CF-SMC模压工艺——碳纤维汽车部件生产工艺

 SMC(Sheet Molding Compound的缩写,即片状模塑料)模压是指将片材按制品尺寸、形状、厚度、重量等要求裁剪下料,然后将裁剪好的材料叠合放入已加热的金属模具型腔内,按预先设定好的加压方式固化成型的过程。

上述介绍中关键词说明:

  • 片材:传统的SMC工艺中使用的片材由短切纤维和树脂及填料等组成,现在HRC已具有将连续碳纤维和短切纤维混杂加工得到的片材(即CF-SMC)模压成型的工艺。

CF-SMC模压成型工艺是将连续碳纤维和短切纤维通过不同形式的混杂加工从而制备成形状较为复杂、有较高尺寸精度要求的复合材料零部件,这里连续纤维作为增强体弥补了短切纤维的力学短板,达到了局部补强的目的,在力学性能上远远优于传统的SMC制备技术,适用于大批量、重复性高、结构复杂的半结构汽车件生产。

  • 裁剪:上述片材会以卷状保存,按照制品要求设计尺寸,设定裁床参数,进行裁剪,以得到可继续加工的片材
  • 叠合:按照制品设计要求,将多片裁剪好的片材进行铺叠,以得到满足厚度要求的成型料
  • 固化成型:将铺叠好片材放入模具,控制温度、压力和时间,使其固化

我们将上述关键词串起来就得到了基本工艺流程,如下图:

 

SMC模压工艺的优点有很多,比如它具有操作简单、易于实现自动化、生产节拍短(3-5min)、可成型表面光滑结构复杂的制品等,另外应用SMC模压工艺得到制品,其性能也非常出色:优异的电绝缘性能、机械性能、热稳定性、耐化学腐蚀性。

SMC工艺并不是一个新兴的复合材料成型工艺,它在上世纪六十年代就已经出现,经过了半个多世纪的发展,不断更新优化,现在广泛应用于汽车行业、建筑行业、通讯工程、电子、电气等行业中。

其中,在汽车行业,发达国家早已有大量的应用案例,随着近年来新能源汽车行业的高速发展,汽车轻量化需求越来越明显,本土汽车制造也在进行大批量SMC模压制品的应用,包括了:

  • 内外饰件,比如前后保险杠、车身裙板、扰流板等
  • 车身覆盖件和车身结构件,比如车身内板结构件和车门结构件,侧围,机盖内板,尾门内板等
  • 以及有特殊性能要求的部件,如发动机罩,电池上壳体等

值得一提的是,用于SMC生产的材料和生产工艺是相互促进不断发展的,整体发展趋势是低密度,低模压,其中低模压指的是固化成型过程中所需的压力,低密度指的是材料性能。而低密度SMC带来的直接结果就是:在不牺牲力学性能、表面质量的情况下继续减轻重量。

以下是兰博基尼的CF-SMC产品--兰博基尼锻造碳纤维

兰博基尼首款SUV Urus量产上市时,为了让SUV依旧达到跑车的公路性能,减重是首要任务。所以兰博基尼研发了新的碳纤维制造技术,以满足大量、流水线生产的要求,同时也让它的成本大幅降低。这就是碳纤维锻造复合材料技术。

这种新的碳纤维制造技术有别于目前大量应用的碳纤维编织布+树脂的制造流程,它可以大量且高效的流水化生产,为兰博基尼量产全新车型打下坚实的基础。这种技术被命名为碳纤维锻造复合材料,它的优势很多:可以适用复杂的几何结构、节省制造时间并降低原材料成本。这项技术在2010年首先开始应用,经过6年的技术积累,现在可以开展大规模化的生产。目前兰博基尼已和日本三菱丽阳株式会社深度合作,共同开发碳纤维锻造技术并将应用到全新车型上。这种新的碳纤维复合材料是根据模具冲压而成:模具中加入碳纤维和树脂之后由液压机锻压成型,所以极大减少了生产时间。

 

兰博基尼把这种所谓锻造碳纤维称为第三代技术那么,兰博基尼宣传的碳纤维复合材料锻造技术,又是什么呢?

“FORGED COMPOSITE is produced by Sheet Moulding Compound process with carbon fibres (opposited traditional glass fibre SMC) It uses pre-fabricated sheet material made of vinylester resin and short length carbon fibres (chopped fibers)”这是引用兰博基尼官方的相关宣传资料里对锻造复合材料技术的应用,就是碳纤维的SMC工艺。

 

锻造复合材料技术工艺流程

从其工艺流程上就可以看出,其余玻璃纤维复合材料的模压工艺流程一模一样。

 

不同工艺参数的比较

从上图我们可以看出,锻造复合材料技术向对于其他工艺,在cycle time上有压倒性的优势,这也是模压工艺的特点决定的。生产周期短,生产效率高。

 

与RTM工艺比较

与目前碳纤维领域比较成熟的RTM工艺相比,cycle time减少了44%。

虽然这种工艺在玻璃纤维复合材料上早已应用,但是在碳纤维复合材料上并不多见,因为使用这种技术,需要纤维的长度在某一个范围之类,比如玻璃纤维一般是6~25mm(凭记忆,可能不准确)。对于碳纤维的模压,其使用的玻璃纤维是一种短切碳纤维材料,这种材料与树脂混合后,在高压的作用下, 流动性好,能够成型复杂结构的零部件。这种短切碳纤维的材料供应商比较较有名的有量子复合材料和三菱丽阳两家,这两家也是兰博基尼的供应商。

 

锻造复合材料技术并不是什么特别黑的黑科技,是本身是碳纤维复合材料SMC材料,模压工艺的应用。