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夹芯结构设计为轻量化工程带来巨大潜力

来源:荣格国际复材技术商情 发布时间:2019-09-02 494
塑料橡胶材料处理、计量与检测模具及零件原料及混合物其他其他添加剂及母粒塑料加工设备 技术前沿
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电动汽车的发展趋势促进了轻量化工程的进步:长期以来,轻量化工程一直是汽车行业的关注焦点。轻量化工程对车辆续航能力具有两方面的积极影响:第一是车辆越轻,其加速和克服摩擦阻力所需消耗的能量则就越少。第二是生产所需的原材料用量更少,这是汽车制造业可持续应用的又一积极贡献。

轻量化工程广泛应用于航空航天、风电,船舶建造和运动器材等诸多领域,甚至成为决定成功与否的先决条件。汽车行业轻量化工程面临的主要挑战与其说是材料成本,不如说是工艺成本。
 
针对轻量化需求,今天的设计师和工程师可以使用已经在大规模生产中成功应用的各种解决方案。
 
通过复合材料夹芯结构实现轻量化目标:
 
轻量化工程具有三种策略:
 
◆基于材料的轻量化策略;
 
◆基于设计的轻量化策略;
 
◆基于功能的轻量化策略。
 
复合材料夹芯设计可同时应用上述三种轻量化策略,从而实现显著的轻量化目标。
 
得益于复合材料即纤维增强塑料(FRP),特别是使用纤维基布/织物或单向纤维(UD)复合材料中所含的定向连续纤维,材料(纤维)的性能可以得到最大利用。
 
通过有计划地将特定的轻质纤维沿受力方向定向分布,从而最大限度地提升部件的性能和减轻其重量(基于材料的轻量化策略)。
 
图1表明纤维增强塑料(FRP)的性能(以及轻量化工程的潜力)随纤维长度和取向的优化而增强。定向连续纤维可提供最大的单位密度性能,甚至与基于金属材料的解决方案相比仍具有更强的轻质性能。
 
图1:各类纤维增强材料:定向连续纤维(纤维基布/织物或单向纤维(UD))提供优异的力学性能(挤制工艺)
 
图2表明如何利用夹芯板材设计,在不增加材料重量的条件下加强受弯曲应力板材的强度和硬度;或者在不影响强度/硬度的情况下大幅度地减轻重量(基于设计的轻量化策略)。夹芯材料增加了材料的静态高度(两个面板之间的距离),但并不会造成重量的显著增加。
 
图 2:在相同结构重量的条件下,夹芯结构具有更高的强度 / 硬度
 
当基于材料和设计的轻量化策略相结合时,则可实现大幅度减重,即采用纤维增强面板结合轻质硬性泡沫芯材的夹芯设计。
 
在汽车内饰或地板装饰等个性化应用中,通过功能的集成可进一步降低构件的重量。由于夹芯板材兼具隔热、隔音性能和出色的碰撞性能,因此可以省去额外的特定部件,从而进一步降低重量(和成本)(基于功能的轻量化策略)。
 
结构夹芯层非常轻,其硬质泡沫芯材密度仅约0.1kg/dm3(100kg/m3),与纤维增强塑料(FRP)面板的密度(1.5-2kg/dm3)相比,硬质泡沫芯材的重量完全可以忽略不计。图3表示密度为0.1kg/dm3的泡沫芯材(剪切模量约为25MPa)就足以提供最佳的夹芯层强度。
 
图 3:芯材密度增至 0.1 kg / dm3 以上很难提供额外的硬度优势
 
对于一个构件而言,仅要求其外层可承受高应力,以确保受弯曲应力影响的构件具备必要的强度和硬度,而允许其中间(芯部)部分使用性能较低的材料。因此,采用高强度和硬度面板结合轻质硬性泡沫芯材的夹芯结构是重量优化的合理解决方案。
 
图 4:在同等强度和硬度的条件下,夹芯结构的重量更轻,所需原材料成本更少。 夹芯结构的厚度(高度)更大
 
减轻重量和节省成本
 
夹芯结构设计允许使用硬质泡沫代替构件中心部位的高成本、高性能材料,而不会影响材料的强度和硬度。比如,采用物美价廉的PET泡沫材料替代EP或PU树脂以及玻璃/碳纤维,从而既节省了重量又节省了成本。
 
在大型全球市场中以成本效益著称并广受认可目前,轻质夹芯结构俨然成为许多细分市场的主导设计。如:风电转叶、船舶以及铁路、飞行器、卡车和公共汽车等领域的部件均应用了这种既轻质又低成本的技术制造而成。
 
基于广泛使用的连续玻璃纤维和聚酯树脂,上述解决方案在材料方面也极具成本效益。环氧树脂或PU树脂乃至碳纤则通常用于更苛刻要求的应用领域。
 
如今广泛应用的劳动和时间密集型制造工艺(手工层压、树脂真空灌注和预浸料)只适用于中小规模生产,并不适用于汽车行业常见的大规模生产。
 
在量产化汽车中的应用示例
 
夹芯板材在汽车行业的批量生产中已经有多种应用。表1列出了两种应用方案示例。
 
表 1:夹芯结构设计在量产化生产中的应用示例
 
 2:纤维增强塑料(FRP)夹芯结构生产工艺概述和评估
 
两类部件(汽车地板和内饰)应用连续玻璃纤维以提供卓越的成本效益。在这两种部件应用中,夹芯板材的主要优势均为减重,每个饰件减重幅度均可达40%。
 
与此同时,夹芯技术固有的其他优点比如碰撞性能和隔热保温性能也得到了验证。
 
夹芯板材的制造工艺
 
上表概述了各种传统纤维增强塑料(FRP)的生产工艺。高压-树脂传递模塑(HP-RTM)、热塑挤压、湿法挤压等都特别适用于汽车行业的批量生产,因为它们均可保证较短的生产周期。高压树脂传递模塑(HP-RTM)工艺适合复杂零件的加工,并能提供优质的表面质量。湿法挤压和高压树脂传递模塑(HP-RTM)允许使用高性能活性树脂,而普通热塑性树脂的特性仍然限制着热塑性部件特定的轻量化工程潜力。
 
高压树脂传递模塑(HP-RTM)工艺所面临的挑战
 
由于具有极高的生产周期优化潜力且允许使用高性能活性树脂,HP-RTM是一种极具发展前景的纤维增强塑料(FRP)制造工艺。然而,其工艺控制具有挑战性,特别是对于泡沫夹芯结构。
 
优化的真空管理对完善纤维润湿至关重要。高压有利于确保适当的纤维体积含量、表面质量和树脂流动速度(生产周期)。然而泡沫芯材仅可承受有限的流体静压。高温有利于低树脂粘度(树脂流量)和树脂固化时间,但是选择更高的压力,这对极具成本效益的芯材提出了挑战。
 
因此,需要优化树脂系统和HP-RTM工艺参数(树脂流量、模具温度和压力),从而在与夹芯结构相关的温度和压力限制的情况下,实现较短的生产周期。模具内部压力应始终低于泡沫芯材温度下泡沫的抗压强度(抗压强度随温度升高而降低)。
 
由于轻质硬性泡沫是一种良好的保温隔热材料,因而可具有极佳的加工性能:若在特定的时间范围内完成树脂注入,泡沫芯材因其绝热性能而具有较小的受热速度,那么则可选择更高的工艺压力,从而进一步缩短生产周期。参见图5说明。
 
图 5:HP-RTM 夹芯结构工艺的压力 - 时间关系图,该图显示了模具内部压力(左侧橙色和蓝色线)、树脂固化 / 100℃时的粘度(绿线) 和泡沫内部温度(深蓝色三角形)
 
若注塑时间短,则允许使用极具成本效益的硬质泡沫。
 
在该应用示例中,注塑时间为20秒左右(在图5中以灰色突出显示),在此期间达到最大压力。然后,树脂开始快速固化,在此过程中压力稳定下降。硬质泡沫在约60秒(模具温度100℃)时达到其软化点(TG),从而在注入过程中可以利用稍微受热的泡沫所具备的高抗压强度,并允许使用高成本效益的硬质泡沫。
 
基于泡沫芯材可压缩性的工艺控制
 
虽然如上所述,轻质泡沫芯材对HP-RTM工艺的加工范围提出了挑战,但它也带来了令人注目的工艺优势。比如,尽管存在某些材料和切割公差,仍可针对性地利用泡沫的可压缩性,在模具中实现恒定的最大高压。为此,可系统地注入少量过量的树脂,使泡沫以可控的方式被适当压缩。从而令模具内部压力可以可靠地达到(恒定的)芯材的抗压强度,进而获得受控的表面质量和纤维体积含量。
 
 
最佳的树脂选择EP和PU树脂非常适合用作HP-RTM工艺所需的快速固化活性树脂。PU树脂适用于夹芯材料结构,在同等成本的基础上使其结构具备更多优势。
 
比如,PU树脂可通过配制实现在相对较低的温度(比如70℃)下具有极小的粘度(参见图6),同时凭借其快速固化特性实现快速固化。低粘度在碳纤维加工工艺中仍是一大优势。
 
图6:Loctite Max 2在70℃模具温度下的固化性能示意图。该图显示, 在固化开始之前的时间段内,其特征表现为低粘度(如虚线所示)。 可以通过促进剂用量来调节其反应强度,从而调节生产周期。即使在模具温度较低(60-70℃)的条件下,仍可实现快速固化。
 
得益于该特性,可将模具压力和温度保持在较低水平,并且在非常短的时间(30秒)内完成固化,从而可使用成本效益较高的泡沫芯材、模具和压机。
 
复合材料夹芯结构成为显著降低汽车重量的首选
 
该研究表明,具有挑战性的HP-RTM工艺除适用于湿法挤压和热压加工外,也适用于复合材料夹芯结构的生产。利用聚氨酯树脂(PU)和高压树脂传递模塑(HP-RTM)工艺进行大规模夹芯材料的生产,由于即使在较低的温度下其粘度极低,固化速度也极快,因此具有广阔的应用前景。在60-70℃的温度范围内,可实现10-30秒的注入时间,从而将总加工时间控制在3分钟左右。
 
这些工艺参数还允许使用具有成本效益的低密度(0.1~0.2kg/dm3)硬质泡沫。因此,复合材料夹芯结构技术满足汽车行业轻量化的要求,在汽车行业轻量化工程方面具备巨大潜力。
 
更多信息请访问:
 
www.3ACcorematerials.com
 
www.composite-lab.com
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