓一體化工藝的可行性進(jìn)行了驗證，生產(chǎn)了新能源商用車的動力電池箱體（圖2d），產(chǎn)品重量由初始的7.7kg(PPS)減輕為4.1kg（CFRP），減重47%。此外，我公司與富晟李爾合作開發(fā)了了Mazda CX4前排座盆骨架（圖2e），產(chǎn)品重量由初始的976g(鋼)減輕為450g（CFRP），減重54%，同時成本不增加。該輕量化座盆骨架在富晟李爾實驗室通過了系統(tǒng)測試，基本達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。目前，我司正在為美國無人駕駛汽車公司Zoox開發(fā)座椅側(cè)板，該產(chǎn)品整體注塑，在局部采用CFRP強(qiáng)化，計劃今年年底批產(chǎn)。

未來前景：

可以吸引眾多廠商在國內(nèi)投資建廠國產(chǎn)化原材料（熱塑性預(yù)浸料）以及國內(nèi)實體對高性能熱塑性材料復(fù)合材料的研發(fā)和商業(yè)化，長遠(yuǎn)而言會成長為一個非常有潛力的新興市場。

可以打破汽車行業(yè)中對碳纖維材料在汽車零部件大規(guī)模使用就可以把成本降下來的不現(xiàn)實的想象，對應(yīng)車用零部件采用玻璃纖維復(fù)合材料的性能就可以滿足，結(jié)合采用創(chuàng)性的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計及零件設(shè)計有很大潛力應(yīng)用于車身覆蓋件及部分結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域；同時可以激發(fā)航空產(chǎn)業(yè)對于高性能碳纖維熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用的想象和創(chuàng)新空間，也可以拓展到其他的商用、民用行業(yè)，比如電信和5G行業(yè)相關(guān)的產(chǎn)品。

對于新的電池包產(chǎn)品概念的應(yīng)用而言，一經(jīng)應(yīng)用短期可以實現(xiàn)減重和降本的目標(biāo)，長期而言可以觸發(fā)、建立、完善統(tǒng)一的車用動力電池規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)大規(guī)模和低成本制造，逐步促進(jìn)形成全新的商業(yè)模式，實現(xiàn)充電和儲能的革命。

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