碳纤维汽车零件制造过程

2015-7-22 16:05| 发布者: 安丰贞| 查看: 2061| 评论: 0|来自: 译言网

摘要: 宝马公司怎样为宝马7系汽车碳纤维零件制造方式：先编织，再烘烤，最后加工成型

宝马公司怎样为宝马7系汽车碳纤维零件制造方式：先编织，再烘烤，最后加工成型

        宝马公司使用碳纤维加固新款宝马7系汽车的驾驶室，宝马公司此举是为了改善宝马7系汽车的安全性并将宝马7系汽车打造成世界最好最安全的高端汽车，从而拉大梅赛德斯奔驰和奥迪品牌汽车与其的差距。宝马公司在技术方面和物流方面都取得了成功，碳纤维的制造过程依次在日本、美国华盛顿州和德国的四家工厂完成。宝马公司使用“碳核”来描述包裹车厢的安全支架，该安全支架使用碳纤维强化朔料、铝材和高强度钢材制造。

       （车厢），即便对于一款定于今年秋季发售且销售基价8万美元的汽车而言，采用全碳纤维车身也是过于昂贵。宝马7系汽车车身使用金属铝材制造，已经很坚固了，宝马公司还是使用碳纤维强化朔料在车身的关键部位进行了加固。车身加固的15个包括风挡上部、门槛、传动轴盖板，车顶前后加强管和左右加强管、前后车门之间的B柱、C柱和后置物板。宝马公司相信多种先进技术运用到了宝马7系汽车上，碳纤维就是其中之一（其他技术我们将在后续帖子里介绍）。

       日本化工材料和美国水电是制造碳纤维的必要条件

       多家供应商为宝马公司提供化学材料、碳纤维、将碳纤维编制成垫状材料，最终使其成为超强汽车零件，被安装到宝马7系、宝马i3城市用车和宝马i8插电式混合动力跑车上。碳纤维强化朔料的加工工艺既涉及化工技术也涉及机械技术。在日本大竹，大竹三菱丽阳公司和碳纤维制造厂商德国西格里集团（被称为MRC SGL Precursor Co. Ltd，简称MSP）成了一家合资公司，该合资公司生产聚丙烯腈纤维，是一种又被成为原丝的热朔性朔料。聚丙烯腈纤维是一串被碳原子束缚在一起的有机分子，并形成一条线轴。同样的聚丙烯腈纤维化合物能制成衣物，所有包含丙烯酸的物质（又被成为奥纶，杜邦公司对其的命名）都属于聚丙烯腈。

       聚丙烯腈纤维随后被喷气运输机运到太平洋对岸的美国，在此才最终被加工成碳纤维。抵达美国后，聚丙烯腈被运至华盛顿州摩西湖市的西格里汽车碳纤维公司的加热炉里，摩西湖位于西雅图以东200英里处，拥有丰富的廉价水电能源。（西格里汽车碳纤维公司也是宝马公司和西格里公司联合设立的合资公司。）西格里汽车碳纤维公司完成制造碳纤维两个生产阶段的第一阶段，被称为稳定/氧化阶段，聚丙烯腈纤维被放入火炉，炉内温度为200-300摄氏度（390-590华氏度），放置时间为一小时左右，让聚丙烯腈吸取空气里的氧气。经过这样的处理后，聚丙烯腈纤维很难被点燃或熔化。

       第二阶段被称为碳化阶段，属于高温加工，加工温度高达1000-3000°C（约1830至5500°F）。密封炉内没有任何氧气，聚丙烯腈纤维的非碳原子被大量去除，碳原子会自动地围绕着纤维的长轴心形成致密的碳素晶体。加工后的纤维的碳含量高达95%，因此人们可以猜到，他们的颜色是黑色的。这些纤维表面还要经过特殊处理，以确保他们与树脂和环氧树脂结合良好。进行特殊处理是还被要求进行无害化处理，不能将有毒废气排入大气。

       摩西湖的西格里汽车碳纤维公司拥有六条生产线，年产量能达到9千吨碳纤维，是世界规模最大的碳纤维制造厂商。波音公司大规模采用碳纤维来制造波音787飞机（机身、机翼），但波音公司每月的飞机制造数量为10架，宝马公司每月制造的宝马7系汽车的预计数量却为5千。

       在西北太平洋海岸的西格里汽车碳纤维公司加工完毕后，碳纤维材料又被空运至德国南部的瓦克斯多夫（Wackersdorf）工厂，位于的宝马公司慕尼黑总部以北100英里处。瓦克斯多夫（Wackersdorf）工厂也是宝马公司和西格里集团联合成立的合资企业。瓦克斯多夫工厂将碳纤维编织成碳纤维层。随后，碳纤维层被送到宝马公司分别设在德国境内的兰茨胡特、莱比锡城、和丁格芬的工厂，在这几家工厂，碳纤维层被切割，层叠，对正，成型，随后铸模成高强度的碳纤维强化朔料汽车零件。

       汽车零件制造的取胜之道：慢而稳

       在今年六月，几份技术简报介绍了新款宝马7系汽车，宝马公司对外开放了丁格芬工厂，该工厂离慕尼黑有一个小时是车程，参观者在此能看到碳纤维层加工单最后步骤：被制成汽车零件。碳纤维层被切割为成品尺寸，放入压力机里，注入树脂，在保持压缩状态下，烘烤数分钟。上图就是碳纤维制造的门槛，能让汽车的两侧抵抗来自侧面撞击，防止车身向内弯曲。

       最引人注意的是汽车B柱（右上图），就是途中前面和后门之间的侧柱。汽车B柱是一个三明治结构，碳纤维处于最中间，两侧为金属。对汽车B柱烘烤时要特别注意，因为对碳纤维强化朔料零件进行烘烤固化的温度接近让热处理后的金属冲压件弱化的温度。在最后安装阶段，一些碳纤维强化朔料零件被粘到金属车身上，而另一些被螺栓固定在车身内。与汽车A柱平行的碳纤维连接管、车顶轮廓线和C柱（下图中的黑色元件）被安装在槽钢内。

       在丁格芬工厂的固化压力机的一面墙上，悬挂着各种汽车零件样品，参观者被邀请来尝试弄弯这些碳纤维强化朔料零件和已经被他们取代的金属冲压零件。金属冲压零件有足够的强度；在世界各地，但汽车受到冲撞时，汽车金属零件会发生严重的弯曲变形，而碳纤维强化朔料零件很少发生弯曲或变形，他们只会保持原来的形状。人类弄弯碳纤维强化朔料零件的难度与其能承受的冲击力量有什么联系，还没有完全弄清楚，但钢质零件和碳纤维强化朔料零件的区别显而易见。

       时间、资金、工艺管控

       对于一个参观者而言，丁格芬工厂的最后几道加工过程与采用机械压力机冲压金属面板零件的加工方法完全不同，机械压力机每分钟能冲压出几件零件，而一件碳纤维强化朔料零件的加工过程就需要几分钟——机器人以逃芭蕾舞般的动作将一件准备好的碳纤维织物从托盘移出，放入压力机，压力机对碳纤维织物进行挤压和固化，随后加工好的零件从压力机内喷出。碳纤维强化朔料零件加工线没有什么噪音，而机械压力机的冲压声却是震耳欲聋。丁格芬工厂的压力机设备占地很大，与摩西湖西格里汽车碳纤维公司的加热炉完全不同。

       在丁格芬工厂，每隔一会儿，有一个工人会暂停压力机的运行，以便用手摆正一个工件或在其不能自动从压力机弹出时，用手将其从压力机里拿出来。丁格芬工厂工厂的加工线还不是全自动生产线。宝马公司肯定对碳纤维强化朔料零件加工工艺进行了保密，以便保持技术的先进性。从现在到2016年年底，宝马公司为了制造宝马7系汽车，需要近百万件碳纤维零件；再加上宝马5系和3系汽车及其SUV，宝马公司一年需要的碳纤维强化朔料零件的数量是1至2千万。

       当前，所有汽车制造厂商均能为顾客提供自适应巡航控制系统、盲点监测系统和车道偏离报警系统，这些系统在十年前只配置自在价格最贵的汽车上。宝马公司掌握了一项其他竞争对手还没有的技术，他们无法无法制造出一款“接近宝马品质”的汽车，从而以低价来冲击高端汽车市场。

       未来汽车里的碳纤维

       同样的一个零件，采用碳纤维制造的价格是采用钢材的八倍，在过去的十年里，采用钢材为每磅1美元，大幅降低了成本比率，而采用碳纤维，成本比率为每磅30美元。汽车行业打算将碳纤维强化朔料零件的成本降至每磅5美元，碳纤维强化朔料曾只被用来制作高档跑车的发动机盖和车身顶棚，或者像后视镜、仪表盘面板这样的展示部件。

       已经有研究人员着手研究进一步提高年生产率的方法来降低碳纤维强化朔料零件的成本。现在，很多碳纤维强化朔料零件的（最后的）精加工的时间为一分钟或两分钟，以前曾需要半小时。如果压力机每三分钟就能制造一个碳纤维强化朔料零件（包括安装、冲压/固化、移出过程），一个班次的一年时间能制造四万个，如果压力机全天三班倒，全年不停歇，一年的总产量就能达到17.5万件。

       研究人员正在研究使用聚乙烯材料来制造汽车零件，聚乙烯材料的成本能低于聚丙烯腈材料30%，原因是聚乙烯材料在最初（加热炉）生产阶段消耗的能源较少。这将让碳纤维强化朔料零件成为汽车的主流零件。

       所有美国汽车制造厂商也正在研制碳纤维并组成产业联盟。美国汽车制造厂商还在研制与碳纤维和铝材类似的复合材料。雪佛兰Spark电动汽车的电池盒使用玻璃纤维加强乙烯酯制造，这是雪佛兰公司使用镁质材料制造复杂零件遇到困难而最终期限即将到来的时候，雪佛兰公司使用玻璃纤维加强乙烯酯研制出来的产品。

       宝马公司原来使用碳纤维制造宝马M3汽车的发动机盖和车顶这样的扁平零件，现在宝马公司将碳纤维的用途扩展至制造宝马i3电动汽车/插电式混合动力汽车和宝马i8汽车的车厢支架，甚至宝马7系的碳芯元件。有报道称宝马公司打算使用碳纤维零件制造中型宝马5汽车和宝马3系汽车。如果宝马3系和7系汽车能使用碳纤维零件的地方都安装碳纤维零件,碳纤维强化朔料零件的产量就增加十倍，仅宝马3系汽车的年销量就超过了50万辆。如果宝马公司设法扩大碳纤维在其他型号宝马汽车里的运用，将带来安全方面的优势，在销售方面，碳纤维零件也是一个卖点，这是宝马汽车与众不同的特点。

       http://www.extremetech.com/extreme/209812-how-bmw-weaves-bakes-and-builds-the-carbon-fiber-7-series