【汽车】用气囊辅助压缩成型的衍生工艺生产具有热压罐工艺品质的汽车部件
在高性能汽车制造领域，碳纤维增强塑料（CFRP）部件对于实现最佳的强度/重量比以及满足严格的效率要求变得日益重要。但是，传统的CFRP部件制造方法，如热压罐固化，通常难以满足汽车行业对生产效率、质量一致性和成本效益的要求。为应对这些挑战，HP Composites（意大利 Ascoli Piceno）开发了其专有的AirPower 技术。
AirPower技术结合了基于气囊辅助压缩成型（BACM）原理的衍生工艺、可订制的材料科学以及对工艺过程的控制，每年能以1500件的产量，成功地生产出玛莎拉蒂MC20超级跑车的复杂CFRP车顶，从而展示了该技术能以汽车规模的生产效率实现复杂、高质量复合材料部件的生产。
玛莎拉蒂MC20的碳纤维复合材料车顶采用HP Composites公司的 AirPower 技术制成，该技术是气囊辅助压缩成型（BACM）的衍生工艺（图片来源：玛莎拉蒂）
为汽车应用而增强的BACM
AirPower技术是建立在久经考验的BACM工艺的优势基础之上，BACM已证明了其能够生产纤维体积含量高达67%且孔隙率低至0.2%的航空级复合材料结构。BACM 工艺的核心是，在压制模具中使用了一种充气气囊系统，因而能够在整个复合材料层压板以及在整个生产过程中实施订制的压力控制。
玛莎拉蒂MC20的车身结构凸显了复合材料的中央盆体和车顶结构，它们与前后两个铝制副车架相连（图片来源：玛莎拉蒂）
传统的BACM机构是由一个具有上下两部分的金属压模组成，上部的充气气囊充当下部的对模。HP Composites的AirPower技术通过引入分体式下模设计以及整合了气囊与真空袋功能的订制柔性对模而增强了这一设计。这种分体式下模由上半部分和下半部分组成，下半部分是用作加热表面的金属结构，上半部分是可拆卸的CFRP薄壳。这种创新设计允许在上部铺放预浸料层而无需启动固化，同时使下部保持在固化温度。CFRP壳结构确保了对热应力和残余应力进行适当的管理，因为它的热膨胀系数与制成品的相匹配。柔性对模安装在CFRP薄壳上，当模具闭合时，密封到下模的外边缘，从而在制造过程中在柔性对模的顶部提供气压，在底部提供真空。
HP Composites的研发项目经理 Vincenzo Castorani 解释说：“下模的下部保持部件的固化温度，上部的CFRP部分充当薄的隔热器而与热源隔开，这样，我们在准备好之前就能层压部件而无需开始固化过程。通过将模具保持在140℃的恒温，AirPower 消除了重复的加热和冷却循环，与传统的热压罐工艺相比，可节省高达 50% 的能源。
订制充气气囊
HP Composites的柔性对模是其 AirPower 复合材料制造工装的关键组成部分，其作用是对复合材料层压板施加均匀的压力，即使在具有复杂形状或底切的区域也是如此。HP Composites为客户订制设计并制造柔性对模，控制厚度、硬度和材料成分。该柔性对模采用的是一种高度订制的合成橡胶，它由单体订制聚合而成，具有所需的性能。
AirPower工制程艺，其中包含用于制造特定部件的订制柔性对模（图片来源：HP Composites）
HP Composites的销售经理 Michelangelo Mastroberti 强调了柔性对模设计的重要性。“这种合成橡胶的厚度正是为柔性对模在施压和固化过程中发挥作用而量身订制的。”他说道，“橡胶的化学成分是均匀的，而它的设计特征即厚度和橡胶类型、形状和密封表面，都适用于所生产的部件，从而确保其在整个生产过程中具有所需的耐用性和一致性。”
制造柔性对模是从制备一个与气囊所需形状相匹配的坚固的母模开始的。该模具的设计要满足所制造的复合材料部件的特定要求，包括复杂的形状、底切或集成的嵌件。接下来，是将定量的订制合成橡胶材料应用到模具中。
使用 AirPower 技术制造CFRP部件所需的订制对模（图片来源：HP Composites）
母模与合成橡胶相结合，并在特定的固化周期内经受热压罐固化。柔性对模的密封部分对于保持压力和真空至关重要，因此需要特别注意。
固化完成后，将柔性对模脱模，并仔细检查是否有缺陷或不规则之处，并修剪掉多余的材料。然后，再进行严格的质量控制检查，以确保其尺寸精度、表面质量和力学性能。接着进行压力测试，以在模拟制造的条件下验证其性能。
虽然柔性对模的制造工艺复杂，但由于可将其设计为可订制和可重复，因而使得生产质量可重复的产品成为可能，从而为以汽车规模的生产效率生产复合材料部件提供了支持。在柔性对模制造方面，HP Composites积累了专业知识，并设有专门的部门专注于这些关键组件的设计、制造和维护。
热管理和能源效率
热管理是AirPower技术的一个重要方面。AirPower机器使用电阻加热，加热芯穿过上下金属压机结构。内部设计的电源系统确保温度在模具表面得到均匀分布。“最近的生产运行表明，与传统的充气气囊成型工艺相比，能耗降低了50%。” HP Composites的团队解释说，“能效的提高降低了生产成本，并有助于减少对环境的影响。”
用于生产玛莎拉蒂 MC20 车顶结构的 AirPower 机器（图片来源：HP Composites）
“虽然AirPower 技术需要金属模具和合成橡胶对模，一开始这会对环境带来影响，但与热压罐模具相比，由于这些工装的使用寿命更长，从而抵消了其最初对环境的影响。”HP Composites的团队继续说道，“此外，热压罐工艺需要消耗真空袋，而且真空袋必须经常更换，这会带来额外的浪费和资源消耗。由于复合材料行业优先考虑可持续性和环境责任，像AirPower这样的技术将在减少制造过程对生态的影响方面发挥重要作用，同时还能满足严苛应用所需的高性能标准要求。”
生产玛莎拉蒂MC20车顶的模具，其下模部分的真空管路连接允许在制造过程中在柔性对模的顶部施加气压，在柔性对模的底部施加真空（图片来源：HP Composites）
玛莎拉蒂MC20车顶的材料开发和结构设计
HP Composites与玛莎拉蒂合作，使用其AirPower技术，制造玛莎拉蒂顶级跑车MC20的车顶。针对此应用，HP Composites 开发了一种订制的 CFRP 预浸料，其编织结构旨在优化结构性能和生产效率。其结果是一种高克重的编织 CFRP 织物，它允许使用更少的层，加速层压过程，具有工程悬垂性，有助于车顶复杂形状的成型。
玛莎拉蒂MC20车顶结构的预浸料铺层。左图显示了铺放的车顶结构上层，中图显示了在结构中放置铝嵌件的粘接过程，右图显示了结构的内部骨架层（图片来源：HP Composites）
开发订制的CFRP预浸料离不开HP Composites与玛莎拉蒂的广泛合作。该材料经过一系列的测试而得到表征，以确定其性能特征并创建材料卡。这些数据使得铺层设计成为可能，同时还考虑了生产工艺和加强A柱和B柱等关键区域的需求。
玛莎拉蒂设计负责人 Gianluca Monsurrò 概述了其设计理念：“主要目标是最大程度地实现车顶与汽车主体的集成，使我们能够最大程度地减少材料用量，同时满足性能要求并创造尽可能轻的车顶结构。”MC20的车顶包含一系列铝制嵌件，这些嵌件在确保结构完整性以及与车辆的集成方面起着至关重要的作用。HP Composites 还开发了一种订制的层压工艺，可以在复合材料与金属嵌件之间建立适当的牢固连接。该工艺包括表面处理，以防止电偶腐蚀并确保牢固连接以实现最佳性能。
制造流程优化
为实现高效固结并确保孔隙率最小，HP Composites为MC20的车顶设计了订制的生产流程。在部件整合过程中，订制柔性对模上方的气压会向顶部施加高达 8 bar 的压力，同时在下面抽取真空。车顶的构造过程涉及多次将多层的CFRP 结构粘接在一起，这些必须在生产过程中完美匹配。防火墙也在同一过程中被粘接到车顶结构上。
此图为特定部件的后处理过程。通过将下模（左图）分为上、下两部分，可以防止在成型部件与热的下部分之间形成直接的热通道，从而实现在模内进行冷却管理。然后将部件从压机中取出，并在冷却站（中图）进一步优化冷却。冷却完成后，CFRP 部件即从热的分离器（右图）上脱模（图片来源：HP Composites）
脱模过程中的热管理是确保成品形状稳定的关键因素。为精确控制冷却速率，HP Composites开发了AirPower机构来防止任何可能导致部件变形或损坏的热应力。通过对冷却速率的精心平衡，可以确保工业化的生产效率，同时避免损坏部件。从铺放预浸料到获得完全固结的部件，仅需2小时。经过精心的固化后操作（包括修整、钻孔和表面处理），即可确保复合材料结构及其与金属嵌件界面的完整性。
过程控制与质量保证
HP Composites 采用无损检测方法（如热成像分析和超声波）作为强大的质量控制措施。玛莎拉蒂 MC20的车顶经过了严格的测试，以验证其结构性能及其对车辆整体扭转刚度和碰撞安全性的贡献。测试机制包括：循环载荷测试，以模拟道路对A柱和B柱等主结构的影响；振动测试，以了解金属与复合材料结构之间的粘接效果。Castorani表示：“我们发现，层压板的紧实性和性能水平与更耗时、更耗能的热压罐工艺制成品的完全相同。”
最终的车顶结构仅重26公斤，这对MC20的轻量化设计作出了重大贡献，因为整车仅重1200公斤。该车顶在碰撞情况下的结构完整性满足了所有的目标要求，证明了AirPower技术在生产高性能复合材料部件方面的有效性。
可扩展性和行业影响力
在最大产能下，HP Composites每天两班制可以生产8个MC20车顶。Mastroberti 强调了该技术的可扩展性优势：“为了每年为玛莎拉蒂生产1500套生产运行套件，我们总共只需要8个柔性对模。而使用热压罐技术要获得同样的效果，则需要 30 多副模具和相当数量的热压罐。”
MC20 车顶项目的成功，凸显了AirPower技术在汽车复合材料行业具有更广泛的应用潜力。HP Composites 已经应用这项技术为玛莎拉蒂集团生产了其他部件，包括侧裙、前后扩散器和分流器。对于其中的一些部件，该公司采用了快速固化的树脂系统，进一步将生产周期从几小时缩短到不到20分钟。
AirPower技术的可扩展性不仅限于汽车行业。Mastroberti表示，该公司正在探索在卫星和太空领域应用的机会，以利用该技术生产具有不同形状的复杂部件而不影响质量。
原文链接：
https://www.compositesworld.com/articles/bladder-assisted-compression-molding-produces-complex-autoclave-quality-automotive-parts
