圖1 搭載纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料前組合防撞梁的現(xiàn)代i30
現(xiàn)代汽車歐洲技術(shù)中心（HMETC）開發(fā)了一款纖維增強(qiáng)反應(yīng)性熱塑性樹脂復(fù)合材料前保險杠梁。該保險杠梁由纖維增強(qiáng)反應(yīng)性熱塑性樹脂拉擠和熱塑性樹脂嵌件注塑成型，包括由單向玻璃纖維預(yù)浸帶、玻璃纖維織物、碳纖維和反應(yīng)性樹脂組成。該項目獲得2015年AVK增強(qiáng)塑料類創(chuàng)新獎，也是第一個采用反應(yīng)性熱塑性拉擠成型工藝制造熱塑性前防撞梁。
圖2 鋼制前防撞梁爆炸圖
在九個多月的研發(fā)周期里，HMETC的工程師根據(jù)與汽車相關(guān)的原材料供應(yīng)商以及知名學(xué)術(shù)人士的大量討論，徹底研究了最新的復(fù)合材料和制造方法。起初，團(tuán)隊在現(xiàn)有的“工具箱”中找不到任何可以滿足現(xiàn)代汽車在重量、性能和成本方面的高期望解決方案。例如僅使用碳纖維復(fù)合材料可以明顯減輕重量，但材料成本與量產(chǎn)條件不符合要求。另一方面，現(xiàn)有i30前保險杠梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)有8.7KG，且全部由高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼組成，顯然現(xiàn)有鋼部件的設(shè)計優(yōu)化無法帶來巨大的減重空間。無論如何優(yōu)化，一個2.1米長的鋼制前防撞梁制作工藝包括了26個不同的部件、24條激光焊接線和85條電弧焊線，其生產(chǎn)和組裝過程相當(dāng)復(fù)雜的。
圖3 CQFD反應(yīng)性熱塑性塑料拉擠成型設(shè)備(左)及其生產(chǎn)的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料產(chǎn)品可達(dá)到的性能(右)
隨著傳統(tǒng)解決方案的排除，現(xiàn)代工程師不得不跳出“舒適區(qū)”思考以實現(xiàn)項目目標(biāo)。由于與其強(qiáng)度和性能相比成本相對較低，因此很快就考慮使用先進(jìn)的復(fù)合材料，并且該領(lǐng)域也具有很大的創(chuàng)新空間。在研究了不同的先進(jìn)復(fù)合材料和工藝之后，反應(yīng)性熱塑性塑料拉擠成型提供了很好的解決方案。這是由法國拉擠成型設(shè)備制造商CQFD Composites開發(fā)的一種可連續(xù)制造具有恒定橫截面的復(fù)合材料零件的工藝。玻璃纖維或碳纖維由熔融態(tài)熱塑性樹脂單體浸漬并牽引進(jìn)入拉擠模具中。然后在成型過程中通過加熱使單體聚合，這樣纖維和塑料就可以在一個過程中結(jié)合——“液態(tài)模內(nèi)反應(yīng)聚合”。通過拉擠工藝生產(chǎn)出橫梁半成品，隨后以嵌件的形式放入注塑模具中，以完成前保險杠橫梁所有結(jié)構(gòu)成型。這種技術(shù)不僅顯著減輕了重量，而且大大降低了工藝復(fù)雜性。因此，新結(jié)構(gòu)僅包含三個主要部件，在兩個連續(xù)的生產(chǎn)步驟中生產(chǎn)和組裝。
圖4 Hyundai纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料前組合防撞梁
前保險杠梁使用碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料后重量顯著減輕，與鋼制材料相比，使用碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可減輕3.6KG的重量，減重達(dá)到43%，在其中前保險杠梁結(jié)構(gòu)中使用的玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料就可減輕3.4KG。此研發(fā)項目其更實惠的成本和快速的生產(chǎn)效率也確保了該保險杠梁可以應(yīng)用于大批量生產(chǎn)。該復(fù)合材料前保險杠梁經(jīng)過了車輛性能驗證，例如低速保險測試、行人保護(hù)測試、EuronCAP 50和64 km/h碰撞測試。此外，新結(jié)構(gòu)還包括一個牽引鉤，該牽引鉤也完全符合所有現(xiàn)代內(nèi)部負(fù)載測試。
