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          碳纖維汽車解決方案:尋常駕駛 不再尋常

          文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-06-21【

          汽車行業真的要改變傳統的設計理念,加速推進碳纖維“黑車身”的應用嗎?Vicki P. McConnell通過本文介紹了一些為汽車開發的新型碳纖維增強塑料(CFRP)產品,并向復合材料供應商提出了疑問——這次變革之旅是否確將開啟?



          汽車行業真的要改變傳統的設計理念,加速推進碳纖維“黑車身”的應用嗎?Vicki P. McConnell通過本文介紹了一些為汽車開發的新型玻纖增強塑料(FRP)產品,并向復合材料供應商提出了疑問——這次變革之旅是否確將開啟?

          在當前環境下,新車銷售因經濟低迷而陷入低谷,車輛燃油效率在刺激車市方面起著關鍵的作用。目前,汽車油耗從很大程度上取決于金屬及其他車用材料能否實現一些復雜的性能效益。其中最重要的自然是幫助企業達到美國最新出臺的“公司平均燃油經濟性”標準(corporate average fuel economy,簡稱CAFÉ)的目標,即到2025年轎車及輕卡的油耗需低于54.5mph。而要想實現這一點,車輛的設計與制造很可能要作出巨大的改變。纖維增強塑料(FRP)的一些供應商表示,復合材料在汽車上的應用將達到前所未有的水平,可以滿足主機廠(OEM)當前的需求。

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          “要達到最新的CAFÉ標準,需要盡早開發出具有成本效益的先進材料、可替代動力系統以及其他新技術。”杜邦公司(美國特拉華州Wilmington市)全球汽車技術總監Dr David Glasscock表示,“我們認為,復合材料可以為汽車的很多應用領域提供輕量化解決方案。兩個顯而易見的作用包括:在短期內幫助縮小發動機尺寸;以及幫助汽車底盤、結構件及車身外飾件實現兩位數的減重。”
          杜邦公司在2010年推出了1700多個新產品,并將其17億美元研發預算的22%投入到降低對化石燃料的依賴性,以及對創新化學品和新材料的開發中。



          “在目前的環境中,減少對化石燃料的依賴需要我們重新考量汽車上每一個零部件和每個系統的功能。”Glasscock繼續說道,“這是一個決定性的時刻,不僅僅針對材料,對整個汽車行業來說都是如此。這不只牽涉到某一種材料、某一種技術或供應鏈上的某一部分。我認為我們將會迎來大量的技術創新和發明創造,涉及多種材料。此外,也會誕生一些獨特的業務團隊,能在全球范圍內展開合作。” 123,123

          當然在過去3年多的時間里,企業之間緊密合作的消息不斷見諸報端。汽車主機廠和纖維增強材料供應商之間宣布正式建立合資公司以及達成其他合作關系的企業和項目包括:寶馬與西格里集團、戴姆勒與東麗公司、豐田與東邦特耐克絲株式會社、奧迪與福伊特公司(Voith GmbH)、贏創以及CAMIMSA項目的合作伙伴 ;此外,還有歐盟第七屆科技框架計劃(European Union's Seventh Framework Programme)下的HIVOCOMP合作項目。

          杜邦汽車業務全球市場總監Patrick Ferronato表示,“今天,汽車發動機上的每一個零部件所接觸的化學混合物或負荷均不相同,而且還處于較高的溫度下,一種材料肯定無法解決所有的問題。”杜邦新推出的樹脂材料專門用于生產可替代金屬的復合材料,共包括五種牌號的Zytel PLUS聚氨酯(PA)及兩種牌號的Zytel HTN 92聚酞酸酯(PPA)。所有這些產品均采用了杜邦獨有的SHIELD技術,其中包括全新的聚合物基體及特殊添加劑,可以承受熱油與氯化鈣的侵蝕,以及高達230℃的發動機溫度。 123456

          2010年的10月份,通用汽車在Zytel PLUS尼龍推向市場后的僅僅90天內就在其凱迪拉克車型上采用了該產品,用于35%玻纖增強的發動機罩中。目前,這款樹脂還用于采用增強材料的廢氣循環系統中。杜邦公司進行的一項測試顯示,Zytel PLUS尼龍樹脂相對標準的熱穩定型尼龍可以將某些發動機部件的壽命延長一倍。

          Zytel HTN92系列 PPA樹脂的性能相比非芳香族聚酰胺又提升了一大步。分別在230°C的溫度下熱老化1000小時后,HTN 92系列的強度是標準規格PPA樹脂的兩倍,比PPS樹脂則高出20-25%。該產品可以用于排氣消音器、油底殼(變速箱油底殼)、機油濾清器模塊、氣門搖臂蓋及其他變速器部件等。杜邦Zytel HTN PPA樹脂的另一個牌號是一種“電力友好型”聚合物,在各種溫度下都能承受高電壓,因此非常適用于混合動力車及純電動車上。杜邦計劃到2013年將Zytel HTN的產能提升至20000 t。 內容來自123456

          引擎蓋下的SMC部件

          纖維增強材料在汽車部件上的應用主要集中在車身面板和發動機艙內零部件上。在車身面板方面,主要為采用玻璃、礦物、納米復合材料及其他填充物進行填充的片狀模塑料(SMC)和團狀模塑料(BMC),這些部件包括A級表面車門及側面板、車窗包圍飾條、車頂、引擎蓋以及行李箱蓋、翼子板與保險杠、擾流板、立柱護板以及其他蓋板等。

          “SMC滿足了許多需求,如輕量化、綠色可持續發展、易于造型等,此外總成本還與金屬相當。”樹脂及聚合物供應商AOC公司(美國田納西州Collierville市)的銷售代表Jim Plaunt表示,“BMC的成型工藝(模壓、注射及注射壓縮成型)可以讓生產率符合汽車行業的要求。”

          AOC業務經理Mike Dettre指出,“除了新的CAFE標準,美國總統奧巴馬隨后又頒布了有史以來首個全國性政策,其主旨是提高中型及重型卡車的燃油效率并降低溫室氣體排放(將覆蓋2014年到2018年的車型)。具體到2018年,重型卡車的油耗將降低20%,重型皮卡和廂式貨車的油耗將降低15%,職業性車輛如運輸卡車、客車及垃圾車將降低10%。”
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          他認為,“要想滿足這些新法規的要求,毫無疑問需要大大降低未來車輛的車身重量。SMC/BMC較高的比強度,加上優秀的表面質量、尺寸穩定性、抗侵蝕能力以及配方的靈活性,可以滿足最嚴苛的車型性能要求,也使這些材料成為合理的選擇。”他指出,“有許多其他牌號的產品正準備推向市場,它們可以在許多不同種類的汽車部件上取得應用,比如覆蓋板、結構件、發動機艙部件、燃料電池托架等。”

          此外,Dettre與Plaunt都指出,采用碳纖維來增強SMC材料還需要與碳纖維制造商建立緊密的合作關系。

          “碳纖維除了成本較高之外,”Dettre指出,“目前的絲束結構決定了這種材料通常是扁平稠密的短切氈形態,采用目前的壓制設備很難浸潤。此外,環氧基樹脂和某些乙烯基酯樹脂可以和碳纖維很好地粘接,但碳纖維與不飽和聚酯樹脂之間若要成功地粘接,則還需更多的研究工作。”
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          AOC公司會繼續與其客戶、主機廠及國家實驗室開展合作,解決碳纖維成本及SMC的可加工性問題,與此同時,還會進一步研發新的SMC配方,采用其他低密度、低煙阻燃、低硬度及更加綠色環保的增強劑。

          Plaunt設想,“如果汽車設計及制造目前確實正在經歷變革的話,那么這對于SMC來說,可能也是一個復興的機會。”

          BMC的發展

          來自美國伊利諾伊州西芝加哥市(West Chicago)的Bulk Molding Compounds Inc(團狀模塑料公司,簡稱BMCI)在BMC配方設計方面擁有30多年的經驗。該公司預期“2012年,公司在所服務區域內進行的有關汽車材料的銷售能取得7.5%的增長。”該預測來自BMCI公司全球市場副總裁Len Nunnery。“我根據一些新開發的熱固性BMC材料配方作出了這個預測,這些新材料可以用于某些汽車部件上,用來替代金屬或者熱塑性工程塑料。雖然2012年的汽車產量預計將依然疲軟,但是BMCI依然看好我們的材料在某些細分領域的增長機會,比如歐洲的OEM公司用我們的材料生產節門體,亞洲的汽車制造商用來生產前向照明零部件;我們的材料還用于生產北美自由貿易協議(NAFTA)規定的隔熱及防撞擊護板 ;也被南美市場用于熱固性儀表板和前格柵零部件的生產。” 123456
          2012款奧迪A6車型中的兩個LED前大燈,其底座及燈泡周圍的組件完全采用了玻纖填充的BMC TD 156材料,重量達到4 lb(1.8 kg)。Nunnery估計,該車型在車燈部件上采用的BMC總量將達到50萬lb(約合226.8 t)。他高興地表示,“我們的BMC材料是按每輛車幾公斤的數量級增長的。如果2012年全球需求及汽車產量上升,那么我們的銷量就將成倍增長。”

          BMCI公司的市場開發經理Jim Cederstrom表示,“我們在傳統及新型動力系統方面看到以塑代鋼的開發應用水平得到了巨大的提高。幾年前,我們開發了零收縮的Dimension X BMC材料,用于替代電子節氣門殼體的金屬件。在此基礎上我們又開發了BMC 584材料,其基本化學屬性與Dimension X相近,但是潤滑性更好,專門用于替代動力系中泵殼體的壓鑄金屬件。BMC 665是一款聚酯基材料的牌號,用于玻纖填充汽缸蓋罩、前正時鏈罩蓋以及油底殼,是BMC 695乙烯基酯產品的低成本替代品。我們還發現,這款產品在新型動力系統的高溫環境中的應用比熱塑性工程塑料更具成本優勢。”

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          汽車動力系還包括純電動和混合動力系統,BMCI公司針對這些系統中的電氣零部件和敏感電子元器件的低壓包覆成型開發了幾款新的高流動性BMC產品牌號。

          “BMC材料具有優良的電絕緣特性,此外還具有輕量化及低成本優勢,非常適用于生產電動汽車的電池零部件、電氣及充電連接器以及密封型電子馬達零部件。”Cederstrom解釋道,“在汽車電動化過程中,控制器、傳感器及電機數量的不斷增加為BMC材料提供了更多的機會。”

          BMCI公司還針對商用氫燃料電池中的導電雙極板開發了940和955牌號。

          “碳纖維是我們在未來聚合物配方研發中會考慮使用的一種材料。”Cederstrom表示,“不過,碳纖維在成本方面存在挑戰,這點毋庸置疑。自從BMC材料被定位為金屬和熱塑性工程塑料低成本、高性能的替代品,那么要想保持那些有利于BMC材料應用的關鍵優勢(比如,相對機加工金屬部件來說部件成本的降低),意味著成本將依然是一個首要考慮的因素。盡管如此,減重也很快成為替代金屬的關鍵推動因素,與降低成本相當。”

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          強度更高的車身面板

          八、九年前,汽車行業針對電泳底漆粉末噴涂采用了增韌SMC材料,解決了汽車A級表面面板油漆破裂問題。2002年,位于美國密歇根州Troy市的大陸結構塑料公司(Continental Structural Plastics,簡稱CSP)將旗下Budd Plastics公司的增韌A級表面SMC(TCATM)進行了商標注冊并申請了專利保護。CSP公司當年還加入了由通用汽車研究員Dr Hamid Kia發起的一個聯盟。CSP公司大量采用了AOC公司的Atryl樹脂來開發TCA產品,同時還為通用公司生產TCA零部件,比如引擎蓋和行李箱后蓋。

          “TCA幫助我們提高了噴涂效果。”CSP公司研發及材料總經理Probir Guha指出。Guha從學校畢業后即加入了Budd公司,早在1977-78年便參與了碳纖維SMC原型產品項目的開發。“TCA復合材料對汽車A級表面部件來說是一款非常成功的產品,我們現在正在測試一款中密度產品(MDTCATM),其密度為1.4 g/cm3。相比較來說,沖壓金屬和鋁的密度為1.3,標準SMC的密度為1.8。采用16 祄玻璃微球可以幫助我們達到目標密度。我們會繼續努力挑戰極限,并開發出新的可適用于所有天氣情況的SMC產品,并能進一步幫助OEM在保證一定經濟效益的情況下降低零部件重量。” 123456

          CSP公司在粘接技術的相關領域擁有多個有價值的專利。據Guha介紹,這些專利直接影響A級表面的粘接效果,還有利于部件的減重。該公司還采用熱塑性塑料及長玻纖、直接配混長玻纖、玻璃氈以及BMC增韌劑來進行復合材料的成型,應用領域包括A級表面、發動機艙、車身底部及結構部件,比如卡車車廂襯盒。

          “我們可以大范圍推廣碳纖維SMC的應用了嗎?現在還不行。這種材料最大的挑戰在于浸潤性和流動性。CSP公司與OEM、供應商和一流院校開展了大量的合作項目,希望可以研發出適用于結構件和車身面板的低密度復合材料。”

          位于美國俄亥俄州Dublin市的亞什蘭高性能材料(Ashland Performance Materials)公司擁有全系列適用于熱固性SMC的樹脂產品,并提供增韌A級表面SMC產品。通過其AROTRAN聚酯,可以生產出采用了納米粘土填充物及玻璃微球添加劑的密度低、質量小的SMC材料。該公司的Aropol PET基樹脂可用于非A級表面結構件,比如加固板、橫梁和格柵限位器——即那些需要高機械性能和抗沖擊性能,且需要快速固化的部件。此外,亞什蘭提供的Envirez大豆基生物樹脂還可以經過填充用于生產A級及非A級表面汽車部件。
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          亞什蘭技術服務經理Rob Seats表示,“汽車行業的發展趨勢越來越支持復合材料的應用,這不僅體現在小眾車型上,還包括了新車型。在這些車型上,輕量化的復合材料如SMC可以發揮材料應有的性能。2012年復合材料銷量預計會攀升,混合動力車和電動汽車若出現增長,則更會推動市場需求的提升。OME對不久前推出的CAFE標準所作的反應會帶來較為長期的影響,但是我們預計,在2013-2014年及隨后推出的車型上,采用復合材料的部件會出現增長。”

          關于在SMC中采用碳纖維材料,Seats同意本文其他人的看法 :“碳纖維的成本和環氧樹脂的加工周期依然是一個巨大的挑戰。不過,如果這兩個障礙中至少有一個得到解決的話,機會還是存在的。”

          熱塑性工程塑料

          用復合材料制造的發動機艙內部件、飾件以及一些非可視零部件得益于熱塑性工程塑料中的長玻纖和短玻纖增強材料。玻璃纖維供應商PPG公司(美國賓夕法尼亞州Cheswick市)在接受《增強塑料》雜志采訪時談到了公司2012年對該市場的業績增長預期。 123456

          “我們估計,未來五年汽車產量年均增長量會保持在5-6%。”PPG運輸及消費市場(Transportation and Consumer Segments)全球總監Gerry Marino表示,“我們希望汽車輕量化和降低成本的發展趨勢可以加快復合材料在汽車上的增長速度——即每年保持10-11%發展速度。”

          PPG公司的TUFROV長玻纖熱塑性塑料(LFT)和CHOPVANTAGE短切玻璃纖維氈多年前就已投入汽車市場。最新推出的TUFROV LFT牌號不僅性能高,還可用于不同的樹脂,比如針對尼龍樹脂的TUFROV 4510玻璃纖維和針對聚丙烯樹脂應用的4575玻璃纖維。

          “未來幾個月里,我們還會針對PE推出TUFROV 4589牌號產品,以及用于PET/PBT熱塑性聚酯的4585玻璃纖維。”Marino表示。
          PPG用于PA樹脂增強的CHOPVAN TAGE HP 3610玻璃纖維及用于PBT的HP 3786玻璃纖維在汽車零部件上得到了廣泛的應用。為高溫PPS及抗水解PBT開發的CHOPVANTAGE產品預計將于2012年初推向市場,性能會得到進一步的提升。 123456

          位于奧地利維也納的北歐化工公司(Borealis AG)提供的長短玻纖熱塑性工程塑料滿足了歐洲OME客戶對材料的要求,那就是輕量化、節能減排、可持續性及可回收性。寶馬公司采用了北歐化工的NEPOL GD302HP產品,一款30%長玻纖增強PP,用于替代聚氨酯(PUR)和鋼的混雜材料座椅支架,獲得了35%的減重效果,并使系統成本降低了15-20%。在寶馬的一款儀表板支架產品上,采用20%長玻纖增強的NEPOL GB215HP材料使部件重量及系統成本分別下降了23%和20%。菲亞特旗下藍旗亞(Lancia)公司采用了北歐化工的XMOD GD301HP(32%短玻纖增強PP)產品生產的油門踏板支架,其部件的整體重量低于玻纖增強PA產品;此外,在空氣過濾系統中的應用相對于30%玻纖增強的PA 66產品,在重量上降低了16%。

          大眾公司幾款車型的進氣模塊上采用北歐化工的XMOD GB306SAF(35%短玻纖增強PP)替代了玻纖增強PA材料。通過外部生命周期分析顯示,此舉讓二氧化碳排放量降低了60%。北歐化工因這款創新型PP聚合物在進氣歧管上的應用而獲得的系統及生產成本的降低和高達15%的減重效果,讓其贏得了2010年弗若斯特沙利文(Frost & Sullivan)發動機塑料類(Under the Hood Plastics category)全球新產品獎(Global New Product Award)。 本文來自123

          寶馬X5及X6車型的翼子板采用了北歐化工的DAPLEN EF341AE(30%滑石粉增強PP)產品,相對于金屬制件來說,重量減輕了50%。據外部生命周期分析顯示,車輛二氧化碳排放因此降低了60%。北歐化工目前正在通過可再生的木材為PP樹脂開發天然纖維填充物,計劃用于可視及非可視內飾件以及發動機艙零部件上。

          為了應對2012年全球汽車行業10%的預期增長,位于德國勒沃庫森的朗盛公司也在積極開發玻纖增強及高模量熱塑性材料。公司傳訊經理Udo Erbstober透露,朗盛公司計劃提高旗下Durethan PA 6/66及Pocan PBT+PET/PBT+PC樹脂在中國及印度地區的產能。他還指出,集團在汽車市場的產品銷量占集團總銷量的15%。為了滿足OEM對輕量化及發動機艙內耐高溫的需求,Erbstober指出,朗盛發明了一種采用玻纖增強PA片材的復合材料/金屬混雜材料注射成型技術。該技術已經用于奧迪某款車的前端模塊上,相對于鋁材,減輕了20%的重量。該技術還有望采用玻纖增強PA6材料,用于增壓空氣熱管、燃油濾清器等零部件上,還可以用于尺寸較大的支架類部件上——后者可以采用較高比例的玻纖進行填充,并通過注塑成型。

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          通過其玻纖/Pocan熱塑性工程塑料產品,朗盛在多功能牽引車的保險杠上成功采用PBT+PET替代了SMC,其他應用領域還包括卡車面板、翼子板、擋風板、A柱以及上下車踏板等。此外,經驗證,朗盛的Pocan PBT+PC混合材料在用于制造沃爾沃工程車的免噴涂散熱器格柵方面可以實現較高的生產效率。這些熱塑性材料,以及塑料/金屬混雜材料,也可以用于電動汽車的結構性電池托架上。此外,還能采用玻纖增強Durethan注塑成型電池蓋和電子器件外殼產品。

          沙伯基礎創新塑料業務部多年來也一直同其客戶一起探索汽車減重的解決方案。該公司表示,通過他們的材料,可以將一輛普通汽車的重量減輕24kg,將二氧化碳排放降低2.4g/km。按2.1億輛汽車總量來計算的話,每年可以減少960萬噸的二氧化碳排放量。 本文來自123
          沙伯基礎創新塑料在某些汽車零部件上取得的進展有望在新的車型平臺上獲得進一步相似的應用。公司提供的STAMAX長玻纖增強PP成功取代了鋼材,用于長安汽車CX30車型的半結構性前端模塊(FEM)以及路虎攬勝極光(Range Rover Evoque)的內飾件上。

          在CX30車型上,前端模塊重量減輕了40%,從而使整車重量減輕了4kg;此外,由于模塊化的裝備提高了生產效率,整體系統成本也因此得到了降低。前端模塊將散熱器、前照燈、鎖橋及緩沖梁全面整合起來,將22個不同的金屬部件縮減成一個注塑成型的復合材料部件。在攬勝極光車型上,STAMAX長玻纖聚丙烯被應用于儀表板和內門模塊中,相比于其他材料,剛度更高、密度更低。此外,該材料還具有較高的流動性,這意味著只需較少的材料即可實現同樣的硬度和強度。攬勝極光的車身總重為1600kg,是路虎有史以來最輕的車型。 123456

          大批量的CFRP生產

          將碳纖維用于高產量的車型平臺無論從產量、供應方式、產品形式、可加工性,還是定價方面來說都與概念車、低產量的超級跑車、新能源車以及F1賽車完全不同。碳纖維增強塑料(CFRP)已經在這些車型上獲得了成熟的應用,以滿足車型對減重、碰撞性能以及氣動造型的訴求。無論如何,碳纖維在這些特殊車型上的應用已經證明,用碳纖維/環氧樹脂制作的“黑車身”來大規模地替代傳統的金屬白車身是可行的。

          “致力于降低碳纖維成本的技術依然在向前發展。”美國能源部所屬的美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)(位于田納西州橡樹嶺市)的交通設施材料項目經理C. David Warren表示,“織物增強前驅體可能幾個月內就可以推向市場,而低成本前驅體轉化技術可能需要幾年時間。非聚丙烯睛(PAN)基前驅體,如木質素纖維很可能需要3-5年時間。”

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          Warren在ORNL工作了20年,近14年來,他一直是CFRP研究小組的成員之一,并且協助組建了“橡樹嶺碳纖維復合材料聯盟”(the Oak Ridge Carbon Fibre Composites Consortium)。該聯盟于去年9月份召開成立大會。聯盟的目標就是要開發新的碳纖維產品,將成本控制在5-7美元/lb(11-15.4美元/kg)的水平。

          “新的制造商若具有大批量產品生產的遠見,則會帶動低成本碳纖維進入市場。而這種情況已經開始發生了。”他說道。

          最近有關一些合資公司的報道證實了這一點:卓爾泰克公司成立了卓爾泰克汽車公司(Zoltek Automotive,位于美國密蘇里州圣路易斯市),致力于利用大絲束碳纖維開發滿足汽車客戶需求的中間體;陶氏歐洲公司與碳纖維及丙烯腈系纖維供應商阿克薩(AKSA,位于土耳其伊斯蘭布爾市)簽署了諒解備忘錄 ;西格里碳素纖維汽車有限責任公司(SGL Automotive Carbon Fibres,位于美國華盛頓Moses Lake)宣布成立??偛课挥谌毡緰|京的帝人公司打破了碳纖維生產周期的瓶頸,采用其獨有的一分鐘模壓成型工藝可以生產出與金屬白車身組件尺寸相同的工件,并能在短短一分鐘的時間里即生產出熱塑性塑料/碳纖維中間材料。ORNL聯盟成員中,負責木質素基前驅體研發的Plasan Carbon Composites公司(Plasan碳纖維復合材料公司,位于美國佛蒙特州Bennington市)開發了一種非熱壓罐生產工藝,可以讓碳纖維增強環氧樹脂零部件在十分鐘內固化。另外一個聯盟成員——Advanced Composites Group Ltd(先進復合材料集團,簡稱ACG,位于英國Heanor)在其DForm(可變形復合材料系統)預浸料的研發方面又取得了新的進展——預浸料交叉編織成快速層壓形式,這樣在維持長玻纖性能的同時還可以具有短切纖維模塑料可變形的特性。這款材料可以像SMC一樣模壓成型。汽車市場業務經理Steve Cope指出,ACG公司還研發了一款自動化生產系統,主要是將機器人用于高可變形預浸料,如DForm的物料處理中,從而降低復合材料結構件大批量生產的成本,提高生產效率和可重復性。 123456

          預浸料及部件生產商固瑞特公司(總部位于瑞士Wattwil,在英國懷特島設有汽車復合材料工廠)去年5月份獲得的一項3000萬瑞士法郎后續供貨合同采用了該公司享有專利的SPRINT CBS(car body sheet,車身板)技術。SPRINT CBS車身板最早于2007年獲得應用,這種板材采用碳纖維增強,中間為合成夾芯層,外層可作為模內底漆涂層。該產品有低溫烘烤型、輕質型及高溫烘烤型(200℃)三種規格可供選擇。該訂單的需求方并沒有公布,但很可能是阿斯頓·馬丁。此外,這份合同將執行到2016年,而且供貨量很有可能會在最初的基礎上再增加40%。

          “通過我們的樹脂噴射傳遞專利技術(Resin Spray Transmission,簡寫為RST)制造的輕量化A級表面車身板使用干式碳纖維替代預浸料,而且不采用熱壓罐即可在幾分鐘內固化。”Quickstep Technologies Pty公司(西澳大利亞州North Coogee地區)美洲及歐洲市場首席運營官Dale Brosius表示,“我們相信,這項技術可以降低制造成本,而且很容易應用到汽車主車身結構復合材料的組裝中。”

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          他指出“今天,碳纖維零部件制造的最大問題不是材料成本,而是將其轉變成部件的成本。RST工藝僅要求樹脂沿著厚度的方向流動,因此它是厚度范圍為1.2-1.5mm的薄壁面板部件理想的成型工藝。此外,我們還將碳纖維/環氧樹脂的固化周期降低到了幾分鐘之內。”

          縮短RTM周期

          東麗株式會社主要生產原絲、碳纖維、織物、預制體、基體樹脂、CFRP中間材料以及復合材料部件。在其所有的業務中,東麗都強調產品生命周期管理。“其目的是通過降低產品在整個生命周期內對環境的影響來幫助實現一個可持續發展的低碳社會。”位于東京的東麗先進復合材料技術部總經理Nobuyuki Odagiri說道。他具體解釋道,在碳纖維及復合材料產品的整個生命周期中,尤其當其用于汽車及卡車中實現輕量化時,因碳纖維制造所產生的溫室氣體(GHG)要遠遠小于推行節能型車輛所減少的溫室氣體。 123456

          為了在降低部件整體成本的同時,盡可能地減少溫室氣體的排放并提高生產力,東麗公司在2006年開發了短周期樹脂傳遞模塑工藝(RTM)。在一項為期五年的政府資助項目中,東麗的科學家成功地將3D碳纖維預制體的自動鋪設與快速固化的環氧樹脂浸漬過程結合起來。用于概念驗證的部件包括了車門內側面板和前地板。



          “最終獲得的生產周期大約為10分鐘,時間大大短于采用預浸料的方式,是傳統RTM工藝的五分之一,這使其成為汽車部件生產的一項理想技術。”Odagiri總結道。

          他還指出,這項短周期RTM技術會在東麗和戴姆勒的合資公司中得到進一步的改進,并將成為該公司CFRP零部件生產中的關鍵。
          在軟件框架里的設計為迎合汽車生產廠商的需求而進行的新型復合材料產品的開發說明了這樣一個問題——協同工程(collaborative engineering)可以帶來競爭優勢。軟件供應商VISTAGY Inc(美國馬薩諸塞州Waltham)的開發人員認為,在設計周期的最初階段,用于部件可生產性、性能及成本評估的預測設計工具可以幫助提高這種協作的效率。

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          “我們的FiberSIM軟件可以幫助工程師和設計師在輕松隨意的工作模式下交流創意,同時還可以采用熟悉的CAD/CAE工作環境。”VISTAGY公司業務開發副總裁Ed Bernardon表示,“只需要簡單的手勢示意和屏幕點擊,你就可以根據需要,在上級或下級文檔和流程中獲取或重復使用某個復合材料部件完整主模型的相關數據。”

          Bernardon和VISTAGY公司的創始合伙人Steve Luby可謂對汽車復合材料零部件的量化生產加工需求了如指掌,因為他們自己也曾作為研發人員長期為一些項目(如道奇公司)的快速成型及復合材料零部件和預制體的制造開發生產設備,而且在多年后創建了FiberSIM工程軟件。

          “FiberSIM可以根據零部件及迭層的幾何結構以及采用的制造和加工條件,來預測某個鋪層起皺或鋪設方向發生變化的方式。”Bernardon解釋道。“考慮到汽車復合部件中可能會用到各種材料,包括無卷曲織物(NCF),FiberSIM可以讓工程師靈活地對用于不同材料結構的鋪層設計的優劣之處進行快速評估。工程師還可以通過該軟件針對具體某個部件的形狀、鋪層、材料及制造工藝來創建并分析材料的可成形性、剪切力、平面內屈曲性能、纖維取向及平面圖樣,從而達到某個部件的性能及包裝要求。”

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          考慮到設計參數變化對復合材料鋪層性能的敏感性,汽車設計師可能最會看重此類軟件的操作便捷性。

          “纖維鋪設方向發生15°的改變就可能導致最終材料的性能降低75%,因為這些都是各向異性材料,與金屬完全不同。”Bernardon說道。“針對這種情況,FiberSIM可以給工程師提供一種對關鍵設計屬性——從部件形狀到材料本身再到制造工藝的配合——進行評估的方式,這樣他們就能夠快速地為高性價比、大批量輕量化汽車設計出所需的復合材料零部件。”

           
           

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