保時捷與 Action Composites合作，設計并制造了一種創新的碳纖維籠式安全車身，用于輕量化其系列賽車之一，該籠式車身采用一次壓縮成型工藝制造。

保時捷設計的 2023 年款 911 GT3 RS 在賽道上表現出色。盡管國際汽聯（FIA）規定參加正式比賽的車輛必須使用鋼制防滾保護架，但保時捷還是為追求公路車輛最高速度的歐洲客戶設計了重量優化的鈦金屬，現在又增加了碳纖維復合材料選項。來源 | 保時捷

在賽車設計方面，汽車結構中每減輕一點重量，就意味著速度和性能的提高。2019年，保時捷（德國斯圖加特）賽車運動部門試圖重新設計其911 GT3 RS車輛的防滾架，以盡可能減輕重量。

“國際汽聯 (FIA) 規定賽車必須使用鋼制防滾架，因為到目前為止，這些防滾架是制造和焊接最簡單的材料，”保時捷專業賽車輕量化設計專家 Thiemo Erb 解釋道。

客戶對賽車型公路車的需求讓保時捷得以自由地在其防滾架設計中測試替代材料——在第一次重新設計中，該公司成功開發出一種鈦合金防滾架，將零件重量減少了約 20%。“但我們一直在尋找下一個目標，所以在那之后，我們決定看看我們能否更進一步，開發出碳纖維復合材料版本，”Erb說。

設計結果

• 重新設計金屬需要改變形狀以滿足 FIA 負載要求。
• 開發了三步“仿生”設計流程，以優化有機幾何形狀和鋪層設計。
• 與鈦相比，重量減輕了15%，與鋼相比，重量減輕了 40%。

除了減輕重量（與鈦合金版本相比），復合材料重新設計的目標還在于籠架的雙重作用，即既是視覺元素又是乘客安全部件。雖然碳纖維籠式車身不符合 FIA 認證賽車的資格，但它仍需滿足 FIA 的負載要求，以確保乘客安全，包括無遮擋設計，以最大限度地提高車輛后部的可視性，以及保時捷的高端美感。

起初，設計團隊用碳纖維復合材料模擬了原始籠子幾何形狀，“但我們很快意識到材料的變化意味著整個概念必須改變，”埃爾布說。

三步“仿生”設計流程

保時捷開發并采用了碳纖維防滾架的三步設計流程：拓撲優化、鋪層建模和幾何優化。據 Erb 介紹，保時捷使用了其內部建模軟件，該軟件專門針對此應用進行了調整。

保時捷 911 GT3 的內飾呈現出更典型的 X 形金屬防滾架設計

為什么需要改變形狀？“在發生碰撞時，籠式車身可以保護乘客，但碳纖維在撞擊時會迅速斷裂，并且只有少量的局部變形，”Berendes 說。“原始金屬部件的設計是為了延長金屬的伸長率和變形時間。”典型的金屬籠子的“X”形需要更多的材料才能滿足所需的負載要求，這將違背減輕重量的目標。“對于碳纖維，你需要開發一種形狀，在撞擊時，負載可以以某種方式沿著部件向下傳遞，”他補充道。

在三步設計過程中，保時捷團隊優化了籠式車身的幾何形狀、鋪層安排和制造工藝，以實現碳纖維與金屬的沖擊性能，從而形成了一種新的“吊帶式”形狀。來源 | 保時捷

當保時捷工程和設計團隊最終確定零件設計時，該公司開始向其幾家制造合作伙伴索取報價。該公司選擇了一級汽車供應商Action Composites GmbH（奧地利里德因克賴斯）。Action Composites 成立于 2011 年，專門為高端和大批量汽車制造商設計、開發和生產碳纖維復合材料部件，多年來一直與保時捷密切合作，并為各種客戶制造了 A 級視覺部件以及全復合材料或混合車輪、線圈和穩定桿。

保時捷將用于該項目的三步設計流程和軟件稱為“仿生”設計，最終形成了一種“具有生物觸感”的有機優化形狀，Erb 表示，并指出其與樹枝的相似性。他補充說，這種方法現在可以用于需要進行實質性設計變更的未來項目。

材料與制造

最初的目標是用碳纖維重新設計鈦質防滾架，但具體的材料選擇過程是保時捷和 Action Composites合作完成的，其中考慮了零件幾何形狀、重量優化、模具設計和制造方法。

最終，超過 90% 的全復合材料籠子由單向 (UD) 碳纖維/環氧預浸料制成，以盡可能減少材料使用量和重量，實現最大強度和抗沖擊性。然而，從零件上看，這一點并不明顯，因為最外層由 2 × 2 斜紋碳纖維/環氧預浸料制成，并采用 A 級表面處理，以實現所需的外觀。

Action Composites 北美大客戶經理 Joest Hoekstra 指出：“UD 纖維使我們能夠以某種方式排列材料，從而以最少的材料消耗獲得最大的力。”

Erb 強調，平衡成本效益和性能是關鍵。“這是一款每年生產數千輛的系列汽車。它必須具有成本效益，而且必須物有所值。碳纖維的設計成本將高于我們已有的鈦合金版本，因此我們必須確保它的性能有顯著提升。”

籠式車身由 90% 的單向 (UD) 碳纖維/環氧樹脂預浸料制成，外殼由斜紋織物預浸料組成，以達到理想的美觀效果。來源 | 保時捷

這個部件是如何制造的？這個部件的挑戰在于一次性制造出一個復雜的空心結構，并采用可見的碳纖維 A 級飾面 — 并且采用可重復的工藝。Hoekstra 補充道：“滿足行業標準非常重要，因此當然需要保持一致性，并且能夠始終以相同的方式生產部件，尤其是安全部件。”

據 Hoekstra 介紹，該部件由兩部分組成：預制外殼采用斜紋碳纖維預浸料制成，以形成所需的 A 級表面，并與由UD預浸料組成的結構籠共同固結。對于 UD 預浸料結構部件，將層鋪設在復雜的囊模上，該囊模將每個管和節點元件整合到一個部件上。然后將整個結構放入壓縮模具中進行固結。在環境溫度下冷卻一段時間后，囊模被移除。“我們使用鋼制工具，這使我們能夠保持相當小的公差并實現 A 級飾面，”Hoekstra 指出。

開發制造工藝所面臨的挑戰包括需要將金屬部件連接到保持架的某些部分，“這需要新的復雜工藝步驟”，Hoekstra說，此外整個部件需要上漆，同時還要滿足嚴格的車輛內飾材料排放規定。