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碳纤维应用对汽车制造成本的影响

所属分类:新闻动态 | 浏览次数:0 | 发布日期:2016-07-21 17:14:29

  行内人普遍认识到成本高是制约碳纤维复合材料CFRP在汽车中批量应用的一个重要因素,甚至有人认为,一旦使用碳纤维复合材料就会大幅提高制造成本,这也是CFRP在汽车应用普及中的最大障碍。毋庸置疑,碳纤维部件原材料价格就比较高,目前碳纤维原丝市场每公斤价格在120元人民币以上,是玻璃纤维价格10倍以上。另外,与碳纤维配套使用的环氧类树脂等基体的价格也居高不下但是原材料价格还不是碳纤维零部件价格昂贵的主要原因,复杂的制造工艺才是其决定性因素那么是不是使用碳纤维组件一定会提高汽车制造成本事实上一些CFRP企业已经在通过工艺改良积极降低生产成本,而且从一个角度上说,在部件加工、组装等程序方面,使用碳纤维组件本身就是有效降低汽车制造的成本

  宝马I3的量产化就是最明显的例证。为了量产I3,宝马与CFRP企业合资生产,并采用全新的汽车生产工序。通常的汽车组装线是利用焊接的方式接合冲压成型的钢板,而I3则使用RTM法对约150个部件进行接合的方式组装骨架,对模具整体加热,使成型品达到硬化。所谓RTM法即通过对碳纤维织物等进行预成型,制作产品形状的预成型坯,将预成型坯固定在模具上,浇注热硬化性环氧树脂等材料的成型方法。I3的RTM法成型周期约为10分钟,1分钟即可成型,这种材料不仅生产效率高,而且节拍时间与汽车的组装线相同,具有能够与其他工序同步的优点。更重要的是,其骨架的组装完全不借助焊接,组装线上也不再有焊接工序。约150个部件听起来似乎很多,但与利用钢板制造框架相比,数量已经减少了约2/3。更高的生产和组装效率为I3量产车减少了相当多的人力成本,这也成为碳纤维部件全面进入普及型汽车量产化的重要优势

  与宝马I3类似,为了实现碳纤维复合材料组件在普通量产车中的运用,Prodrive公司的解决方案是通过减少在部件组装中进行的剪切、紧固、线程插入等步骤,实现更简洁、强度更高的组装件,尤其是在汽车内饰应用方面。

  可供借鉴的方法有很多,比如在螺纹紧固件的插入和固定这类独立工序中采用优化过的工艺,可以采用直接铸造的高质量复合材料板,使其相比传统工艺制成的铰接件成本低得多,此外由于节点减少,因此组件的机械强度反而更高。通过一个预先塑造好的模具件,采用塑料反向注塑工艺将结构复杂的组件进行覆盖,从而最后得到成品,相比分步骤地逐渐铰接来说,这样的工艺要利落的多而之前的复合组件的生产过程中需要许多人工操作介入,包括铰合过程和手工修饰工序,这不仅延长了整个生产过程的时间线,必须付出较为客观的人工成本。如果通过前面所述的自动化工序,这些冗余的人工工序都可以简化或者取消。通过这样一个新工艺制作一个组件的成本为传统工艺的60%但是最终两者外观上完全相同甚至新工艺还实现了更高的质量

  对此,Prodrive复合材料工程经理Gary White明确表示:“我们希望减少部件在组装过程中的成本,不仅仅指的是组件本身,还包括组装工艺。从更宏观地角度来说,我们认为新的方法能够使碳纤维复合材料组件离大众市场更近。”目前,Prodrive公司已经开始利用这项工艺进行2款高端汽车的内饰组件生产。

  不论是宝马I3还是Prodrive,它们之所以能有效降低碳纤维部件的使用成本,主要靠的还是与CFRP制造企业以及主机厂的密切配合,通过CFRP企业为汽车生产线的需求整合、二次开发形成更高的生产效率,减少人工成本,从而降低汽车的整体制造成本。简单地说,“汽车制造商CFRP零部件供应商”的联盟式产业化布局可以有效解决车用CFRP应用量产化的成本问题但是不容忽视的是,目前国内不仅缺乏这类密切匹配产业联盟,也尚未形成实质性的研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价一条龙产业链,在CFRP部件的质量控制、装配技术方面与国外的差距也相当大,巨大的空间值得我们进一步研究和完善。

  对于汽车制造商来说,在建立整体行业联盟谨慎认真地选择一家碳纤维复合材料的生产加工商进行强强联合紧密合作,共同开发潜在需求构件的设计研发问题这样更有利于全套解决方案的制定和实施。而且这种选择必须基于对CFRP企业技术层面全面考核的基础之上,特别是对方在“产学研”的深度和硬件设施的配备方面。在CFRP行业深耕多年的无锡威盛新材料有限公司为了保持行业的领先性,先后与国内多家高校及科研院所建立了长期合作关系,拥有研发新型碳纤维复合材料和材料性能测试所需要的各种大型进口仪器和设备的优势条件,这也是中国中车集团、上汽集团等轨道交通企业及汽车制造商将其选定为合作对象的重要原因。

  对于有车用碳纤维零部件发展规划的CFRP企业来说,在进一步改进生产工艺,提高合格率和制成率的同时,也有必要对可用于汽车轻量化发展的可快速成型、可一体化设计的汽车零部件进行优先开发。锡威盛材料有限公司在加强产学研合作的同时非常重视与碳纤维配套的树脂体系研究,其研发中心的负责人称:“我们对树脂体系进行系统性的研究,主要目的是拓展碳纤维复合材料根据产品需要设计树脂体系的范围,便于生产出适用于汽车主机厂所需要的碳纤维复合材料结构件,并在一定程度上降低碳纤维复合材料的生产成本。

  总之,CFRP企业主动向汽车主机厂紧密靠拢的方式,有效降低了汽车生产方使用碳纤维部件的生产成本,这也将进一步推进CFRP在汽车领域的量产化应用。

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