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xFKin3D纖維絲束布置工藝有助于降低輕量化零部件的制造成本
要想使未來的汽車實現(xiàn)更低的能耗，先要做到的就是有效、系統(tǒng)性地對零部件進行減重。今天，人們在不同車輛和車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中已經(jīng)能夠看到這一發(fā)展趨勢。寶馬公司在i3和i8系列新能源汽車中所使用的CFK碳纖維增強材料座艙便是其中的成功案例。此舉被視為汽車工業(yè)的一次革命，但是高昂的成本也帶來了一些麻煩。寶馬公司為CFK碳纖維增強材料的生產(chǎn)和研發(fā)過程付出了高達數(shù)百億歐元的成本。
另外，昂貴的碳纖維材料在加工時的邊角余料浪費也使得該材料很難提升廠商的效益。也正因為如此，寶馬公司在其新型7系列轎車中重新采用了復(fù)合材料的車架結(jié)構(gòu)：以鋼為主，結(jié)合鋁材和錳合金;只有在為數(shù)不多的地方采用了CFK碳纖維增強材料。
日前，資深工程師PeterFassbaender先生與AMC技術(shù)咨詢公司的RainerKurek先生決定另辟蹊徑，他們開發(fā)了具有的xFK in 3D工藝。這是一種利用玻璃纖維、碳纖維或玄武巖纖維增強塑料制造三維曲面構(gòu)件的技術(shù)。操作者可根據(jù)結(jié)構(gòu)件的承載情況和載荷合成的情況，在X、Y、Z平面內(nèi)任意地布置上述纖維材料。這樣做的優(yōu)點是：可按照受力方向、應(yīng)力方向布置纖維，大限度地較少物料消耗。
少的邊角余料浪費
xFK in 3D工藝也適于非對稱體的結(jié)構(gòu)件，同時這種工藝能夠明顯的減少所使用的工具數(shù)量，減少使用者的硬件成本。“xFK in 3D工藝的大優(yōu)點是，將纖維材料布置到真正需要它的地方，絕不浪費。” Rainer Kurek先生解釋道，“因此，零部件對纖維的消耗就明顯減少了。” Peter Fassbaender先生給出的數(shù)據(jù)是：與傳統(tǒng)的RTM樹脂傳遞模塑工藝技術(shù)相比，xFK in 3D工藝可以節(jié)約40%的材料。
目前xFK in 3D工藝的試驗樣件已經(jīng)在小批量的汽車制造中開始使用了。“我們的市場戰(zhàn)略是先從零部件制造(如軸類、支架類和支撐件類等)開始。并開展對賽車中小型化、小批量結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造和其他高端產(chǎn)品的制造。多家對纖維材料有所了解的零部件制造商已經(jīng)意識到這一工藝背后蘊藏著的潛力。”Rainer Kurek先生說。
簡單且經(jīng)濟
相較之下，利用xFK in 3D工藝生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件顯得更加簡單、經(jīng)濟。將所需長度和強度的無捻纖維粗紗，通過手動或用機器人控制的鋪設(shè)裝置卷繞成零部件。纖維重復(fù)地、理想地鋪設(shè)在應(yīng)力方向上，所使用的纖維數(shù)量正好是零件受力所需的數(shù)量。纖維卷繞的中心留有一個空腔，因此零部件成品的重量非常輕。
轉(zhuǎn)折點、折返點的卷繞也無需在纖維織物上按照全金屬材料的加工方法鉆出孔洞。“纖維織物上的孔洞破壞了織物的結(jié)構(gòu)。卷繞工藝唯一的弱點是折返點處一層層重疊的纖維，那里會產(chǎn)生剪切應(yīng)力，但也比因鉆孔而破壞纖維的強度更可取。”Peter Fassbaender先生說。
在混合制造的零部件中，可以用正確的纖維增強技術(shù)減少結(jié)構(gòu)件之間連接點的數(shù)量，省去了粘接的工藝過程。對部件的改動和變型也都因非封閉的連接形式而更省時，也更容易處理。在許多情況下，也可以省去使用造價昂貴的模具。
“利用這一工藝，纖維材料的機械特性值都能很好地‘轉(zhuǎn)移’到所制造的結(jié)構(gòu)件中。纖維材料的物理特性也能直接反映在產(chǎn)品中。xFK in 3D工藝在輕量化設(shè)計制造中展現(xiàn)了更好的經(jīng)濟性和環(huán)保特性。”斯圖加特大學(xué)的塑料檢驗研究所領(lǐng)導(dǎo)人、ICT霍倫霍夫化工材料技術(shù)研究所的材料技術(shù)專家Peter Eyerer教授說。
節(jié)約資金的加工方案
“當有多種材料可供選用時，便宜的也許不是承載能力好的、或者不是重量輕的。因而在決策時，起決定作用的就將是：‘要省錢還是減重’。”Rainer Kurek先生說。
與RTM樹脂傳遞模塑工藝技術(shù)相比較，在汽車工業(yè)領(lǐng)域中，xFK in 3D工藝的投資相對較少。得益于這一工藝的日趨成熟、在制造過程中有許多可以參照的標準，因此對操作者而言，使用難度并不大。“在纖維卷繞方面我們已經(jīng)有了比較成熟的技術(shù)方案，原則上講，卷繞過程的自動化不會太復(fù)雜。”Voith公司領(lǐng)導(dǎo)人Lars Herbeck博士說道。
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