汽車的后舉升門或者后艙門，從金屬向復合材料的轉變已經歷了緩慢的幾十年。雖然直到2013年，個無金屬支撐結構的全塑料/復合材料的后舉升門實現了商業化，但今天，大多數的后舉升門仍然擁有這種支撐構件，在其上，則附有外蒙皮和內板。這樣的后舉升門，特別常見于較大、較重的運動型多功能車（SUVs）和后門較大的跨界多功能車（CUVs）上。

　　然而，2019年次出現在日本豐田汽車公司的豐田Supra跑車上的復合材料后舉升門，可能是舉升門的下一次革命。一種纖維纏繞的復合材料框架取代了金屬框架，而且據說還以低于傳統金屬結構的重量而提供了更高的剛性和強度。其設計靈活性更大，特別適合安裝在緊湊的空間。據介紹，這項纖維纏繞工藝已得到了明顯改善，隨著興趣的增加和應用的激增，它完全能夠滿足大批量的汽車生產對速度和成本目標的要求。

　　三邊制造

　　麥格納國際公司（以下簡稱麥格納，加拿大安大略省奧羅拉）是北美的一級集成商，但在歐洲，其子公司Magna Steyr AG & Co. KG（以下簡稱Magna Steyr，奧地利格拉茨）還為需要額外制造能力的OEMs設計和組裝完整的汽車。

　　麥格納新參與了一個涉及豐田和寶馬等汽車制造商的有趣項目，自2013年以來，豐田和寶馬就一直在設計和制造項目上展開合作。針對新的項目，豐田希望重新啟用其Supra品牌，并與寶馬展開了合作，為該車型提供設計和調試，以及提供了一輛姊妹車——寶馬的雙人座Z4。這兩款汽車采用相同的發動機、懸架和轉向系統。Magna Steyr在格拉茨同時組裝這兩款車，并為Supra提供座椅、車身面板、門閂和后舉升門。雖然這兩款車都有很多創新，但安裝在Supra上的后舉升門卻是體現復合材料設計創新的顯眼的部件。

 

　　一種創新的全復合材料纖維纏繞空間框架次被用在豐田Supra雙人座跑車的后舉升門上，它由位于奧地利格拉茨的Magna Steyr AG & Co. KG組裝（圖片來自豐田汽車公司）

　　波希米亞人的曼徹斯特

　　在麥格納參與2020款Supra車型項目之前的幾年，其位于捷克利貝雷茨的公司，就一直在探索將復合材料的空間框架技術用于一些潛在的應用領域。幸運的是，該地區作為的紡織中心，有著悠久的傳統，曾被稱為“波希米亞人的曼徹斯特”。利貝雷茨團隊尋求一種技術架構，以便能夠支撐高負載，降低總重量，確保嚴格的尺寸公差，并能采用高重復性和再現性的工藝進行生產，從而滿足歐洲汽車制造商對性能和生產的要求。

　　“我們得出結論，我們需要一個熱固性的產品，它具有高的耐熱性和尺寸穩定性。” 麥格納產品線（復合材料后舉升門）總監 Riad Chaaya回憶說，“我們還知道，我們需要一個封閉的形狀，其橫截面的形狀和厚度能夠有所不同，這對于優化力學性能、安裝空間、質量和成本都非常必要。而且，這樣的部件能夠采用每年生產15萬個部件的工藝被生產出來。我們研究了很多技術，包括吹塑、編織和纖維纏繞，但沒有一個能很好地滿足我們的需求。經過多次試驗后，我們選擇了纖維纏繞作為滿足我們所需的佳匹配，因為它允許我們控制纖維的方向和數量，從而能夠以低的重量獲得高的模量。”

　　盡管纖維纏繞有很多好處，但令人擔心的是，相對于傳統的汽車生產要求，其速度可能過于緩慢。此外，該團隊需要一種方法來開始和結束纏繞過程，以便創造一個封閉的形狀框架。幸運的是，雖然該團隊沒有纖維纏繞的歷史, 但利貝雷茨的紡織生產傳統則意味著當地到處都是擅長粗紗和纖維纏繞的專家。

　　“我們很幸運，這些專家有激情重新啟用他們的傳統知識來幫助我們以新的方式應用它，從而滿足大批量的汽車生產要求。”麥格納外飾技術負責人（捷克共和國）Josef P?ta博士補充道。

　　“由于傳統的纖維纏繞相對于我們的要求過于緩慢，我們和我們的合作伙伴想了很多辦法讓它運行得更快。”麥格納利貝雷茨的工業化負責人Luká? Strouhal回憶說，“我們考慮了加快工藝中每一個步驟的方法，也考慮了完全不同的方法。雖然我們不能對我們是如何做到的透露太多，但我們可以說，我們在速度上取得了巨大的進步。”

　　麥格納及其合作伙伴開發了許多樹脂系統，包括環氧樹脂、聚氨酯（PUR）和一種聚氨酯/乙烯基酯的混合物，同時添加了各種增強材料，從玻璃纖維到碳纖維，直至玄武巖纖維。終選用的系統是PUR與玻璃纖維，它在纖維效率、性能、成本和生產速度之間實現了佳平衡。

 

　　麥格納通用的纖維纏繞空間框架技術（上）的個應用是豐田Supra車型的后舉升門（下）的支撐結構，這種由PUR/玻璃纖維制成的框架具有變化的直徑和壁厚（上圖來自麥格納國際公司，下圖來自SPE汽車部門）

　　麥格納的通用纖維纏繞空間框架分三步生產，每一步都為速度提升而得到了精心優化。先，通過反應注射成型（RIM）工藝生產出一個硬質多孔的PUR芯核；然后，將芯核作為芯軸，在其上纏繞玻璃纖維；第三，將PUR灌注到纏繞的結構中，使其在高壓樹脂傳遞模塑成型（HP-RTM）工藝中固化。需要特別注意的是，在樹脂灌注和固化期間，要保證芯核不塌陷。P?ta解釋說，他們開展的大量工作是：確定所用粗紗、浸潤劑和樹脂的種類，并與供應商密切合作，對材料進行改性，以及確定每一層需要纏繞的纖維數量和纖維方向。毫無疑問，該公司已獲得了諸多，從設計和芯核生產，到纖維纏繞機器，還有他們掌握的其他商業機密，總之，覆蓋了各個方面。

　　“我們在每個工藝步驟和產品上都有多項創新。”Strouhal解釋說，“你可以把我們的一個框架拆開，看看它的形狀和結構，然后你仍然會想：為什么要這么做？是怎么做到的？”

　　雖然麥格納利貝雷茨團隊還沒有開發出針對某一特定應用的空間框架技術，但他們將得到一個有趣的機會來應用它。

　　極具挑戰性的后舉升門

　　麥格納擁有生產乘用車后舉升門的悠久歷史，據說，該公司在北美和歐洲為2013 寶馬i3城市電動汽車制造了個全烯烴的后舉升門，并為FCA NA LLC（美國密歇根州奧本山）的2019 Jeep Cherokee SUVs 設計和制造了下一代的全烯烴后舉升門?？傊?，無論是利貝雷茨的研究成果，還是將金屬舉升門結構轉變成復合材料和塑料的悠久歷史，對于Supra項目來說，后舉升門的生產都是可以實現的。

　　“Supra后舉升門提出了一系列的挑戰。”Chaaya回憶道，“先，安裝空間非常有限，這意味著公差要求非常嚴格，線性熱膨脹系數值必須要小心管理，以確保舉升門能夠開、合自如；其次，門的形狀更具挑戰性。豐田不僅希望舉升門更輕，而且對車后部的裝飾有著非常特殊的造型要求；第三，考慮到該車輛的計劃產量，如果用金屬來實現這種形狀，所用模具會非常昂貴。實際上，我們得出的結論是，用一塊金屬來制造舉升門的框架而且還要滿足豐田的設計和性能要求，這是不可能的，這就意味著空間框架必須要由復合材料制成，更確切地說，是熱固性復合材料。”

　　外層表皮是經過噴涂的、注射成型的滑石粉增強TPO面板，而內板采用的是長玻纖增強聚丙烯（PP）。內、外板均采用雙組分的PUR 結構粘合劑被粘接到框架上。Chaaya補充說，很多工作是用來優化空間框架，完善舉升門的設計，以滿足扭轉載荷要求。早期的挑戰是，找到一種能夠精確模擬材料特性的方法，從而在預測結果與實測結果之間實現精確關聯。

 

　　憑借緊湊的安裝空間、侵略性的造型和嚴格的扭轉載荷要求，使得Supra后舉升門成為一項極具挑戰性的應用（圖片來自豐田汽車公司）

　　“為確保與我們的材料模型具有良好的相關性，我們經過了艱苦的努力。我們必須對纏繞的每一層進行模擬，并要結合形狀、半徑和纏繞本身的要求。”他補充說，“雖然一開始我們只偏離了20%，但經過多次調整以及確定佳的方式，我們改善了剛度，終與預測結果非常接近。在這么大的框架上，我們還設法將尺寸公差控制在1mm。”
 

　　諸多優勢

　　終的復合材料框架要比相應的金屬框架輕10%，而質量分解效應則有助于整個后舉升門要比相應的金屬舉升門輕20%～25%（圖片來自麥格納國際公司）

　　終的圈形框架擁有可變的直徑和壁厚，但有一個50～60 mm的標稱直徑。除了角落里的一個小支架、像門閂和鉸鏈這樣的硬附件，以及用箔片接地的整體天線外，整個框架（104cm×111cm）完全是復合材料的，甚至用來將內飾板連接到舉升門下半部分的耳狀支架也是復合材料的，而且是通過HP-RTM工藝制成。雖然這種復合材料的框架要比相應的金屬框架輕10%，但質量分解效應則意味著整個后舉升門要比相應的金屬舉升門輕20%～25%。

　　更輕的舉升門使得消費者在打開和關閉時無需花費太大的力氣，對于工人來說，在車輛裝配過程中更容易安裝。此外，在車輛使用壽命期間也更節省燃油。這種復合材料的系統還消除了金屬舉升門所需的卷邊和點焊/連接等加工步驟。

　　Chaaya暗示說，該公司正在開展另一個大型纖維纏繞汽車項目，并表示，麥格納認為，這項技術除了后舉升門外還有其他用途。“車門、行李箱蓋、發動機蓋、FEMs（前端模塊）甚至是無人駕駛車輛，如由玻纖纏繞的框架構成的公交車，都可以使用這樣的空間框架。”他補充說，“如果我們采用碳纖維織物，就不用將框架藏在里面了——將碳纖維漂亮的表面暴露出來，這是一種身份的象征。”