新宝马7系大量采用碳纤维

   宝马将在其下一代7系旗舰轿车中装备碳纤维驾驶舱,以提升安全性;碳纤维的装备也将巩固其作为优秀、安全的高端轿车的优势,拉开其与梅赛德斯-奔驰和奥迪等竞争对手的距离。这是一场技术以及后勤保障方面的双重胜利:碳纤维的生产基地遍布,从日本到美国华盛顿州再到德国的四个地方。宝马公司采用术语“碳芯”(Carbon Core)来描述乘客舱四周的安全单元,这些区域采用碳纤维增强塑料(CFRP)、以及铝合金和高强度钢构成。
 
  然而,并不是建立一个全碳纤维的外壳,因为即便对于今年秋天即将上市的售价在8万美元以上汽车,仍然非常昂贵。宝马在关键部位采用CFRP择优加强了部分原本已经很强的金属/铝客运单元。15个CFRP加强部位包括挡风玻璃的顶部、门槛、传输隧道、从前到后以及从左至右的顶板加固管、前后门间的B-柱、以及后部行李架。宝马认为碳纤维是其7系旗舰轿车的众多技术优势之一。
 
  日本大竹和美国西雅图开启碳纤维制作

 
  宝马与多家公司合作生产碳纤维等来组成7系及宝马 i3城市汽车和i8混合动力跑车的超强零部件。在日本大竹,三菱丽阳株式会社与德国碳纤维生产商威斯巴登SGL集团组成的合资公司生产聚丙烯腈纤维,这是被称为碳纤维前驱体的一种热塑性有机物。相同的聚丙烯腈化合物也可用以制作衣服,任何叫丙烯酸(或杜邦公司命名的腈纶)的都属于聚丙烯腈。
 
  聚丙烯腈(PAN)纤维跨越太平洋,成为真正的碳纤维。它们被送到西雅图以东200英里摩西湖的SGL汽车碳纤维公司的熔炉中,该地区具有丰富、廉价的水力发电。(这是宝马和SGL集团的另一个联合企业。)
 
  个步骤称作稳定/氧化,将PAN纤维加热至200-300°C约1小时,拉拔出来吸收空气中的氧气。如此一来,纤维不再易熔易燃。
 
  第二个步骤是碳化,需要高达1,000-3,000° C的温度。密封烧结炉是无氧的。纤维失去非碳原子部分,而碳原子排列成平行于纤维长轴,形成紧密的碳晶体。获得的纤维含有95%的碳,完全可以猜测得到,呈黑色状。另外还需要特殊的表面处理,以确保能够与合成树脂、环氧树脂良好结合。还需要特别处理的是离开熔炉之后不能使其受到空气污染。
 
  摩西湖加工厂拥有6条生产线,碳纤维年产量约为9000吨。这是上大的碳纤维生产基地。波音公司在每架787飞机上(机身、机翼)使用的碳纤维还要多得多,但波音公司每月建造10架飞机,而宝马每月可产5000辆7系汽车。
 
  碳纤维材料从太平洋西北部运往德国慕尼黑宝马总部以北100英里的Wackersdorf。这里有另一家SGL-宝马联合企业。Wackersdorf加工厂纺织碳纤维层。碳纤维布料经海路运往宝马在Landshut、Leipzig和Dingolfing的工厂,经切、分层、对齐、成型,然后塑成超强CFRP零部件。
 
  碳纤维汽车零部件的成型
 
  宝马开放了距慕尼黑东北一小时路程的Dingolfing工厂,展示了碳纤维板生产的后一个步骤:碳纤维汽车零部件的成型。这种纺织纤维被切割成成品尺寸,放置在压制机上,注射树脂,并在压力下烘烤数分钟。下图展示了碳纤维门槛:可防止汽车被侧面撞击时发生向内凹陷。

 
 
  有趣的部分是B-柱——前后门之间的侧柱。实际上是一个金属、碳纤维、更多的金属组成的由内及外的三明治结构。需要特别注意的是烘烤过程,因为加工CFRP组件的温度需要接近于削弱金属冲压件热处理的温度。后的装配中,部分零件粘在金属车身上,另一部分使用螺栓。沿着A-柱、车顶和C-柱的碳纤维管被装在钢槽内。
 
  Dingolfing加工厂中,靠近硫化机的地方,零部件靠在工厂墙边,游客可以尝试弯曲CFRP零件及金属冲压件。金属冲压件足够强,但可以扭曲或弯曲一点点。CFRP很难偏转或扭曲。不管人们破坏这些冲击强度仍不是非常清晰的CFRP是否困难,但碳纤维和钢之间的差异似乎还是很大的。

 
 
  时间、金钱、加工控制
 
  经过观察,Dingolfing加工厂进行CFRP板的后加工,与原来每分钟加工数个的机械压力机明显不同。每块CFRP需要花费好几分钟,由机器人从托盘上移除碳纤维开始,经压制和剪切,接着喷射成片。整个过程几乎没有噪音,而机械冲压的噪音震耳欲聋。即使没有像摩西湖加工厂那样的熔炉,这些装置也占用了大量的空间。
 
  在Dingolfing,每隔一段时间就会无法自动弹出,工人都不得不暂停来手动复位或移除。这不是一个完全自动的过程。宝马必须在CFRP加工上有信心,并保持能力,因为从现在到2016年底,建造7系需要上百万片碳纤维。再加上5系、3系及相应的SUV,宝马每年可能需要100~200万个CFRP零部件。
 
  在某个时间,几乎每个汽车制造商都提供自适应巡航控制、现场检测、车道偏离警告——这些在十年前只有高端汽车才有——宝马有这样的技术来面对从未有过的竞争,别说“与宝马几乎一样的好”汽车采用便宜得多的价格来抢占市场。
 
  汽车碳纤维的未来
 
  对同样的零件而言,碳纤维的成本是钢的8倍,但在过去的十年间,其成本已经显著下降了:十年前每磅钢的成本约为1美元,而碳纤维的成本超过30美元。宝马正努力将CFRP的成本降到5美元每磅以下。之前,CFRP只在高端跑车的车头和车顶使用,或者作为炫耀品,如侧镜或控制台的装饰面板。
 
  提高生产效率是进一步削减CFRP成本的更便宜方式。现在,许多零部件(后阶段)的周期是1~2分钟:至多半小时。如果一台压制机能够每3分钟生产一个CFRP零件(包括配件、冲压/固化、移除),每个转换可年产4万个零件,如果压制机不停歇的话可年产17.5万个零件。
 
  聚乙烯(PE)是正在研究的一种原材料,有望比PAN便宜30%,这将使CFRP零件应用于主流汽车。
 
  每一个美国汽车制造商都在研究碳纤维,同时寻找类似于碳纤维的复合材料,包括铝合金。雪佛兰Spark Electric的电池盒是由玻璃纤维增强乙烯基酯,这是雪佛兰在后期限采用镁合金进行塑形遇到困难时开发出来的。
 
  宝马采用碳纤维的范围从大平板(如M3的车顶),扩大到i3的EV/PHEV和i8的车厢,再到7系的碳核心部件。有报道说宝马计划将碳纤维应用到中型5系和3系中。如果宝马在3系中采用与7系一样的碳纤维零部件,将需要扩大十倍的碳纤维生产,因为3系的销售每年超过50万辆。如果宝马准备将碳纤维应用于更多的车型,这是一个安全方面的优势,在一段时间内可能也会是一个销售优势,提升品牌优势。