复合材料汽车部件制造技术新进展
摘 要：本文主要介绍了复合材料汽车部件制造技术进展。
1 复合材料在汽车工业中的应用现状
在范围内，汽车工业是复合材料应用量大的领域之一，并且始终保持着高速增长趋势。树脂基复合材料是以合成树脂为基体，以纤维作为增强材料，通过特定工艺手段复合而成的一类新型高性能材料。与其他材料相比，具有轻质高强、可设计性强、耐冲击、耐腐蚀、零部件一体化等优点，因此，不论从性能、外形设计、还是对车辆减重方面，都 得到了汽车制造厂商的青睐，广泛应用于卡车、客车、轿车的外覆盖件和结构件的制造。美国关键技术委员会曾在美国关键技术报告中指出：“复合材料在汽车中是保持竞争优势的潜在源泉。”汽车复合材料用量的不断增加是全复合材料需求量快速增长的重要原因之一。
随着复合材料工业化生产技术的成熟，作为汽车轻量化理想材料的复合材料已被国内汽车工业逐步认同，越来越多的车型采用了复合材料部件。1999年国内汽车复合材料用量为2000吨，2000年达到4800吨，2004年超过3万吨。据预计，到2010年，交通运输用复合材料用量将达到20万吨左右，占复合材料总用量的16.7%，产值将达60亿元。
2 复合材料汽车部件制造新技术
目前，用于制造复合材料汽车部件的典型成型工艺有手糊、喷射、SMC模压、RTM注射模塑等。每种工艺均有其佳适用的产品结构和佳适用的生产批量。其中手糊工艺生产效率低下，产品精度低，对环境污染严重；SMC工艺模具成本高，产品中纤维的取向难以控制，仅局限于非结构件的应用。因此，如何发展新的制造技术，降低高品质复合材料的成本，是一个亟待解决的高技术问题。
为适应于汽车部件的一体化，缩短开发周期以及日趋增加的环境保护等要求，以RTM为代表的液体模塑技术(LCM)自20世纪80年代后迅速发展起来。在过去的十多年里，汽车工业对这一技术感兴趣，其原因是采用这一技术可进一步减轻车辆的重量、降低制造成本和改善车辆的性能。
复合材料液体成型技术是指将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的树脂膜，液态聚合物在流动充模的同时完成树脂/纤维的浸润并经固化成型为制品的一类制备技术。该技术属于高性能低成本制造技术，工艺方法灵活，尤其适合制造大型、异型结构件，并且能够一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件。汽车工业中，液体模塑成型工艺具有克服大、中型规模FRP生产困难的潜力，为不同的生产规模提供了一条低成本、高效率的工艺路线，成为复合材料成型工艺的重要发展方向之一。
作为高性能复合材料的低成本制造技术，LCM工艺仍存在成品性能离散性大，微孔、浸渍不良等缺陷难以控制，模具、工艺设计缺乏系统的理论指导等急需解决的核心问题。
2.1 产品结构设计与成型过程模拟技术[-page-]
LCM工艺的关键是在不影响已铺放好的增强材料和模具承受过大压力的前提下，树脂完全浸润模腔内的增强材料，并排除所有的空气，不留下任何干斑。传统方法的模具设计和工艺控制非常倚重操作工的经验，而在这两个关键处采用计算机辅助工程即可实现从试验摸索到数值模拟的跨越。
产品结构设计的合理与否，将直接影响产品的性能和使用要求，因此产品结构设计是产品生产的关键环节之一。按照产品的使用性能要求、力学性能要求及成型工艺要求，利用ANSYS有限元分析软件可对产品结构形式，包括增强材料的铺层、厚度分布、局部加强设计等进行优化，实现复合材料构件强度的整体性和协调性。
LCM工艺成型过程模拟是模具和工艺辅助设计的并行工程方法，其基本的目的是优化模塑成型周期。掌握树脂注射过程中的流动形式及流体压力分布，可以指导模具设计。采用准确的成型过程模拟，可在计算机上进行多次反复设计，可显著缩短新产品的研制周期，降低研发成本。这是液体模塑工艺成功和使之具有强大的竞争实力的关键之一。
LCM工艺成型过程模拟材料性能数据为基础，如树脂的化学流变特性、增强材料的渗透特性等，利用PAM-RTM流动模拟软件对成型过程进行模拟，以确定注射方法、注胶口位置、充模时间、流动前锋、压力与时间的关系、树脂固化过程与时间的关系等，从而对成型工艺参数进行优化，大大减少试验次数并使参数更加合理准确，另外，还可指导模具结构的优化设计、产品生产周期的预算。同时通过数值模拟，可对LCM工艺过程的干斑、注射时间过长、纤维移动等主要缺陷进行分析和预测，从而提高产品质量和成品率。
2.2 大型构件快速成型技术
随着复合材料在汽车工业应用范围的不断扩大，对于某些成型面积大、耐疲劳和耐候性要求高的车用大型构件，需从工艺设计上提高制品质量，降低生产成本。真空辅助成型工艺正是适应这一需求的一种低成本的复合材料大型构件成型技术。该工艺是在真空状态下排出纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，形成一定树脂/纤维比例复合材料部件的工艺方法。该工艺只需一个单面的刚性模具，另一半为软模，从而节约了模具成本；可实现多个零部件的整体成型，可大大提高成型效率。
浸渍和固化是影响复合材料成型效率的两大重要因素，因此突破快速充模和协同固化技术是实现大型构件快速成型的重要保障。
快速充模即是通过流道设计，实现充模过程中树脂的快速分配，包括树脂流道和真空通路的设计，通常可以采取以下几种方式：①在软模上预先加工设计的树脂流动通道；②在模具表面加工真空通路，使用高渗透介质作为树脂流动通道；③在芯材表面布设流道；④模具上加工主导流槽后和高渗透介质配合使用。[-page-]
人为影响生产效率的主要因素之一，固化速度对于大型构件固化技术更为重要。在大型部件的成型过程中，可采用多种引发剂组成的快速引发体系，使其具有长凝胶时间、快速引发、高活性的特点。并可根据构件特性，调整凝胶时间和固化时间，保证大型构件在整个成型过程中树脂能够充分流动、浸渍，并快速固化，从而提高制品质量和成型效率。
快速成型工艺的特点是树脂充满快，制品纤维含量高、孔隙率低，适合制造大型产品，充模速度可达12kg/min。60kg、7m2的大型件充模仅需5min，固化仅需30min。
2.3 模具金属化技术
复合材料液体模塑成型工艺的优势之一是可以通过减少模具投资来降低制造成本，因此在液体成型工艺中，模具设计和制造占有非常重要的地位。传统的复合材料制造采用的模具主要有两类：复合材料模具和金属模具。其中复合材料模具具有成本低、制造周期短、赋型好的特点，是实现液体成型工艺低成本、高品质的关键之一。但复合材料模具同时具有尺寸精度不高、模具表面硬度低、耐磨性差、易损坏的缺点。
低成本模具技术与传统模具技术相比差别很大，需要根据产品的结构形状、成型方法及生产批量，选择不同的模具材料、模具结构和成型方法。针对LCM成型工艺及复合材料模具的特点，可结合玻璃钢模具低成本与金属模具高表面质量、长寿命的优点，对复合材料模具表面进行强化处理，通过在复合材料模具表面均匀覆盖致密的金属层，达到提高模具表面质量、硬度、耐磨性等目的，从而延长模具寿命，降低产品成本。
模具表面的金属化处理技术主要有金属冷喷和电铸两种。金属冷喷技术是在主模型表面冷喷一层锌铝等低溶点合金，形成模具型腔，在其余部分添加背衬材料的一种快速制模方法。电铸是通过在芯模上电沉积金属，然后将金属电铸层从芯模上分离而制取金属制品的成型工艺。
在复合材料模具表面金属化处理技术中，复合材料层与金属层间的界面匹配与复合是由其中的关键。采用环氧树脂、聚酰氯、三乙烯四胺、铝粉、短切玻璃纤维进行浇注，作为背衬材料，具有良好的切削性能，而且金属层与背衬粘结牢固，克服了金属层易脱落的问题。另外，背衬也可采用机械方法加工出斜槽，而后浇注低熔点锡合金将钢骨架和金属壳连接在一起。
1 复合材料在汽车工业中的应用现状
在范围内，汽车工业是复合材料应用量大的领域之一，并且始终保持着高速增长趋势。树脂基复合材料是以合成树脂为基体，以纤维作为增强材料，通过特定工艺手段复合而成的一类新型高性能材料。与其他材料相比，具有轻质高强、可设计性强、耐冲击、耐腐蚀、零部件一体化等优点，因此，不论从性能、外形设计、还是对车辆减重方面，都 得到了汽车制造厂商的青睐，广泛应用于卡车、客车、轿车的外覆盖件和结构件的制造。美国关键技术委员会曾在美国关键技术报告中指出：“复合材料在汽车中是保持竞争优势的潜在源泉。”汽车复合材料用量的不断增加是全复合材料需求量快速增长的重要原因之一。
随着复合材料工业化生产技术的成熟，作为汽车轻量化理想材料的复合材料已被国内汽车工业逐步认同，越来越多的车型采用了复合材料部件。1999年国内汽车复合材料用量为2000吨，2000年达到4800吨，2004年超过3万吨。据预计，到2010年，交通运输用复合材料用量将达到20万吨左右，占复合材料总用量的16.7%，产值将达60亿元。
2 复合材料汽车部件制造新技术
目前，用于制造复合材料汽车部件的典型成型工艺有手糊、喷射、SMC模压、RTM注射模塑等。每种工艺均有其佳适用的产品结构和佳适用的生产批量。其中手糊工艺生产效率低下，产品精度低，对环境污染严重；SMC工艺模具成本高，产品中纤维的取向难以控制，仅局限于非结构件的应用。因此，如何发展新的制造技术，降低高品质复合材料的成本，是一个亟待解决的高技术问题。
为适应于汽车部件的一体化，缩短开发周期以及日趋增加的环境保护等要求，以RTM为代表的液体模塑技术(LCM)自20世纪80年代后迅速发展起来。在过去的十多年里，汽车工业对这一技术感兴趣，其原因是采用这一技术可进一步减轻车辆的重量、降低制造成本和改善车辆的性能。
复合材料液体成型技术是指将液态聚合物注入铺有纤维预成型体的闭合模腔中，或加热熔化预先放入模腔内的树脂膜，液态聚合物在流动充模的同时完成树脂/纤维的浸润并经固化成型为制品的一类制备技术。该技术属于高性能低成本制造技术，工艺方法灵活，尤其适合制造大型、异型结构件，并且能够一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件。汽车工业中，液体模塑成型工艺具有克服大、中型规模FRP生产困难的潜力，为不同的生产规模提供了一条低成本、高效率的工艺路线，成为复合材料成型工艺的重要发展方向之一。
作为高性能复合材料的低成本制造技术，LCM工艺仍存在成品性能离散性大，微孔、浸渍不良等缺陷难以控制，模具、工艺设计缺乏系统的理论指导等急需解决的核心问题。
2.1 产品结构设计与成型过程模拟技术[-page-]
LCM工艺的关键是在不影响已铺放好的增强材料和模具承受过大压力的前提下，树脂完全浸润模腔内的增强材料，并排除所有的空气，不留下任何干斑。传统方法的模具设计和工艺控制非常倚重操作工的经验，而在这两个关键处采用计算机辅助工程即可实现从试验摸索到数值模拟的跨越。
产品结构设计的合理与否，将直接影响产品的性能和使用要求，因此产品结构设计是产品生产的关键环节之一。按照产品的使用性能要求、力学性能要求及成型工艺要求，利用ANSYS有限元分析软件可对产品结构形式，包括增强材料的铺层、厚度分布、局部加强设计等进行优化，实现复合材料构件强度的整体性和协调性。
LCM工艺成型过程模拟是模具和工艺辅助设计的并行工程方法，其基本的目的是优化模塑成型周期。掌握树脂注射过程中的流动形式及流体压力分布，可以指导模具设计。采用准确的成型过程模拟，可在计算机上进行多次反复设计，可显著缩短新产品的研制周期，降低研发成本。这是液体模塑工艺成功和使之具有强大的竞争实力的关键之一。
LCM工艺成型过程模拟材料性能数据为基础，如树脂的化学流变特性、增强材料的渗透特性等，利用PAM-RTM流动模拟软件对成型过程进行模拟，以确定注射方法、注胶口位置、充模时间、流动前锋、压力与时间的关系、树脂固化过程与时间的关系等，从而对成型工艺参数进行优化，大大减少试验次数并使参数更加合理准确，另外，还可指导模具结构的优化设计、产品生产周期的预算。同时通过数值模拟，可对LCM工艺过程的干斑、注射时间过长、纤维移动等主要缺陷进行分析和预测，从而提高产品质量和成品率。
2.2 大型构件快速成型技术
随着复合材料在汽车工业应用范围的不断扩大，对于某些成型面积大、耐疲劳和耐候性要求高的车用大型构件，需从工艺设计上提高制品质量，降低生产成本。真空辅助成型工艺正是适应这一需求的一种低成本的复合材料大型构件成型技术。该工艺是在真空状态下排出纤维增强体中的气体，利用树脂的流动、渗透，实现对纤维及其织物的浸渍，并在室温下进行固化，形成一定树脂/纤维比例复合材料部件的工艺方法。该工艺只需一个单面的刚性模具，另一半为软模，从而节约了模具成本；可实现多个零部件的整体成型，可大大提高成型效率。
浸渍和固化是影响复合材料成型效率的两大重要因素，因此突破快速充模和协同固化技术是实现大型构件快速成型的重要保障。
快速充模即是通过流道设计，实现充模过程中树脂的快速分配，包括树脂流道和真空通路的设计，通常可以采取以下几种方式：①在软模上预先加工设计的树脂流动通道；②在模具表面加工真空通路，使用高渗透介质作为树脂流动通道；③在芯材表面布设流道；④模具上加工主导流槽后和高渗透介质配合使用。[-page-]
人为影响生产效率的主要因素之一，固化速度对于大型构件固化技术更为重要。在大型部件的成型过程中，可采用多种引发剂组成的快速引发体系，使其具有长凝胶时间、快速引发、高活性的特点。并可根据构件特性，调整凝胶时间和固化时间，保证大型构件在整个成型过程中树脂能够充分流动、浸渍，并快速固化，从而提高制品质量和成型效率。
快速成型工艺的特点是树脂充满快，制品纤维含量高、孔隙率低，适合制造大型产品，充模速度可达12kg/min。60kg、7m2的大型件充模仅需5min，固化仅需30min。
2.3 模具金属化技术
复合材料液体模塑成型工艺的优势之一是可以通过减少模具投资来降低制造成本，因此在液体成型工艺中，模具设计和制造占有非常重要的地位。传统的复合材料制造采用的模具主要有两类：复合材料模具和金属模具。其中复合材料模具具有成本低、制造周期短、赋型好的特点，是实现液体成型工艺低成本、高品质的关键之一。但复合材料模具同时具有尺寸精度不高、模具表面硬度低、耐磨性差、易损坏的缺点。
低成本模具技术与传统模具技术相比差别很大，需要根据产品的结构形状、成型方法及生产批量，选择不同的模具材料、模具结构和成型方法。针对LCM成型工艺及复合材料模具的特点，可结合玻璃钢模具低成本与金属模具高表面质量、长寿命的优点，对复合材料模具表面进行强化处理，通过在复合材料模具表面均匀覆盖致密的金属层，达到提高模具表面质量、硬度、耐磨性等目的，从而延长模具寿命，降低产品成本。
模具表面的金属化处理技术主要有金属冷喷和电铸两种。金属冷喷技术是在主模型表面冷喷一层锌铝等低溶点合金，形成模具型腔，在其余部分添加背衬材料的一种快速制模方法。电铸是通过在芯模上电沉积金属，然后将金属电铸层从芯模上分离而制取金属制品的成型工艺。
在复合材料模具表面金属化处理技术中，复合材料层与金属层间的界面匹配与复合是由其中的关键。采用环氧树脂、聚酰氯、三乙烯四胺、铝粉、短切玻璃纤维进行浇注，作为背衬材料，具有良好的切削性能，而且金属层与背衬粘结牢固，克服了金属层易脱落的问题。另外，背衬也可采用机械方法加工出斜槽，而后浇注低熔点锡合金将钢骨架和金属壳连接在一起。
