關于復合材料碰撞吸能盒的概念分析
要在車輛和移動設備的主要結構中使用復合材料，則必須控制這類材料的碰撞性能。在現有的跑車解決方案中，每千克破碎復合材料的吸能水平一般可達到50-80 KJ。這些解決方案是基于碳/ 環氧材料的，具有復雜的預成型和制造工藝。因此，從經濟角度而言，不適用于普通車輛。
汽車行業的主要要求是低成本和較高的零件生產速度。目前的設計采用金屬碰撞吸能盒（crashbox） 和白車身（BIW）吸收所要求的能量，憑借局部屈曲產生的屈服性保護乘客的安全。這類設計的成本約為3 歐元/ 千克待生產的零件，并且由于沖壓和焊接等工藝， 每天可能生產數千個零件。
目前，業內認為降低成本比減輕重量更為重要。歐盟委員會在2020 年后將實施的一項法規是，一旦二氧化碳排放量超出監管目標，將處以95 歐元/ 克的罰款， 但相比這一處罰標準，9.5 歐元/ 千克的輕量化成本則是可以接受的，因為車輛重量每減輕10 千克（22-lb），可使二氧化碳排放量減少約1 克/ 公里。
關于加工時間，需要達到1,000 個零件/天的生產速度，以解決大規模市場需求。
為確保車輛符合環保要求，還需要滿足以下要求：
1，一個前端模塊固定在碰撞吸能盒上，即使發生碰撞后，也必須與白車身保持連接在一起。
2，碰撞吸能盒必須在工廠總裝環節易于安裝和拆卸，并且在售后車間具有可修復性。
3，尺寸受到車輛緊湊性目標的限制。
后，性能必須在廣泛的測試參數方面保持一致，因為碰撞情形可能是各不相同的。特別是，必須檢查離軸破碎方面的性能。
所提出的設計和工藝解決方案
由于材料成本較高，特別是碳纖維（CF），從設計到成本的分析表明，碰撞吸能盒僅可采用非常簡單的形狀。必須將材料浪費減少到低限度；因此必須通過一個生產線工藝制造預成型體。此外， 還應該選擇一步式工藝，包括觸發機制。
將碰撞吸能盒連接到汽車的裝配解決方案是創新的一個重要方面。由于正在申請的緣故，因此，在此將不詳細描述所測試的解決方案，但可以指出的是，主要采用了以下原則：
1，采用簡單的接口零件，在容易生產的形狀上進行機械夾緊，并確保公差保持在制造分散范圍內。
2，調整夾具長度，以滿足離軸彎曲強度要求。
3，規則或對稱形狀，以避免產生可能會改變碰撞行為的局部效應。
我們已經對一些針對此設計進行調整后的工藝進行了評估，以檢查可能達到的性能。由于測試參數眾多，并且存在制造限制，因此，目前還沒有制定完整的實驗計劃。
目前已生產一種錐形形狀的碰撞吸能盒，長度為150 mm（5.9 in），厚度約為5 mm（0.2 in），較大端的外徑為100 mm（3.9 in），角度讀數為2°。錐形形狀具有多種好處，包括：在發生離軸壓碎的情況下，碰撞行為是漸進的、穩定的； 所提出的裝配概念更高效；便于脫模， 從而進一步提高生產速度。
目前已經采用三軸編織預成型件，并且對下面的參數進行了測試：
1，碳絲束：24K（日本東麗-Toray T700S）或50K（德國西格里集團-SGL Group Sigrafil）。
2，偏置纖維取向：預成型件采用50% 的軸向纖維和50% 的偏置纖維（取向±25°、30°或45°）制造而成。
3，基體：來自邁圖特種化學品公司的單組分環氧材料（樹脂傳遞模塑[RTM] 增韌航天級） 或雙組分環氧加工（ 高壓RTM[HP-RTM] EPIKOTE 樹脂05475/ EPIKURE 固化劑05443 和開發級）；或者單組分熱塑性塑料（PA6）。
所有配置均在相同的RTM 模具中生產。環氧RTM 系統已經確立了良好的市場地位，而熱塑性RTM 仍需要進一步的工藝開發。50K 碳絲束被選為低成本CF 產品選項。
RTM 航天系統是一種單組分（1K） 增韌系統，通常在180℃（356。F）下固化， 提供較低的加工粘度和較寬的加工窗口（多達10 h）。它提供設計復雜零件的能力。
新型熱- 潛快速固化EPIKOTE/ EPIKURE 環氧樹脂系統允許采用大批量制造方法，快速、可靠地加工結構性復合材料組分。這些系統在120℃（248。F） 下的固化周期時間約為5 分鐘和2 分鐘， 可通過所有常見的RTM 方法進行加工， 如多組分低壓力和高壓力RTM 機器。
新系統提供的好處包括非常低的粘度，在注射溫度下低于50 mPa?s，以及熱- 潛性能，在反應之前，允許相對長（多達90s）的注射窗口。樹脂系統具有優良的潤濕性和碳纖維附著力、卓越的熱性能和機械性能以及含量非常低的揮發性有機化合物（VOC），從而使它們在未來成為各種應用的可行性解決方案。
EPIKOTE/EPIKURE 樹脂系統及內部脫模劑HELOXY 添加劑112 一直用于在較高的生產速度下制造個系列的碰撞錐體。在120℃下，該系統能夠在5 分鐘內完全固化，并且能夠達到1,000 個零件/ 天的生產速度目標，因此實現了一種在成本上可行的解決方案。
目前正在開發一種新的熱潛快速固化增強型環氧樹脂系統，以改進沖擊性能。
來自索爾維集團（Solvay） 的PA6 Evolite 是一種聚酰胺基基體，適用于連續玻璃或CF 復合材料。它增強了浸漬能力， 這是由高分子化合物的高流動性產生的。
碰撞測試結果
在該研究框架下，已經進行了大量碰撞試驗。
結果顯示，隨著偏角減少，軸向碰撞性能略微提高。與此相反，對于15°偏軸， 在45°偏角下可實現更好的性能。這可能與環箍剛度增強具有關聯性，其在發生離軸碰撞的情況下穩定了破碎模式。在所有這些測試中，碰撞模式以破碎為主。
當使用低成本的重質纖維束時，軸向和離軸碰撞性能會下降。性能差距為25% 左右，這大約是不同纖維之間的價格差距。在所有這些測試中，碰撞模式以破碎為主。
快速固化型環氧樹脂提供的性能水平與180℃航空級環氧樹脂的相同。當使用經過增韌的非商業快速固化環氧樹脂級別時，則獲取了更高的性能。同時，該級別的環氧樹脂還提供富有吸引力的破碎模式，是纖維與基體破碎之間的良好折衷。
相比所測試的環氧系統，流體TP PA 提供的性能略低。很顯然，由于PA 零件呈現干纖維結構域，因此需要調整工藝條件，這可能是效果降低的原因。所觀察到的破碎模式是不同的，因為熱塑性材料折疊和限制了碳纖維的斷裂。目前仍在評估其他類型的熱塑性材料對于這種碰撞吸能盒的適用性。
對于流程優化問題，目前已經評估了纖維扭曲對復合材料碰撞性能的影響。纖維扭曲在促進紡織流程方面可能是有用的，但需要評估其對材料性能的影響。關于耐撞性，研究已經發現，扭曲并不影響測試結果。有關圓柱形編織管的測試也推斷出同樣的結論。
未來的可能性
法國機械工業技術中心（Cetim） 及其合作伙伴邁騰特種化學品公司（Momentive）向汽車設計師提出了一種基于錐形設計的復合材料碰撞吸能盒。他們進行了一項制造研究，其結果表明，僅采用一臺編織機、一臺標準雙組分RTM 壓力機、一件允許同時注射9 個碰撞吸能盒零件的注射工具以及一套快速固化環氧系統，每天生產1000 個零件的方案是可行的。每個零件的成本應該是10 歐元左右。
錐形碰撞吸能盒概念容易適應當前的汽車設計，有助于車輛白車身的輕量化——相比目前的鋼材零件，可減輕66% 的重量。此外，所獲取的特定碰撞性能也是傳統鋼材零件的三倍。
復合材料的研究策略專注于新工藝的開發，以確保汽車行業能夠更輕松的使用熱固性材料和熱塑性材料。這項研究取得了快速固化型環氧材料與高性能航天環氧材料及碳纖維復合材料之間的比較結果。由RTM 次加工的PA 提供的性能比所測試的環氧系統略低。
未來還可以展開進一步的研究，以改進兩個塑料系列的研究結果（改性環氧樹脂、預成型體的質量、增強的纖維部分、纖維/ 基體的粘附性、較少的孔隙度等）， 從而開啟未來許多開發的可能性，以提升定制化復合材料的性能。另外，還需要與紡織品制造商開展研發合作，以找到更好的方法，確保以更低的成本生產出具有更高性能的預成型體。
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汽車行業的主要要求是低成本和較高的零件生產速度。目前的設計采用金屬碰撞吸能盒（crashbox） 和白車身（BIW）吸收所要求的能量，憑借局部屈曲產生的屈服性保護乘客的安全。這類設計的成本約為3 歐元/ 千克待生產的零件，并且由于沖壓和焊接等工藝， 每天可能生產數千個零件。
目前，業內認為降低成本比減輕重量更為重要。歐盟委員會在2020 年后將實施的一項法規是，一旦二氧化碳排放量超出監管目標，將處以95 歐元/ 克的罰款， 但相比這一處罰標準，9.5 歐元/ 千克的輕量化成本則是可以接受的，因為車輛重量每減輕10 千克（22-lb），可使二氧化碳排放量減少約1 克/ 公里。
關于加工時間，需要達到1,000 個零件/天的生產速度，以解決大規模市場需求。
為確保車輛符合環保要求，還需要滿足以下要求：
1，一個前端模塊固定在碰撞吸能盒上，即使發生碰撞后，也必須與白車身保持連接在一起。
2，碰撞吸能盒必須在工廠總裝環節易于安裝和拆卸，并且在售后車間具有可修復性。
3，尺寸受到車輛緊湊性目標的限制。
后，性能必須在廣泛的測試參數方面保持一致，因為碰撞情形可能是各不相同的。特別是，必須檢查離軸破碎方面的性能。
所提出的設計和工藝解決方案
由于材料成本較高，特別是碳纖維（CF），從設計到成本的分析表明，碰撞吸能盒僅可采用非常簡單的形狀。必須將材料浪費減少到低限度；因此必須通過一個生產線工藝制造預成型體。此外， 還應該選擇一步式工藝，包括觸發機制。
將碰撞吸能盒連接到汽車的裝配解決方案是創新的一個重要方面。由于正在申請的緣故，因此，在此將不詳細描述所測試的解決方案，但可以指出的是，主要采用了以下原則：
1，采用簡單的接口零件，在容易生產的形狀上進行機械夾緊，并確保公差保持在制造分散范圍內。
2，調整夾具長度，以滿足離軸彎曲強度要求。
3，規則或對稱形狀，以避免產生可能會改變碰撞行為的局部效應。
我們已經對一些針對此設計進行調整后的工藝進行了評估，以檢查可能達到的性能。由于測試參數眾多，并且存在制造限制，因此，目前還沒有制定完整的實驗計劃。
目前已生產一種錐形形狀的碰撞吸能盒，長度為150 mm（5.9 in），厚度約為5 mm（0.2 in），較大端的外徑為100 mm（3.9 in），角度讀數為2°。錐形形狀具有多種好處，包括：在發生離軸壓碎的情況下，碰撞行為是漸進的、穩定的； 所提出的裝配概念更高效；便于脫模， 從而進一步提高生產速度。
目前已經采用三軸編織預成型件，并且對下面的參數進行了測試：
1，碳絲束：24K（日本東麗-Toray T700S）或50K（德國西格里集團-SGL Group Sigrafil）。
2，偏置纖維取向：預成型件采用50% 的軸向纖維和50% 的偏置纖維（取向±25°、30°或45°）制造而成。
3，基體：來自邁圖特種化學品公司的單組分環氧材料（樹脂傳遞模塑[RTM] 增韌航天級） 或雙組分環氧加工（ 高壓RTM[HP-RTM] EPIKOTE 樹脂05475/ EPIKURE 固化劑05443 和開發級）；或者單組分熱塑性塑料（PA6）。
所有配置均在相同的RTM 模具中生產。環氧RTM 系統已經確立了良好的市場地位，而熱塑性RTM 仍需要進一步的工藝開發。50K 碳絲束被選為低成本CF 產品選項。
RTM 航天系統是一種單組分（1K） 增韌系統，通常在180℃（356。F）下固化， 提供較低的加工粘度和較寬的加工窗口（多達10 h）。它提供設計復雜零件的能力。
新型熱- 潛快速固化EPIKOTE/ EPIKURE 環氧樹脂系統允許采用大批量制造方法，快速、可靠地加工結構性復合材料組分。這些系統在120℃（248。F） 下的固化周期時間約為5 分鐘和2 分鐘， 可通過所有常見的RTM 方法進行加工， 如多組分低壓力和高壓力RTM 機器。
新系統提供的好處包括非常低的粘度，在注射溫度下低于50 mPa?s，以及熱- 潛性能，在反應之前，允許相對長（多達90s）的注射窗口。樹脂系統具有優良的潤濕性和碳纖維附著力、卓越的熱性能和機械性能以及含量非常低的揮發性有機化合物（VOC），從而使它們在未來成為各種應用的可行性解決方案。
EPIKOTE/EPIKURE 樹脂系統及內部脫模劑HELOXY 添加劑112 一直用于在較高的生產速度下制造個系列的碰撞錐體。在120℃下，該系統能夠在5 分鐘內完全固化，并且能夠達到1,000 個零件/ 天的生產速度目標，因此實現了一種在成本上可行的解決方案。
目前正在開發一種新的熱潛快速固化增強型環氧樹脂系統，以改進沖擊性能。
來自索爾維集團（Solvay） 的PA6 Evolite 是一種聚酰胺基基體，適用于連續玻璃或CF 復合材料。它增強了浸漬能力， 這是由高分子化合物的高流動性產生的。
碰撞測試結果
在該研究框架下，已經進行了大量碰撞試驗。
結果顯示，隨著偏角減少，軸向碰撞性能略微提高。與此相反，對于15°偏軸， 在45°偏角下可實現更好的性能。這可能與環箍剛度增強具有關聯性，其在發生離軸碰撞的情況下穩定了破碎模式。在所有這些測試中，碰撞模式以破碎為主。
當使用低成本的重質纖維束時，軸向和離軸碰撞性能會下降。性能差距為25% 左右，這大約是不同纖維之間的價格差距。在所有這些測試中，碰撞模式以破碎為主。
快速固化型環氧樹脂提供的性能水平與180℃航空級環氧樹脂的相同。當使用經過增韌的非商業快速固化環氧樹脂級別時，則獲取了更高的性能。同時，該級別的環氧樹脂還提供富有吸引力的破碎模式，是纖維與基體破碎之間的良好折衷。
相比所測試的環氧系統，流體TP PA 提供的性能略低。很顯然，由于PA 零件呈現干纖維結構域，因此需要調整工藝條件，這可能是效果降低的原因。所觀察到的破碎模式是不同的，因為熱塑性材料折疊和限制了碳纖維的斷裂。目前仍在評估其他類型的熱塑性材料對于這種碰撞吸能盒的適用性。
對于流程優化問題，目前已經評估了纖維扭曲對復合材料碰撞性能的影響。纖維扭曲在促進紡織流程方面可能是有用的，但需要評估其對材料性能的影響。關于耐撞性，研究已經發現，扭曲并不影響測試結果。有關圓柱形編織管的測試也推斷出同樣的結論。
未來的可能性
法國機械工業技術中心（Cetim） 及其合作伙伴邁騰特種化學品公司（Momentive）向汽車設計師提出了一種基于錐形設計的復合材料碰撞吸能盒。他們進行了一項制造研究，其結果表明，僅采用一臺編織機、一臺標準雙組分RTM 壓力機、一件允許同時注射9 個碰撞吸能盒零件的注射工具以及一套快速固化環氧系統，每天生產1000 個零件的方案是可行的。每個零件的成本應該是10 歐元左右。
錐形碰撞吸能盒概念容易適應當前的汽車設計，有助于車輛白車身的輕量化——相比目前的鋼材零件，可減輕66% 的重量。此外，所獲取的特定碰撞性能也是傳統鋼材零件的三倍。
復合材料的研究策略專注于新工藝的開發，以確保汽車行業能夠更輕松的使用熱固性材料和熱塑性材料。這項研究取得了快速固化型環氧材料與高性能航天環氧材料及碳纖維復合材料之間的比較結果。由RTM 次加工的PA 提供的性能比所測試的環氧系統略低。
未來還可以展開進一步的研究，以改進兩個塑料系列的研究結果（改性環氧樹脂、預成型體的質量、增強的纖維部分、纖維/ 基體的粘附性、較少的孔隙度等）， 從而開啟未來許多開發的可能性，以提升定制化復合材料的性能。另外，還需要與紡織品制造商開展研發合作，以找到更好的方法，確保以更低的成本生產出具有更高性能的預成型體。
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