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摘 要：本文主要介紹了復(fù)合材料汽車部件制造技術(shù)進(jìn)展。
1 復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
在范圍內(nèi)，汽車工業(yè)是復(fù)合材料應(yīng)用量大的領(lǐng)域之一，并且始終保持著高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。樹(shù)脂基復(fù)合材料是以合成樹(shù)脂為基體，以纖維作為增強(qiáng)材料，通過(guò)特定工藝手段復(fù)合而成的一類新型高性能材料。與其他材料相比，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐沖擊、耐腐蝕、零部件一體化等優(yōu)點(diǎn)，因此，不論從性能、外形設(shè)計(jì)、還是對(duì)車輛減重方面，都 得到了汽車制造廠商的青睞，廣泛應(yīng)用于卡車、客車、轎車的外覆蓋件和結(jié)構(gòu)件的制造。美國(guó)關(guān)鍵技術(shù)委員會(huì)曾在美國(guó)關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告中指出：“復(fù)合材料在汽車中是保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的潛在源泉。”汽車復(fù)合材料用量的不斷增加是全復(fù)合材料需求量快速增長(zhǎng)的重要原因之一。
隨著復(fù)合材料工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的成熟，作為汽車輕量化理想材料的復(fù)合材料已被國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)逐步認(rèn)同，越來(lái)越多的車型采用了復(fù)合材料部件。1999年國(guó)內(nèi)汽車復(fù)合材料用量為2000噸，2000年達(dá)到4800噸，2004年超過(guò)3萬(wàn)噸。據(jù)預(yù)計(jì)，到2010年，交通運(yùn)輸用復(fù)合材料用量將達(dá)到20萬(wàn)噸左右，占復(fù)合材料總用量的16.7%，產(chǎn)值將達(dá)60億元。
2 復(fù)合材料汽車部件制造新技術(shù)
目前，用于制造復(fù)合材料汽車部件的典型成型工藝有手糊、噴射、SMC模壓、RTM注射模塑等。每種工藝均有其佳適用的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和佳適用的生產(chǎn)批量。其中手糊工藝生產(chǎn)效率低下，產(chǎn)品精度低，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；SMC工藝模具成本高，產(chǎn)品中纖維的取向難以控制，僅局限于非結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用。因此，如何發(fā)展新的制造技術(shù)，降低高品質(zhì)復(fù)合材料的成本，是一個(gè)亟待解決的高技術(shù)問(wèn)題。
為適應(yīng)于汽車部件的一體化，縮短開(kāi)發(fā)周期以及日趨增加的環(huán)境保護(hù)等要求，以RTM為代表的液體模塑技術(shù)(LCM)自20世紀(jì)80年代后迅速發(fā)展起來(lái)。在過(guò)去的十多年里，汽車工業(yè)對(duì)這一技術(shù)感興趣，其原因是采用這一技術(shù)可進(jìn)一步減輕車輛的重量、降低制造成本和改善車輛的性能。
復(fù)合材料液體成型技術(shù)是指將液態(tài)聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合模腔中，或加熱熔化預(yù)先放入模腔內(nèi)的樹(shù)脂膜，液態(tài)聚合物在流動(dòng)充模的同時(shí)完成樹(shù)脂/纖維的浸潤(rùn)并經(jīng)固化成型為制品的一類制備技術(shù)。該技術(shù)屬于高性能低成本制造技術(shù)，工藝方法靈活，尤其適合制造大型、異型結(jié)構(gòu)件，并且能夠一次成型帶有夾芯、加筋、預(yù)埋的大型結(jié)構(gòu)件。汽車工業(yè)中，液體模塑成型工藝具有克服大、中型規(guī)模FRP生產(chǎn)困難的潛力，為不同的生產(chǎn)規(guī)模提供了一條低成本、高效率的工藝路線，成為復(fù)合材料成型工藝的重要發(fā)展方向之一。
作為高性能復(fù)合材料的低成本制造技術(shù)，LCM工藝仍存在成品性能離散性大，微孔、浸漬不良等缺陷難以控制，模具、工藝設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)等急需解決的核心問(wèn)題。
2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型過(guò)程模擬技術(shù)[-page-]
LCM工藝的關(guān)鍵是在不影響已鋪放好的增強(qiáng)材料和模具承受過(guò)大壓力的前提下，樹(shù)脂完全浸潤(rùn)模腔內(nèi)的增強(qiáng)材料，并排除所有的空氣，不留下任何干斑。傳統(tǒng)方法的模具設(shè)計(jì)和工藝控制非常倚重操作工的經(jīng)驗(yàn)，而在這兩個(gè)關(guān)鍵處采用計(jì)算機(jī)輔助工程即可實(shí)現(xiàn)從試驗(yàn)摸索到數(shù)值模擬的跨越。
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，將直接影響產(chǎn)品的性能和使用要求，因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。按照產(chǎn)品的使用性能要求、力學(xué)性能要求及成型工藝要求，利用ANSYS有限元分析軟件可對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式，包括增強(qiáng)材料的鋪層、厚度分布、局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件強(qiáng)度的整體性和協(xié)調(diào)性。
LCM工藝成型過(guò)程模擬是模具和工藝輔助設(shè)計(jì)的并行工程方法，其基本的目的是優(yōu)化模塑成型周期。掌握樹(shù)脂注射過(guò)程中的流動(dòng)形式及流體壓力分布，可以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)。采用準(zhǔn)確的成型過(guò)程模擬，可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行多次反復(fù)設(shè)計(jì)，可顯著縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低研發(fā)成本。這是液體模塑工藝成功和使之具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的關(guān)鍵之一。
LCM工藝成型過(guò)程模擬材料性能數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，如樹(shù)脂的化學(xué)流變特性、增強(qiáng)材料的滲透特性等，利用PAM-RTM流動(dòng)模擬軟件對(duì)成型過(guò)程進(jìn)行模擬，以確定注射方法、注膠口位置、充模時(shí)間、流動(dòng)前鋒、壓力與時(shí)間的關(guān)系、樹(shù)脂固化過(guò)程與時(shí)間的關(guān)系等，從而對(duì)成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，大大減少試驗(yàn)次數(shù)并使參數(shù)更加合理準(zhǔn)確，另外，還可指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)周期的預(yù)算。同時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬，可對(duì)LCM工藝過(guò)程的干斑、注射時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、纖維移動(dòng)等主要缺陷進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率。
2.2 大型構(gòu)件快速成型技術(shù)
隨著復(fù)合材料在汽車工業(yè)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)于某些成型面積大、耐疲勞和耐候性要求高的車用大型構(gòu)件，需從工藝設(shè)計(jì)上提高制品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。真空輔助成型工藝正是適應(yīng)這一需求的一種低成本的復(fù)合材料大型構(gòu)件成型技術(shù)。該工藝是在真空狀態(tài)下排出纖維增強(qiáng)體中的氣體，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物的浸漬，并在室溫下進(jìn)行固化，形成一定樹(shù)脂/纖維比例復(fù)合材料部件的工藝方法。該工藝只需一個(gè)單面的剛性模具，另一半為軟模，從而節(jié)約了模具成本；可實(shí)現(xiàn)多個(gè)零部件的整體成型，可大大提高成型效率。
浸漬和固化是影響復(fù)合材料成型效率的兩大重要因素，因此突破快速充模和協(xié)同固化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件快速成型的重要保障。
快速充模即是通過(guò)流道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)充模過(guò)程中樹(shù)脂的快速分配，包括樹(shù)脂流道和真空通路的設(shè)計(jì)，通?？梢圆扇∫韵聨追N方式：①在軟模上預(yù)先加工設(shè)計(jì)的樹(shù)脂流動(dòng)通道；②在模具表面加工真空通路，使用高滲透介質(zhì)作為樹(shù)脂流動(dòng)通道；③在芯材表面布設(shè)流道；④模具上加工主導(dǎo)流槽后和高滲透介質(zhì)配合使用。[-page-]
人為影響生產(chǎn)效率的主要因素之一，固化速度對(duì)于大型構(gòu)件固化技術(shù)更為重要。在大型部件的成型過(guò)程中，可采用多種引發(fā)劑組成的快速引發(fā)體系，使其具有長(zhǎng)凝膠時(shí)間、快速引發(fā)、高活性的特點(diǎn)。并可根據(jù)構(gòu)件特性，調(diào)整凝膠時(shí)間和固化時(shí)間，保證大型構(gòu)件在整個(gè)成型過(guò)程中樹(shù)脂能夠充分流動(dòng)、浸漬，并快速固化，從而提高制品質(zhì)量和成型效率。
快速成型工藝的特點(diǎn)是樹(shù)脂充滿快，制品纖維含量高、孔隙率低，適合制造大型產(chǎn)品，充模速度可達(dá)12kg/min。60kg、7m2的大型件充模僅需5min，固化僅需30min。
2.3 模具金屬化技術(shù)
復(fù)合材料液體模塑成型工藝的優(yōu)勢(shì)之一是可以通過(guò)減少模具投資來(lái)降低制造成本，因此在液體成型工藝中，模具設(shè)計(jì)和制造占有非常重要的地位。傳統(tǒng)的復(fù)合材料制造采用的模具主要有兩類：復(fù)合材料模具和金屬模具。其中復(fù)合材料模具具有成本低、制造周期短、賦型好的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)液體成型工藝低成本、高品質(zhì)的關(guān)鍵之一。但復(fù)合材料模具同時(shí)具有尺寸精度不高、模具表面硬度低、耐磨性差、易損壞的缺點(diǎn)。
低成本模具技術(shù)與傳統(tǒng)模具技術(shù)相比差別很大，需要根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、成型方法及生產(chǎn)批量，選擇不同的模具材料、模具結(jié)構(gòu)和成型方法。針對(duì)LCM成型工藝及復(fù)合材料模具的特點(diǎn)，可結(jié)合玻璃鋼模具低成本與金屬模具高表面質(zhì)量、長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料模具表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，通過(guò)在復(fù)合材料模具表面均勻覆蓋致密的金屬層，達(dá)到提高模具表面質(zhì)量、硬度、耐磨性等目的，從而延長(zhǎng)模具壽命，降低產(chǎn)品成本。
模具表面的金屬化處理技術(shù)主要有金屬冷噴和電鑄兩種。金屬冷噴技術(shù)是在主模型表面冷噴一層鋅鋁等低溶點(diǎn)合金，形成模具型腔，在其余部分添加背襯材料的一種快速制模方法。電鑄是通過(guò)在芯模上電沉積金屬，然后將金屬電鑄層從芯模上分離而制取金屬制品的成型工藝。
在復(fù)合材料模具表面金屬化處理技術(shù)中，復(fù)合材料層與金屬層間的界面匹配與復(fù)合是由其中的關(guān)鍵。采用環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰氯、三乙烯四胺、鋁粉、短切玻璃纖維進(jìn)行澆注，作為背襯材料，具有良好的切削性能，而且金屬層與背襯粘結(jié)牢固，克服了金屬層易脫落的問(wèn)題。另外，背襯也可采用機(jī)械方法加工出斜槽，而后澆注低熔點(diǎn)錫合金將鋼骨架和金屬殼連接在一起。
