隨著制造商尋求降低復合材料零件的成本，設計人員一直在努力使復合材料盡可能有效地使用，同時使生產(chǎn)和多功能集成自動化。在汽車應用中，周期時間要求短至1至2分鐘，這一挑戰(zhàn)變得更加關鍵。多年來，作為一種可行的解決方案，一直在尋求將熱塑性復合材料注塑在連續(xù)纖維預成型件上的包覆成型技術，例如CAMILMA項目在2014年展出的包覆成型技術。復合材料座椅靠背。西格里碳素輕量化和應用中心負責人克里斯托夫·埃貝爾（Christoph Ebel）博士解釋說：“現(xiàn)在，這種方法已被引入了一個新的高度，可以實現(xiàn)熱塑性復合材料白車身的全自動生產(chǎn)?！?/p>

這一進步歸功于已經(jīng)開發(fā)了多年的“骨架”設計方法。正如MAI Skelett項目在2015年首次展示的那樣，該技術涉及熱成型和拉成型單向（UD）碳纖維熱塑性塑料的分兩步工藝，循環(huán)時間為75秒。產(chǎn)生超過所有以前版本的結(jié)構(gòu)屋頂梁。它還集成了附件夾，并改變了碰撞行為，以提高白車身的殘余強度，從脆性破壞模式轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐哪Ｊ?。具有骨架設計的MAI Skelett示范擋風玻璃框架這個為期17個月的MAI Skelett項目由德國聯(lián)邦教育和研究部支持，該項目由MAI Carbon（德國Carbon Composites e.V.的區(qū)域分部）完成。網(wǎng)絡。項目重點它是一種特殊型號的產(chǎn)品，擋風玻璃上方兩個A柱之間的擋風玻璃框架。包括所有功能和空間要求，該設計基于當前的BMW i3架構(gòu)。擋風玻璃框架不僅可以用作屋頂?shù)膫?cè)向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，還可以用于其他功能，包括：?剛性–還可降低噪音，振動和粗糙度（NVH）?強度（車輛壓力測試）–-有助于滿足碰撞要求?內(nèi)部組件的固定裝置，例如遮陽板，內(nèi)飾和照明線束?連接至擋風玻璃，天窗和外部車頂面板的支架。擋風玻璃框架的骨架設計具有4個角單向纖維增強拉擠桿，包裹在包覆成型的框架中，以提供對扭轉(zhuǎn)剛度和復雜形狀的功能連接。

拉擠型材并非全部位于同一平面上，而是以不同的高度排列：兩個靠近60 mm高的部件的底部，兩個靠近頂部。拉擠成型作為熱塑性工具箱的一部分對于MAI Skelett擋風玻璃框架，最終設計完成了100mm2的橫截面，目的是使用更便宜的重型絲束碳纖維。但是，所選的50K絲束纖維具有大量緊密結(jié)合的細絲，這使得樹脂浸漬更加困難。 SGL熱塑性塑料產(chǎn)品經(jīng)理VeronikaBühler解釋說：“通常，可以通過優(yōu)化纖維引導和鋪展以實現(xiàn)最佳浸漬和50％高纖維體積來克服這一挑戰(zhàn)?！蹦壳?，西格里已經(jīng)掌握了這項技術，并將拉擠成型作為其熱塑性工具箱的一部分提供。 “我們的熱塑性塑料帶（也基于對于拉擠成型，我們對半成品有廣泛的了解，因此我們可以快速適應當前用于創(chuàng)建自己的輪廓的拉擠成型技術。該過程包括對纖維體積，孔隙率和尺寸精度的質(zhì)量檢查。基于自動化和機器人操作，尺寸精度非常重要。她繼續(xù)說：“例如，由于拉擠型材中的殘余應力，不能彎曲。”除了拉擠增強材料外，MAI Skelett項目還研究了熱塑性樹脂。已經(jīng)測試了各種類型的聚酰胺6（PA6），以確定最佳的拉擠質(zhì)量和拉擠速度。需要粘度和流變性。通過其熱塑性工具箱（包括UD膠帶，有機板，短纖維和長纖維增強復合材料的短切纖維，以及現(xiàn)在用單向纖維增強的拉擠型材），West Gerry為該項目提供了一系列材料，全部基于SIGRAFIL 50K碳纖維適用于聚丙烯和聚酰胺（包括PA6或原位PA6）的基體浸漬。

 “為使復合結(jié)構(gòu)具有最佳性能，纖維，膠料和基質(zhì)材料必須相互配合。布勒說。她還解釋了原位PA6：“這是一條長的聚合物鏈，是在復合部件的成型過程中，使己內(nèi)酰胺單體反應或使包含催化劑和活化劑的單體反應時聚合而成的。換句話說，己內(nèi)酰胺聚合了Bühler說，作為一種聚合物，聚酰胺包括PA66和PA12，以及某些類型的PPA，它們可以用作附加的基體材料選擇。玻璃框架的另一個重要方面是玻璃的熱成型能力。熱塑性塑料半成品成型期間和之后進一步成型功能化和確保包覆成型過程中的熔膠是MAI Skelett演示組件設計中的兩個重要因素。熱成型和包覆成型MAI Skelett擋風玻璃框架的生產(chǎn)始于拉擠碳纖維/ PA6型材。然后必須修改這些輪廓以適應零件的形狀并在不同點引入載荷。為此選擇了熱成型，并且主要考慮因素是，僅通過保持直線盡可能直即可獲得碳纖維的高強度和剛度。這需要在基體材料的流動方向上拉伸拉擠桿，然后擠壓和彎曲桿的端部。熱成型端：對MAI Skelett擋風玻璃框架中拉擠桿的端部進行熱成型，以滿足零件形狀和載荷引入的要求（來自寶馬集團MAI Skelett最終報告的圖片）熱成型端：對熱成型拉擠桿的端部進行了測試在三個不同的形狀上。

結(jié)果，拉擠桿沿基材的流動方向拉伸，確保最佳的纖維排列以滿足負載要求（圖片來自寶馬集團MAI Skelett的最后一步）第二步是放置熱成型的拉擠成型件在紅外加熱器下加熱型材，在不到50秒的時間內(nèi)加熱它們，然后使用專門為此目的開發(fā)的自動化操作系統(tǒng)進行傳輸。進入注塑模具。項目的所有部分均在現(xiàn)有的注塑機上生產(chǎn)。然后將纖維增強的復合材料包覆成型在型材上和型材周圍。為了將四個熱成型的拉擠成型桿固定在適當?shù)奈恢?，對模具和包覆成型過程中的加工有精確的要求。兩步過程（熱成型和預成型拉擠型材的二次成型）的總循環(huán)時間約為75 s。 “因為它是在第二次成型之前添加的加熱熱塑性基質(zhì)材料，從而允許在非常短的循環(huán)時間內(nèi)形成預成型的熱成型棒并將其粘結(jié)到最終零件上。埃貝爾解釋道。 “一般來說，熱塑性塑料的可熔性也使其可以連接到均勻的金屬零件上?！?Bühler補充說，并指出熱塑性熱成型和注射成型工藝具有出色的可重復性和工藝控制能力，這是實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的關鍵因素。彈性故障拉擠骨架：使用拉擠型材下一代擋風玻璃框架的二次成型纖維增強PA6“肌肉”承重框架，優(yōu)于目前的BMW i3結(jié)構(gòu)（SGL碳纖維圖片）零件的韌性以破壞的形式評估了PPA和PA6的輪廓以及使用玻璃纖維和碳纖維的相容模塑材料。盡管更堅硬的故障形式降低了擋風玻璃框架可以傳遞的負荷，但白車身整體的結(jié)構(gòu)完整性得到了改善。所使用的分析方法包括實體建模，鋼模型（幾何模型，其中拉擠型材用作次級鋼筋），以及使用殼單元進行建模，以及所有這些模型的各種組合。

桑迪亞國家實驗室（美國新墨西哥州阿爾伯克基開發(fā)的Dakota參數(shù)求解器）和OptiStruct（美國密歇根州特洛伊市阿爾特爾工程公司）使用有限元求解器ABAQUS（法國達索系統(tǒng)，法國巴黎）進行了拓撲優(yōu)化。寶馬在最終項目報告中沒有指定首選的材料組合，但確實給出了結(jié)論：?最終的模擬和測試結(jié)果表明，除了扭轉(zhuǎn)剛度外（已確認除了是擋風玻璃框架設計的關鍵驅(qū)動因素之外，這種骨架組件還超出了當前碳纖維增強塑料（CFRP）組件的所有要求。 ?在碰撞載荷的情況下，此骨架設計的載荷水平和能量吸收超過了當前CFRP組件的載荷水平，并且成功實現(xiàn)了更具延性的破壞模式，不僅進一步提高了復合結(jié)構(gòu)的碰撞性能。并且對碰撞性能及其與整個白車身結(jié)構(gòu)的關系有更深入的了解。未來的骨架設計應用寶馬在MAI Skelett的最終報告中指出，它還發(fā)現(xiàn)，使用這種骨架設計方法可以顯著降低生產(chǎn)，材料和工具成本，從而可以使其他六個汽車零部件受益。西格里碳素公司建議將其應用于汽車和航空座椅結(jié)構(gòu)，儀表板，機械臂，X射線工作臺等。但是，在隨后的MAI Multiskelett項目（執(zhí)行期為2015年9月至2017年6月）中，這種骨架設計方法得到了進一步發(fā)展，并已擴展到多軸應力組件。該項目研究了將軸承部件轉(zhuǎn)移到拉擠型材的應用領域，還研究了高載荷（尤其是大型結(jié)構(gòu)部件上的幾個主要載荷路徑的交點）引入的應用領域。與先前的Skelett項目一樣，該項目著眼于組件設計和具有成本效益的批量生產(chǎn)線。骨架設計如何進一步優(yōu)化現(xiàn)有復合材料零件的一個例子是用于電動汽車內(nèi)飾的碳纖維前端支架，該支架由SGL和汽車技術專家Bertrandt（德國埃寧根）于2017年開發(fā)。碳纖維支架：使用骨架設計方法，這種用于電動汽車儀表板的替代設計將用拉擠型材代替熱成型的有機板，用作拉模的主要承重構(gòu)件，以實現(xiàn)功能連接和儀表板設計。提高效率并降低成本（來自SGL碳纖維的圖片）集成了傳統(tǒng)儀表板的所有主要功能和裝飾組件，這些儀表板基于熱成型的有機板作為承重骨架，以提高剛度。 Ebel說：“將來，該零件可以由包覆成型的熱塑性模塑設計代替?！?“這消除了對有機片材進行切割，層壓和修整的需要。而且，不再需要橫梁，因為我們可以將其集成到拉擠型材中并進行包覆成型以實現(xiàn)儀表板設計。這種包覆成型的組件還將提供所有其他組件以及用于連接這些組件或電纜的螺釘和夾子的適配。 Ebel承認這將是一個巨大的設計更改，但它將降低成本并提高整個組件的效率。他指出，設計一種幾乎不浪費的工藝是可行的，因為可以將型材精確地切割成所需的長度，并且在這些步驟中或在包覆成型之前不進行熱成型時，不會損失碳纖維增強材料。布勒指出，座椅也是這種骨骼設計的主要候選者。 “復合材料通常是由織物或膠帶制成的板狀結(jié)構(gòu)，但是我們可以通過整合底部的輪廓并增加剛度來減小平坦區(qū)域的厚度?！彼赋?，拉擠輪廓并不是唯一的一個可以建立的。一種有效的UD產(chǎn)品，它也可以是很容易適應每個組件加載路徑的條形。 “作為一種額外的創(chuàng)新概念，這種骨架設計激發(fā)了許多公司訪問輕量級應用中心的公司，” Ebel說。興趣，我們的客戶認為這是有希望的。他解釋說，“輕量級應用中心”已經(jīng)具有設計能力，可以幫助公司整合其創(chuàng)新思想，例如為將來節(jié)省材料的組件提供新的概念空間。 “有許多應用程序可以使用類似的塊?！睋躏L玻璃框架的設計。 Bühler說：“這對于行業(yè)從準各向同性鋪裝向前邁進非常重要，因為這些鋪墊使碳纖維的大部分強度和剛度都留在桌子上。”相反，我們必須研究更有效的材料形式，僅在需要的地方使用每種材料，這是該行業(yè)的未來。 ”