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钢塑夹芯结构混合材料部件及复合材料电池包的成型工艺设计
发布日期:2019-11-22  来源:汽车材料网  浏览次数:420
 
  纤维增强塑料(FRP)作为轻质材料,替代传统金属材料,在汽车轻量化生产中的应用稳步提高。其中,除了传统复合材料部件的应用外,还包括多材料的混合应用。从单材料到多材料的变化给成产工艺带来了较大的挑战。成型技术和机械研究所(IFUM)针对车用混合材料成型技术进行了研究和开发,并对材料部件的可靠性进行验证。
 
  1.1 混合成型工艺
 
  关于形成金属-FRP混合组分的主要方法有两种。一方面,可以在成型之前或在两个单独的成型过程之后将复合材料进行连接。另一方面,可以在一个单独的工艺步骤中实现连接和成形。即,将预先浸渍树脂的钢板与碳纤维增强聚合物(CFRP)一起固化成型, 环氧树脂粘附到钢表面,并在固化后产生牢固的粘合力。
 
  近年来,热塑性材料凭借加工时间段、可回收、可热连接等优点越来越受青睐。德累斯顿工业大学开展了一系列研究项目,采用织物增强热塑性复合材料和金属薄板,通过一步成型法,经注塑和模压成型具有3D结构的扁平FRP半成品。如,采用三维肋条结构对汽车B柱进行加强。
 
  1.2 混合成型过程的仿真和建模
 
  混合材料部件的设计和开发一般需要建立材料模型,进行数值模拟,从而确定工艺参数。对于各向同性材料,使用Mises屈服准则;而各向异性材料则可选择Hill屈服准则。针对纤维增强的热塑性材料,采用耦合法建模和均质化FE建模两种方法,具体如下图1。纤维增强热塑性片材成型过程模拟的关键因素是纤维的取向分布,对成型后纤维取向的预测是建模的关键。而对于热塑性基体,其刚度很大程度上取决于成型温度,且温度对成型阶段的起皱行为有很大的影响。
 
  对于混合材料成型工艺参数的确定,需要对不同材料间的界面结合进行建模,夹芯结构的材料需要重点关注结合界面的失效形式。对于一次注射成型过程的模拟将通过预浸料与中间层结构粘接情况的分析,预测其对结构刚度和强度的影响。
 
  2、成型过程与仿真开发
 
  本章介绍了夹心层结构的成型过程,并采用有机片材和玻璃毡增强热塑性塑料(GMT)制备了电池托盘。同时对各组件间的连接工艺进行研究。
 
  2.1 三明治夹心层结构的设计
 
  夹芯结构的设计如图2所示,其在钢板与碳纤维增强PA6材料之间为材料粘合剂连接,而是通过增加一层PA6,直接热连接到钢板表面。
 
  2.1.1 加热和冷却工艺参数的设定
 
  为实现在一个模具中进行加热、浸渍和固结,设计了如图3中所示的加热方案。先将部件加热到高于热塑性基质的熔融温度,形成半成品,并在压力作用下浸渍纤维。在固结阶段,仅冷却部件轮廓的外边缘区域,中心层保持在高温下。冷却装置停止后,存储在部件中的热能流回表面,从而使部件快速重新加热。
 
  图4为冷却阶段成型模具的热成像图像。可以看出,在启动冷却几秒钟后,在模具中建立了清晰的温度梯度。约45 s后,表面温度达到约160℃,中心温度保持在250℃。实验中将模具重新加热至250℃成型温度的时间仅需5-6分钟,约是初始加热所需时间的四分之一。
 
  2.1.2 部件的生产
 
  帽型部件的结构和材料设计如图5所示,其在245-260℃的温度下实现了较好的浸渍、和粘合,最终固结质量良好。图6为帽型部件底部区域的截面图,可以看出,温度在230℃时,纤维的浸渍和零件的固结不充分;在250℃时可获得较为理想的结果;温度提升至280℃时发生了热降解。
 
  为在成型过程中复合材料与金属表面形成牢固而稳定的粘合,通过考虑中间层的压力和温度参数进行建模,如图7所示。
 
  2.1.3 夹层结构的界面结合
 
  对夹层结构的粘合情况进行分析,研究部件在成型过程中各夹层结构的失效机理,具体如图8。图8a左侧为牵引力分离曲线。为研究夹层结构(厚度1.2毫米)与金属薄板外层(HC钢)和聚合物芯在剪切载荷下的界面的失效行为,进行了改进的拉伸试验(见图8b),有限元失效模拟如图8c。
 
  2.2 混合材料电池包壳体的模压成型
 
  作为BMBF项目ProVorPlus的一部分,IFUM开发了混合材料电池托盘。托盘由壳体、阶梯形结构和隧道形结构组成。通过加强筋实现隧道结构的加强,外壳采用有机片材,并通过GMT肋条结构进行加强。
 
  2.2.1 工艺流程设计
 
  采用有机片材通过折叠十字形坯料,形成阶梯状和隧道状结构。成型过程中的重要挑战是隧道结构的起皱问题,如图9。为防止压缩折叠时纤维发生断裂,可以通过减小通道区域中的夹持宽度来引导纤维。此外,在通道区域内设置了空腔和额外的1mm的片材间隙,用于压缩成型工艺,其目的是将GMT材料的分布限制在隧道几何形状内。
 
  2.2.2 数值模型
 
  采用LS-Dyna通过均质化方法建立仿真模型,如下图。为分析温度的发布变化,假设有机片材各方向的热导率一致。为达到增强结构的目的,增强肋条必须适当的结合到隧道结构中。因此,GMT和有机片之间的中间层温度必须至少在粘结的一侧超过熔化温度。通过对有机板和GMT之间的热传递进行建模,可以在仿真模型中实现此热过程的模拟分析。
 
  2.2.3 实验结果
 
  电池包壳体的成型结果如图12所示,有机片材与隧道型结构形成密封。底部和壁区域也实现了良好的固结(如图13a和图13c),而图13b显示,纤维在内半径处聚集,在边缘的连接时,纤维垂直于切割平面重新排列,没有观察到清晰的连接区域,且没有看到纤维束松散末端的混合。此外,在接合区域中未检测到空隙。为了检查有机薄板和GMT之间的结合,切开了隧道区域,其显微图如图14。有机片的表面适当地结合到GMT,实现了从有机板材到GMT的无缝过渡。
 
  模拟结果表明,GMT成分无法防止皱纹的形成。此外,可以观察到侧面的温度提前下降,且由于温度降低,基质材料的刚度大大增加,从而限制了织物的进一步流动成型。在后期,隧道区域与模具接触,温度开始降低,直到实现与GMT的接触为止。GMT的较高温度导致有机片在成形阶段结束时温度升高,超过了熔融温度,造成的表面重熔正确地解释了在实验过程中观察到的键形成。
 
  3、结论
 
  本文介绍了两种最新的成型技术,一种是通过变热工具实现一步工艺的夹芯结构成型。其目标是实现纤维的完全浸渍、固结和牢固的粘接。通过成型过程对结合界面的仿真分析,可实现层间失效的预测。另一个项目开发了一种新型模压成型工艺,并制造了复合材料电池包壳体。通过有限元分析对成型工艺进行仿真优化,预测中间层的形成和热传递。最后实验结果显示了与仿真模拟较高的一致性。
 
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