美國復材企業低成本大批量制造100%復合材料的車輪
Vision Wheel 公司在CAMX 2021展會期間次推出了其碳纖維復合材料的車輪，并聲稱，該公司低成本、高產量的工藝可以使其車輪擴展應用到高性能汽車、多用途地形車直至終的乘用電動汽車領域。
近年來，輕質高性能碳纖維復合材料以及金屬/復合材料混合材料的車輪已被用于許多賽車或其他高性能車輛上，但是，高成本的材料和低產量的制造方法通常將這類車輪的需求市場限定在豪華的汽車上。然而，隨著越來越多的汽車制造商開發出電動汽車，這些輕質車輪在量產汽車上的應用可能會增加，當然，前提是這些車輪可以采用較低成本的材料被大批量地制造出來，同時還能滿足嚴格的要求。
一家企圖改變這一現狀的公司是美國的Vision Wheel公司，該公司為乘用車、高性能特種車以及多用途地形車（UTV）市場制造訂制化的鍛鋁和鑄鋁車輪已有40多年的歷史。以Vision Composite Products為名，2021年10月，該公司在于美國德克薩斯州達拉斯舉行的CAMX展會上次推出了其個碳纖維復合材料的車輪，該車輪還入圍CAMX大獎決賽圈。
據Vision Wheel 公司COO John Paul Mathew 介紹，為制造這款新的車輪，該公司花費了大約9年的時間。早在2010年，市場上就出現了一些開發更輕質的碳纖維車輪的嘗試，而Vision Wheel 公司的CEO Roger Minor 開發碳纖維車輪的理念是，不僅要更輕質，而且要能夠大批量地制造，以滿足乘用車市場的需求。“我們設想：總有一天，鋁制車輪會被碳纖維車輪取代。”Mathew解釋道。
發明車輪: 原創設計和手工鋪層
“我們不想重新發明車輪。”Mathew說道。Vision Wheel 公司觀察了正在開發的其他的碳纖維車輪設計。“它們通常都是在心軸或者某種泡沫芯上成型，這使它們看起來比普通的車輪要大，或者輪廓不太鮮明，或者比普通的鋁制車輪更加普通。”因此，Vision Wheel公司決定，盡可能模仿鍛鋁車輪的復雜性。為開發其個車輪，該公司采取了用在Shelby GT 野馬汽車上的鋁制車輪的風格，并用復合材料來模仿這種風格。
Mathew承認，這是一個艱難的過程，需要經過多次迭代，而且要在有限元分析（FEA）模型與實物原型之間反復多次迭代，根據原型在實際應用中的表現來調整模型。
結果，產生了一個兩件式車輪的概念，這是為便于制造而做出的一種選擇。Mathew介紹說，將輪筒或輪輞作為一個單獨的部件進行制造，然后將它組裝到組合在一起的輪轂和輪輻上。Vision Wheel公司有多種輪筒模具的尺寸，可以重復使用，滿足許多不同的車輪設計需求，同時，還可以修改輪輻和輪轂的設計和模具，以滿足每種車型以及OEM對美觀的要求。
針對車輪的次迭代，Vision Wheel 公司團隊是從人工在芯軸上鋪放連續纖維織物開始的。“整個過程很成功，但我們意識到，采用這項工藝，你不可能一年做出幾百萬個車輪。” Mathew說道，“這是一個長而乏味的工藝過程，我們想將其轉變成更注重產量和大規模生產的方式。”此外，Vision Wheel 公司需要找到能夠滿足嚴格的汽車測試要求的復合材料。
滿足要求: 材料開發，新的合作伙伴
Vision Wheel公司的工程經理Alan Dudley解釋說，根據美國交通部（DOT）對車輪的要求，要測試車輪的小疲勞強度、抗沖擊性和徑向沖擊性，因此在開發時要考慮鋁制和鋼制車輪的斷裂點。“塑料車輪不會像鋁車輪那樣失效。當鋁車輪在撞擊中失靈時，如果輪輻或其他地方出現了裂縫，就很容易判斷出來。但如果采用復合材料，很難判斷裂紋的嚴重程度——可能是表面裂紋，或者出現了分層，或者是其他情況，但這是否構成失效呢?很難斷定。”
他補充道，對于復合材料來說，一個特殊的挑戰就是要滿足溫度要求，特別是在超級跑車和動力汽車上的應用，較猛的剎車和較快的速度都會導致車輪溫度升高。“這些測試非常嚴格，很難讓復合材料通過終點線。”他說道，然而，隨著越來越多的復合材料車輪被開發出來，國際標準化組織SAE International正在為復合材料車輪制定新的測試標準。
為了了解新的工藝技術和材料以便滿足這些要求，同時也為了實現大批量的生產計劃， Vision Wheel公司聯系了位于美國田納西州諾克斯維爾的先進材料和工藝創新研究所（簡稱IACMI）以及位于美國印第安納州西拉法葉的普渡大學復合材料制造和模擬中心（簡稱CMSC），并由此結識了材料供應商美國IDI 復合材料國際公司（以下簡稱IDI）。
“減少材料成本和循環時間是兩個主要目標。”IDI技術和應用工程總監 Kevin Cahill解釋道，“基于我們在SMC（片狀模塑料）和其他模壓成型材料方面的經驗背景，IDI對實現這兩個目標成竹在胸。”
為確保材料的低成本，IDI和Vision Wheel先開始考慮采用一種由低成本、快速固化的乙烯基酯樹脂與短切玻璃纖維和碳纖維的組合制成的SMC。“我們想要找到低成本的解決方案，它能夠賦予我們所需的強度。”Mathew說道。經過大約3年的開發和迭代，結果，采用全碳纖維的SMC可以滿足車輪對剛性的要求。
Cahill介紹說，雖然碳纖維SMC幾乎滿足了部件本身的要求，但在輪輻上，這種由不連續纖維增強的復合材料要承受車輪外側的大應力還顯得不夠強大。因此，大約在3年前，他們決定在混合物中加入一定量的連續纖維，為此，Cahill和IDI求助于編織材料專家、位于美國俄亥俄州辛辛那提的A&P Technology公司（以下簡稱A&P）。此前，IDI與 A&P 已合作研究出一種一步法的工藝，可將A&P的編織織物共成型到 IDI 的SMC部件中，具體來說，就是采用A&P的QISO織物開發了一種復合材料的動力沖浪板。
為滿足沖擊試驗要求,A&P的凈形狀、連續碳纖維編織織物預成型件被用到車輪輻條中，約占部件總重量的10%。“為優化編織結構，纖維與其將要承受的載荷保持一致，以便獲得佳的結構和成本效益。”A&P 的COO Pam Schneider表示。Braley補充道，大的挑戰在于如何確定纖維的取向，以及找到一種方法，確保在模壓成型過程中，該編織物能夠保持在位。
Mathew說：“終我們發現，通過添加編織的預成型件嵌入物，強度有了很大程度的改善，但我們仍看到了采用乙烯基酯帶來的問題。”這使得團隊轉向將更高性能、更高成本的環氧樹脂用于IDI的短切碳纖維增強SMC（Ultrium U660）和A&P的混合三軸編織的嵌入物中。
Cahill 解釋說：“車輪的某些部分要求很厚，而在加熱厚的部分時，乙烯基酯容易產生熱問題。傳統上，環氧樹脂需要很長的時間才能固化——60～90min，或者，快速固化的環氧樹脂可將固化時間縮短至10min，為此，我們采用了一種10min或不到10min就能固化的環氧樹脂。所以，要滿足汽車行業的節拍時間很有挑戰性。”
碳纖維鍛造
車輪的主筒和輪轂采用IDI的SMC材料通過模壓成型工藝制成，輪輻采用A&P的編織預成型件在一個工藝步驟成型?？紤]到商品名是Carbon Fiber Forged（碳纖維鍛造）—— “我們想讓大家看到，這些正在取代鍛鋁車輪。我們可以用幾分鐘而不是幾小時做一個車輪。”Mathew 說道，Vision Wheel 公司目前還沒有透露其工藝的細節。
“所有的工作都在美國完成。到2021年年底的年產量是8000個車輪。”他介紹說，下一個目標是，增加公司在阿拉巴馬工廠的產能，至少達到每年50000個車輪。“長期而言，我們計劃建造一個年產能100萬個車輪的工廠。”他說道。
進入市場的批車輪以及下一個目標
Vision Wheel公司正在銷售的批直接面向消費者的車輪包括20inch×9.5inch（50.8cm×24.13cm）的Mustang車輪和15inch×6inch（38.1cm×15.24cm）的UTV車輪，預計每個車輪的消費者購買價格將低于$2000。據說，這些車輪要比鋁制車輪輕40%，比鋼制車輪輕60%。對于高性能汽車和多用途地形車，這種車輪有助于提高性能和速度；而在電動汽車上，這種輕質車輪則有助于實現更好的性能和更長的續航里程。碳纖維的應用還有助于改善NVH性能，這對于乘用電動汽車市場非常有利。
與其他碳纖維復合材料車輪相比，這些車輪明顯的優勢是能夠被大批量地生產出來。“還有其他一些優勢沒有這么明顯，比如，我們不受風格上的限制。”Dudley表示。他也承認，從一開始就模仿Shelby GT鋁制車輪并不是開發車輪的快方法，但是，從高性能、復雜的設計開始，先就意味著Vision Wheel 公司現在有信心設計出各種風格、形狀和性能的車輪。
Vision Wheel公司還制造沒有金屬凸耳螺母或其他連接件的100%復合材料的車輪。Mathew補充說，與市場上的其他產品相比，他們的材料和工藝成本相對較低。“到目前為止，由于生產成本太高，碳纖維車輪主要用于價值連城的超級跑車和賽車上，我們可以使我們的車輪進入中等價值的汽車市場，這就是我們認為的市場可以真正得到擴展的地方。我們試圖進軍3個市場：高性能賽道車輛、動力車輛，終是OEM 的乘用電動汽車。”Mathew 解釋道。
Vision Wheel先瞄準前兩個市場，并于2021年底開始銷售其批直接面向消費者的車輪。“針對高性能和動力車輛市場，輕質車輪相當于更高的性能，而且這些車輛通常產量較低，所以顯而易見是個市場目標。”Mathew表示，盡管我們的目標是擴大生產規模，直到Vision Wheel 能夠將車輪銷售給汽車OEMs 以用于高產量的電動汽車平臺。“這才是我們真正想要的市場，因為量擺在那兒，所有的汽車制造商都會朝那個方向努力。”他說，Vision Wheel公司已經開始與該領域的幾家OEMs展開初步探討。
對IDI而言，與Vision Wheel公司合作凸顯了對其SMC和A&P的編織預成型件的共成型應用。Cahill表示，IDI看到了將這些材料應用于電動汽車其他部件的潛力，如電池蓋和其他的結構部件，以及應用于其他市場的潛力。“就耐久性、抗疲勞性和抗沖擊性要求而言，車輪很難制造，有許多因素影響到材料和制造方法。鑒于大批量的生產能力，以及我們能夠對不連續纖維和連續纖維進行共成型來優化部件并滿足低成本、快節拍要求的能力，像城市空中移動和無人駕駛飛機等其他領域也會對此感興趣。”他補充道。
車輪制造商Vision Wheel 公司看到了碳纖維車輪未來在電動汽車和高性能汽車上應用的巨大潛力。通過與合作伙伴IDI復合材料國際公司和A&P Technology公司合作，該公司采用其所說的大批量生產工藝和低成本的材料，開發了其款復合材料的車輪（圖片來自Vision Wheel）
近年來，輕質高性能碳纖維復合材料以及金屬/復合材料混合材料的車輪已被用于許多賽車或其他高性能車輛上，但是，高成本的材料和低產量的制造方法通常將這類車輪的需求市場限定在豪華的汽車上。然而，隨著越來越多的汽車制造商開發出電動汽車，這些輕質車輪在量產汽車上的應用可能會增加，當然，前提是這些車輪可以采用較低成本的材料被大批量地制造出來，同時還能滿足嚴格的要求。
一家企圖改變這一現狀的公司是美國的Vision Wheel公司，該公司為乘用車、高性能特種車以及多用途地形車（UTV）市場制造訂制化的鍛鋁和鑄鋁車輪已有40多年的歷史。以Vision Composite Products為名，2021年10月，該公司在于美國德克薩斯州達拉斯舉行的CAMX展會上次推出了其個碳纖維復合材料的車輪，該車輪還入圍CAMX大獎決賽圈。
據Vision Wheel 公司COO John Paul Mathew 介紹，為制造這款新的車輪，該公司花費了大約9年的時間。早在2010年，市場上就出現了一些開發更輕質的碳纖維車輪的嘗試，而Vision Wheel 公司的CEO Roger Minor 開發碳纖維車輪的理念是，不僅要更輕質，而且要能夠大批量地制造，以滿足乘用車市場的需求。“我們設想：總有一天，鋁制車輪會被碳纖維車輪取代。”Mathew解釋道。
發明車輪: 原創設計和手工鋪層
“我們不想重新發明車輪。”Mathew說道。Vision Wheel 公司觀察了正在開發的其他的碳纖維車輪設計。“它們通常都是在心軸或者某種泡沫芯上成型，這使它們看起來比普通的車輪要大，或者輪廓不太鮮明，或者比普通的鋁制車輪更加普通。”因此，Vision Wheel公司決定，盡可能模仿鍛鋁車輪的復雜性。為開發其個車輪，該公司采取了用在Shelby GT 野馬汽車上的鋁制車輪的風格，并用復合材料來模仿這種風格。
Mathew承認，這是一個艱難的過程，需要經過多次迭代，而且要在有限元分析（FEA）模型與實物原型之間反復多次迭代，根據原型在實際應用中的表現來調整模型。
結果，產生了一個兩件式車輪的概念，這是為便于制造而做出的一種選擇。Mathew介紹說，將輪筒或輪輞作為一個單獨的部件進行制造，然后將它組裝到組合在一起的輪轂和輪輻上。Vision Wheel公司有多種輪筒模具的尺寸，可以重復使用，滿足許多不同的車輪設計需求，同時，還可以修改輪輻和輪轂的設計和模具，以滿足每種車型以及OEM對美觀的要求。
針對車輪的次迭代，Vision Wheel 公司團隊是從人工在芯軸上鋪放連續纖維織物開始的。“整個過程很成功，但我們意識到，采用這項工藝，你不可能一年做出幾百萬個車輪。” Mathew說道，“這是一個長而乏味的工藝過程，我們想將其轉變成更注重產量和大規模生產的方式。”此外，Vision Wheel 公司需要找到能夠滿足嚴格的汽車測試要求的復合材料。
Vision Wheel公司的款直接面向消費者的車輪將用于訂制的超級跑車和多用途地形車上，但該公司表示，其可根據客戶需求設計各種尺寸和規格的車輪（圖片來自Vision Wheel）
滿足要求: 材料開發，新的合作伙伴
Vision Wheel公司的工程經理Alan Dudley解釋說，根據美國交通部（DOT）對車輪的要求，要測試車輪的小疲勞強度、抗沖擊性和徑向沖擊性，因此在開發時要考慮鋁制和鋼制車輪的斷裂點。“塑料車輪不會像鋁車輪那樣失效。當鋁車輪在撞擊中失靈時，如果輪輻或其他地方出現了裂縫，就很容易判斷出來。但如果采用復合材料，很難判斷裂紋的嚴重程度——可能是表面裂紋，或者出現了分層，或者是其他情況，但這是否構成失效呢?很難斷定。”
他補充道，對于復合材料來說，一個特殊的挑戰就是要滿足溫度要求，特別是在超級跑車和動力汽車上的應用，較猛的剎車和較快的速度都會導致車輪溫度升高。“這些測試非常嚴格，很難讓復合材料通過終點線。”他說道，然而，隨著越來越多的復合材料車輪被開發出來，國際標準化組織SAE International正在為復合材料車輪制定新的測試標準。
為了了解新的工藝技術和材料以便滿足這些要求，同時也為了實現大批量的生產計劃， Vision Wheel公司聯系了位于美國田納西州諾克斯維爾的先進材料和工藝創新研究所（簡稱IACMI）以及位于美國印第安納州西拉法葉的普渡大學復合材料制造和模擬中心（簡稱CMSC），并由此結識了材料供應商美國IDI 復合材料國際公司（以下簡稱IDI）。
“減少材料成本和循環時間是兩個主要目標。”IDI技術和應用工程總監 Kevin Cahill解釋道，“基于我們在SMC（片狀模塑料）和其他模壓成型材料方面的經驗背景，IDI對實現這兩個目標成竹在胸。”
為確保材料的低成本，IDI和Vision Wheel先開始考慮采用一種由低成本、快速固化的乙烯基酯樹脂與短切玻璃纖維和碳纖維的組合制成的SMC。“我們想要找到低成本的解決方案，它能夠賦予我們所需的強度。”Mathew說道。經過大約3年的開發和迭代，結果，采用全碳纖維的SMC可以滿足車輪對剛性的要求。
Cahill介紹說，雖然碳纖維SMC幾乎滿足了部件本身的要求，但在輪輻上，這種由不連續纖維增強的復合材料要承受車輪外側的大應力還顯得不夠強大。因此，大約在3年前，他們決定在混合物中加入一定量的連續纖維，為此，Cahill和IDI求助于編織材料專家、位于美國俄亥俄州辛辛那提的A&P Technology公司（以下簡稱A&P）。此前，IDI與 A&P 已合作研究出一種一步法的工藝，可將A&P的編織織物共成型到 IDI 的SMC部件中，具體來說，就是采用A&P的QISO織物開發了一種復合材料的動力沖浪板。
SMC +編織的預成型件：經過幾年的開發和測試，Vision Wheel公司當前的設計是，在輪輻中使用由連續的編織纖維增強的SMC。“針對車輪應用，終的答案是，采用一種在取向和定向增強方面更具各向異性的訂制材料,它可以被用來在應力過高的特定區域補充SMC的不足。”A&P應用開發副總裁Mike Braley解釋道。
為滿足沖擊試驗要求,A&P的凈形狀、連續碳纖維編織織物預成型件被用到車輪輻條中，約占部件總重量的10%。“為優化編織結構，纖維與其將要承受的載荷保持一致，以便獲得佳的結構和成本效益。”A&P 的COO Pam Schneider表示。Braley補充道，大的挑戰在于如何確定纖維的取向，以及找到一種方法，確保在模壓成型過程中，該編織物能夠保持在位。
Mathew說：“終我們發現，通過添加編織的預成型件嵌入物，強度有了很大程度的改善，但我們仍看到了采用乙烯基酯帶來的問題。”這使得團隊轉向將更高性能、更高成本的環氧樹脂用于IDI的短切碳纖維增強SMC（Ultrium U660）和A&P的混合三軸編織的嵌入物中。
Cahill 解釋說：“車輪的某些部分要求很厚，而在加熱厚的部分時，乙烯基酯容易產生熱問題。傳統上，環氧樹脂需要很長的時間才能固化——60～90min，或者，快速固化的環氧樹脂可將固化時間縮短至10min，為此，我們采用了一種10min或不到10min就能固化的環氧樹脂。所以，要滿足汽車行業的節拍時間很有挑戰性。”
碳纖維鍛造
車輪的主筒和輪轂采用IDI的SMC材料通過模壓成型工藝制成，輪輻采用A&P的編織預成型件在一個工藝步驟成型?？紤]到商品名是Carbon Fiber Forged（碳纖維鍛造）—— “我們想讓大家看到，這些正在取代鍛鋁車輪。我們可以用幾分鐘而不是幾小時做一個車輪。”Mathew 說道，Vision Wheel 公司目前還沒有透露其工藝的細節。
“所有的工作都在美國完成。到2021年年底的年產量是8000個車輪。”他介紹說，下一個目標是，增加公司在阿拉巴馬工廠的產能，至少達到每年50000個車輪。“長期而言，我們計劃建造一個年產能100萬個車輪的工廠。”他說道。
進入市場的批車輪以及下一個目標
Vision Wheel公司正在銷售的批直接面向消費者的車輪包括20inch×9.5inch（50.8cm×24.13cm）的Mustang車輪和15inch×6inch（38.1cm×15.24cm）的UTV車輪，預計每個車輪的消費者購買價格將低于$2000。據說，這些車輪要比鋁制車輪輕40%，比鋼制車輪輕60%。對于高性能汽車和多用途地形車，這種車輪有助于提高性能和速度；而在電動汽車上，這種輕質車輪則有助于實現更好的性能和更長的續航里程。碳纖維的應用還有助于改善NVH性能，這對于乘用電動汽車市場非常有利。
與其他碳纖維復合材料車輪相比，這些車輪明顯的優勢是能夠被大批量地生產出來。“還有其他一些優勢沒有這么明顯，比如，我們不受風格上的限制。”Dudley表示。他也承認，從一開始就模仿Shelby GT鋁制車輪并不是開發車輪的快方法，但是，從高性能、復雜的設計開始，先就意味著Vision Wheel 公司現在有信心設計出各種風格、形狀和性能的車輪。
批直接面向消費者的車輪于2021年底上市了，下一步，Vision Wheel公司計劃擴大生產規模，直接服務于OEMs（圖片來自Vision Wheel）
Vision Wheel公司還制造沒有金屬凸耳螺母或其他連接件的100%復合材料的車輪。Mathew補充說，與市場上的其他產品相比，他們的材料和工藝成本相對較低。“到目前為止，由于生產成本太高，碳纖維車輪主要用于價值連城的超級跑車和賽車上，我們可以使我們的車輪進入中等價值的汽車市場，這就是我們認為的市場可以真正得到擴展的地方。我們試圖進軍3個市場：高性能賽道車輛、動力車輛，終是OEM 的乘用電動汽車。”Mathew 解釋道。
Vision Wheel先瞄準前兩個市場，并于2021年底開始銷售其批直接面向消費者的車輪。“針對高性能和動力車輛市場，輕質車輪相當于更高的性能，而且這些車輛通常產量較低，所以顯而易見是個市場目標。”Mathew表示，盡管我們的目標是擴大生產規模，直到Vision Wheel 能夠將車輪銷售給汽車OEMs 以用于高產量的電動汽車平臺。“這才是我們真正想要的市場，因為量擺在那兒，所有的汽車制造商都會朝那個方向努力。”他說，Vision Wheel公司已經開始與該領域的幾家OEMs展開初步探討。
對IDI而言，與Vision Wheel公司合作凸顯了對其SMC和A&P的編織預成型件的共成型應用。Cahill表示，IDI看到了將這些材料應用于電動汽車其他部件的潛力，如電池蓋和其他的結構部件，以及應用于其他市場的潛力。“就耐久性、抗疲勞性和抗沖擊性要求而言，車輪很難制造，有許多因素影響到材料和制造方法。鑒于大批量的生產能力，以及我們能夠對不連續纖維和連續纖維進行共成型來優化部件并滿足低成本、快節拍要求的能力，像城市空中移動和無人駕駛飛機等其他領域也會對此感興趣。”他補充道。
