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ESE Carbon公司的E2復(fù)合材料車輪轂產(chǎn)品線是一次固化成型的一體式全碳纖維車輪轂
通過減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和組合質(zhì)量（含汽車的車輪轂、懸架和不受懸架支撐的其他直接連接部件在內(nèi)的簧下質(zhì)量），碳纖維的車輪轂提供了一系列的優(yōu)勢(shì)，包括：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和簧下質(zhì)量的降低幅度高達(dá)50%，通常情況下，這有助于以更低的能耗實(shí)現(xiàn)更快的加速，縮短制動(dòng)距離，而且由于與路面的接觸更好（機(jī)械抓地力）而改善了操控性并降低了噪聲。
通過減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和組合質(zhì)量（含汽車的車輪轂、懸架和不受懸架支撐的其他直接連接部件在內(nèi)的簧下質(zhì)量），碳纖維的車輪轂提供了一系列的優(yōu)勢(shì)，包括：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和簧下質(zhì)量的降低幅度高達(dá)50%，通常情況下，這有助于以更低的能耗實(shí)現(xiàn)更快的加速，縮短制動(dòng)距離，而且由于與路面的接觸更好（機(jī)械抓地力）而改善了操控性并降低了噪聲。
但是，碳纖維車輪轂（無(wú)論是混合材料的還是全復(fù)合材料的）的價(jià)格卻是許多消費(fèi)者難以承受的，優(yōu)惠的價(jià)格也超過了1萬(wàn)美元/每套，這使得這種車輪轂只能用于非常高端的跑車和豪華車輛。
美國(guó)ESE Carbon公司致力于為更廣泛的汽車消費(fèi)者提供碳纖維的車輪轂。為此，該公司組建了五軸數(shù)控精密加工團(tuán)隊(duì)，新增了先進(jìn)的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件生產(chǎn)能力、訂制的纖維鋪放設(shè)備和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的機(jī)器人技術(shù)。
該公司計(jì)劃在2021年推出一次固化的一體式全碳纖維復(fù)合材料車輪轂——E2產(chǎn)品系列。
該車輪轂僅重17磅，ESE將其設(shè)計(jì)為適用于額定重量3850磅的軸，這使它能夠支撐額定總重量達(dá)6800磅的汽車。據(jù)該公司CEO Carlos Hermida介紹，能夠承受同樣重量的傳統(tǒng)鋁制車輪轂，其重量會(huì)超過30磅。
E2是一種基于普通運(yùn)動(dòng)美學(xué)設(shè)計(jì)的五輻輪轂，具有凹面、深碗的外觀。
ESE Carbon公司使用了透明度良好的耐高溫環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，可提供訂制化的外觀解決方案，包括透明光澤、透明啞光和訂制顏色。
ESE Carbon公司對(duì)這款碳纖維車輪轂的認(rèn)證方法，80%采取了美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）目前推薦的做法，這些方法適用于目前制造的所有車輪轂，包括金屬的車輪轂。
此外，Hermida 表示，該公司很有可能依據(jù)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)剛剛批準(zhǔn)發(fā)布的新的復(fù)合材料車輪轂推薦規(guī)程SAE J3204，對(duì)市場(chǎng)上個(gè)一體式的車輪轂進(jìn)行認(rèn)證。
與針對(duì)金屬車輪轂的SAE推薦規(guī)程一樣，這一針對(duì)復(fù)合材料車輪轂的新建議通過各種疲勞和沖擊試驗(yàn)解決了耐久性問題，它還特別針對(duì)復(fù)合材料而增加了有關(guān)環(huán)境影響的新要求。
采用訂制纖維鋪放技術(shù)
ESE Carbon公司的車輪轂采用訂制纖維鋪放技術(shù)（TFP）制成，這項(xiàng)技術(shù)允許該公司以較快的節(jié)拍大批量地生產(chǎn)力學(xué)性能優(yōu)良的碳纖維部件。
TFP的工作原理是，將纖維束排列鋪放到結(jié)構(gòu)性能所需的位置，并在一個(gè)兼容的基層上將它們縫合到位。這一制程取代了傳統(tǒng)的將機(jī)織物裁剪成所需形狀的方法。
該公司采用韓國(guó)Hyosung Advanced Materials公司提供的工業(yè)級(jí)別的碳纖維絲束和ZSK Stickmaschinen GmbH（德國(guó)Krefeld，以下簡(jiǎn)稱ZSK）的TFP技術(shù)來(lái)縫合層，從而創(chuàng)造出近凈形狀的預(yù)成型件。
訂制的纖維鋪放：ESE Carbon公司采用ZSK Stickmaschinen GmbH的訂制纖維鋪放技術(shù)（TFP）制造碳纖維車輪轂（圖片來(lái)自ESE Carbon Co.）
當(dāng)縫合成所需形狀時(shí)，通過控制絲束路徑，可以將材料只鋪放到終的預(yù)成型件需要它的地方。沒有縫合的，只是傳統(tǒng)的疊層設(shè)計(jì)中需要被剪掉的織物面積。由于能夠符合復(fù)雜的形狀，因此這一過程減少了將機(jī)織物切割成形時(shí)所產(chǎn)生的早期廢物以及后處理造成的浪費(fèi)。
在采用TFP技術(shù)之前，初使用的是傳統(tǒng)的碳纖維織物。TFP技術(shù)的使用使該公司減少了50%的層數(shù)，從而創(chuàng)建了一個(gè)簡(jiǎn)化的鋪層過程并大程度地減少了浪費(fèi)。
采用TFP技術(shù)，碳纖維廢料從使用傳統(tǒng)碳纖維織物時(shí)的大約40%減少到目前的10%以下。此外，這項(xiàng)技術(shù)還改善了鋪層質(zhì)量，優(yōu)化了纖維取向并增加了設(shè)計(jì)的靈活性。
航空級(jí)別的絲束：ESE Carbon公司的E2車輪轂采用了Hyosung Advanced Materials公司提供的碳纖維絲束（圖片來(lái)自ESE Carbon Co.）
“在我們的輻條中有許多彎曲，這使鋪層（疊層）復(fù)雜化。采用傳統(tǒng)織物，碳纖維疊層的取向會(huì)受到限制。”Hermida解釋道，“但采用TFP，使得在任何方向上創(chuàng)建直線或曲線圖案的能力幾乎不受限制，從而能夠設(shè)計(jì)出經(jīng)過優(yōu)化的疊層。與采用傳統(tǒng)織物相比，能更有效地管理載荷和應(yīng)力。”
對(duì)疊層的改進(jìn)使得ESE Carbon公司顯著降低了成本。在切換成TFP之前，鋪層對(duì)于該公司而言是一大生產(chǎn)瓶頸。使用TFP后，減少了疊層層數(shù)，提高了效率，使得鋪層時(shí)間縮短了近50%，這樣，每副模具每天可以生產(chǎn)出更多的部件。
完全灌注、一次固化的輪轂
除了投資TFP技術(shù)外，ESE Carbon公司還采用了一種專有的壓縮樹脂傳遞模塑成型（RTM）工藝來(lái)生產(chǎn)E2，所用的訂制壓機(jī)由該公司的工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)。
Hermida表示，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全灌注、一次固化的輪轂充滿了挑戰(zhàn)，這其中的一個(gè)關(guān)鍵部分是選擇正確的樹脂系統(tǒng)。
“我們需要一種高度透明的快速固化系統(tǒng)，它必須性能穩(wěn)定、黏度低且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）高。”Hermida說(shuō)道。
為此，該公司選用了亨斯邁先進(jìn)材料的Araldite作為其環(huán)氧樹脂系統(tǒng)原料。該樹脂系統(tǒng)提供了所需的低黏度，可以實(shí)現(xiàn)更快速的澆注以浸潤(rùn)纖維使其便于加工，同時(shí)還能靈活地適應(yīng)不同的模具條件和節(jié)拍時(shí)間。
利用Araldite樹脂系統(tǒng)，ESE Carbon公司提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了輪輞強(qiáng)度，即使車輪轂處在制動(dòng)帶來(lái)的高溫環(huán)境中也同樣如此。
與同樣擁有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（高達(dá)200℃）的傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂相比，Araldite樹脂系統(tǒng)的延伸率和斷裂韌性更高。該系統(tǒng)可在模內(nèi)中溫固化，然后有選擇性地在模外進(jìn)行高溫后固化，這樣就能縮短在模內(nèi)的停留時(shí)間，確保終獲得的輕質(zhì)復(fù)合材料輪輞具有良好的耐疲勞性能，這對(duì)于車輛運(yùn)行過程中暴露在反復(fù)循環(huán)/壓力狀態(tài)下的車輪轂而言，是確保其耐久性的關(guān)鍵。
持續(xù)提升自動(dòng)化水平
ESE Carbon公司計(jì)劃在2020年季度對(duì)E2車輪轂進(jìn)行路試，并將于2020年晚些時(shí)候交付用于后市場(chǎng)的車輪轂。該公司表示，其已開始與一些OEMs展開交流。隨著E2的上市，問題又回到了成本上。
“碳纖維車輪轂的制造有許多獨(dú)特之處。雖然我們現(xiàn)在采用了自動(dòng)化技術(shù)，但為了將車輪轂的價(jià)格降到理想的價(jià)位，我們?nèi)孕枰罅康赜喼崎_發(fā)自動(dòng)化技術(shù)。”Hermida表示。
隨著對(duì)TFP技術(shù)的應(yīng)用，ESE Carbon公司在提升生產(chǎn)的自動(dòng)化水平方面取得了很大進(jìn)步，甚至還實(shí)現(xiàn)了車輪轂后處理加工的自動(dòng)化。目前，該公司正在利用機(jī)器人來(lái)努力提升諸如修邊、疊層的拾起放置以及預(yù)成型等操作的自動(dòng)化水平。
該公司的初始目標(biāo)是，以低于9900美元的價(jià)格提供4個(gè)一套的E2車輪轂。雖然這依然很貴，但卻代表了該公司朝著正確的方向邁出了一步。總之，該公司的自動(dòng)化項(xiàng)目將有助于消減成本。
“這只是個(gè)起點(diǎn)。”Hermida表示，“我們的目標(biāo)是接近鍛鋁車輪轂的價(jià)格。”類似的鍛鋁輪轂價(jià)格在5000～7000美元之間。