三菱化學超短碳纖維增強熱塑性復材用于吉普車頂支架

　　

　　

　　

　　第一個應用于車身的耐候性，彩色模制（MIC）碳纖維增強

　　

　　熱塑性塑料（CFRTP）大尺寸結構，首次亮相于Jeep車頂接收器（支架）

　　

　　設計成果

　　

　　1.與壓鑄鋼相比，其機械性能相當，質量降低79%，成本降低38%。

　　

　　2.符合美學要求，同時改善耐候性、彩色模壓配方中的劃痕和損傷，無需打磨和粉末涂層。

　　

　　3.從海外金屬部件轉換為復合材料部件，縮短了供應鏈，并減少了制造和使用壽命的碳足跡。

　　

　　

　　

　　KyronMax™材料最初是為航空航天應用而開發的，后來擴展到高性能體育用品領域，其高溫熱塑性基體是一個優勢，可以在復雜的幾何形狀中實現高纖維滲透的能力。它對于滿足低重量的苛刻力學要求至關重要，毫無疑問，這些材料在汽車領域越來越受歡迎，因為注塑成型工藝非常適合滿足該行業的高產量、高可重復性和再現性要求以及極具競爭力的成本目標。

　　

　　KyronMAX™碳纖維復合材料車頂接收器的開發始于一次會議，會上討論了三菱化學公司的哪些材料可能對當時的菲亞特克萊斯勒汽車公司（FCA，現為Stellantis）創新有用。經過對KyronMax™產品線的討論，確定了具有不同基體和纖維重量分數（FWF）的幾種產品。

　　

　　Jeep車頂接收器最初由鑄鋼生產，因為這些部件是結構部件，尺寸適中，但幾何形狀復雜。此外，考慮到它們位于車頂頂部，如果能夠實現顯著的重量減輕，那么將有助于降低車輛的重心，并將改善用于在崎嶇地形下越野的車輛的操控性和穩定性。另一個考慮因素是，鋼制接收器是由一家海外供應商生產的。

　　

　　在結構件設計時，正如最初為2018-2021Jeep牧馬人和角斗士車型設計的那樣，有三種類型的鋼制接收器，尺寸大致相同，但幾何形狀不同，每種接收器都有左側和右側版本：有兩個外板和兩個內板，都安裝在前車頂交叉構件上，對于Jeep Freedom Panel硬頂，用板材成型復合材料(SMC)成型，兩個額外的后接收器安裝在后車頂交叉構件上。

　　

　　

　　

　　

　　

　　有兩個外側接收器（左側和右側）和兩個內側接收器（左側和右側）-兩種類型都安裝在前車頂橫梁上

　　

　　帶有軟頂的車輛僅使用前外置接收器，而SMC Freedom Panel硬頂則使用所有六個接收器。鋼制零件進行了粉末涂層，具有耐腐蝕、防紫外線和美觀性。在使用中，支架永久安裝在車輛上，面板可以通過啟動釋放手柄來拆卸。

　　

　　Jeep工程團隊確定了每種類型的接收器在使用中的一系列關鍵載荷：外側的X、Y和Z載荷，內側和后部的Z載荷，以及內側和外側的非對稱載荷。為了通過CPN（克萊斯勒零件號）的驗證測試，碳纖維熱塑性復合材料接收器需要通過與鋼制接收器相同的測試，包括在濕/熱和干/冷操作條件下的加速風化，評估噪音/振動/粗糙度（NVH）的振動臺測試，顏色匹配，接收器必須表現出優異的尺寸穩定性/零彎曲蠕變，以確保良好的屋面板密封。此外，不允許更改包裝或裝配線；復合材料接收器必須在相同的封裝空間中提供類似鋼的性能，并且以相同的方式組裝到車輛上。

　　

　　另一個要求是復合接收器需要在視覺上與基準鋼組件相匹配，以確保它們向后兼容服務/售后更換。因此，候選材料需要滿足苛刻的機械要求，重量輕，提供a級耐候性表面，并滿足OEM的成本目標。

　　

　　其次，復合材料接收器需要在視覺上與基準鋼構件相匹配，以確保它們在維修/售后更換時向后兼容。因此，候選材料需要通過苛刻的機械要求，重量輕，提供A級耐候表面，并滿足OEM的成本目標。

　　

　　由Jeep、三菱化學和工具制造商Maple Mold Technologies組成的合作團隊開始研究碳纖維復合材料接收器的潛在設計。從針對各種接收器的五套初始設計中，選擇兩套進行了原型設計和測試，包括Maple Mold生產的四套原型工具。外側原型工具使多種設計能夠被注入測試。比較保守的兩種舷外設計在復合材料中有金屬插入，而另一種沒有。接收器設計進行了輕微修改，以提供防卡箍/防錯功能，因此在裝配線上不會出現左側和右側的裝配錯誤。

　　

　　對于每個基體，評估了許多FWF和纖維類型和長度選項，包括USCF、短玻璃、長玻璃和長碳纖維。在兩套設計中，幾種不同的聚合物/纖維選擇從虛擬原型發展到物理原型。最后兩種復合材料/設計組合在啟動前四個月進入車輛驗證測試階段。

　　

　　在材料選擇中，對實驗設計進行了重要的考慮。最初共評估了26種金屬和復合材料選項，其中超過15種是高溫聚酰胺（PA）材料，其他則是聚鄰苯二甲酰胺（PPA）或PA9T。這兩個系列都具有高耐熱性、耐化學品性、防潮性和耐磨性，同時具有優異的尺寸穩定性和成型性。

　　

　　對于每種基體，評估了不同纖維重量體積分數、纖維類型和長度等參數，包括USCF、短玻璃纖維、長玻璃纖維和長碳纖維。在這兩組設計中，幾種不同的聚合物/纖維選項從虛擬原型發展到了物理原型，最后兩種復合材料/設計組合在啟動前四個月進入車輛驗證測試。

　　

　　經過評估顯示：綜合物理測試性能最好的復合材料配方是KyronMax S-4330，這是專門為該應用開發的新等級產品。該化合物為30%USCF/PPA。有趣的是，全復合材料車頂接收器的機械性能實際上優于采用金屬嵌套的版本。此外，30%的USCF/PPA在關鍵指標上也優于50%的短玻璃纖維和40%的長碳纖維PPA。與短纖維或長纖維熱塑性塑料相比，KyronMax化合物據說像純樹脂一樣成型，并提供各向同性性能（像金屬一樣）。

　　

　　盡管注射成型工藝很嚴格，但據說纖維長度得到了保留，不會進一步減少。生產工具上帶有直接閥門澆口的熱流道可最大限度地減少澆口痕跡。此外，USCF化合物以較低的殘余/內應力離開模具，從而提供更好的編織線/焊接線強度，減少翹曲，從而獲得更高的尺寸精度和更好的美觀性。

　　

　　最終，注射成型復合材料提供了性能與金屬相當的零件，但質量降低了79%（六接收器/硬頂版本），成本也下降了38%，同時滿足或超過了Stellantis對負載偏轉、扭矩和白車身扭矩保持的所有性能要求，確保了封閉密封的完整性。此外，通過耐候性的彩色模具(MIC)配方，可以改善劃痕和劃痕，該配方與基準鋼材美學相匹配，并在客戶可見的表面上進行了選擇性紋理處理。取消了拋光和粉末涂層等精加工步驟。

　　

　　圖片最后三種類型的復合屋頂接收器以及粒狀超短CFRTP注塑材料

　　

　　從海外生產的金屬零件轉向陸上生產的復合材料零件縮短了供應鏈，降低了長距離運輸相對較重零件的能源需求。因此，與鋼部件相比，復合材料接收器的制造有利于支持可持續發展目標。該應用被認為是第一個大尺寸結構CFRTP MIC和耐候車身應用