波兰-德国车轮制造商Fibratech正在进行电动汽车用碳纤维车轮的低成本化制造从而为汽车提供铝车轮真正的大规模替代品为成为最大的一级车轮供应商之一铺平道路。

自20世纪60年代初锻造铝车轮应用于乘用车领域以来该行业的重量没有明显的减轻。众所周知复合材料为进一步减轻车轮重量提供了最大的潜力。此外只有少数公司已经使用高压釜甚至RTM技术开发出安全测试的碳纤维轮辋。

碳纤维复合材料

轻量化材料在汽车行业的应用前景汽车行业一直在探索轻量化的方法降低车辆的整体重量提高燃油效率和续航里程同时还能提高车辆的安全性能。而碳纤维复合材料作为一种轻量化材料可以为汽车带来许多好处和优势。他的名字叫碳纤维复合材料。

与传统的钢结构相比碳纤维复合材料可以减轻车身重量40%-50%与铝结构相比可以减轻20%-30%。此外碳纤维复合材料的比强度是钢的七八倍是铝的三四倍比刚度是钢和铝的二三倍。在安全性方面碳纤维复合材料具备高强抗冲击性和极佳的能量吸收能力比金属材料高四五倍可以非常好地改善汽车的安全性能。

同时碳纤维复合材料的抗拉强度比钢和铝高疲劳强度可达到70%-80%并具有优异的抗疲劳性和耐腐蚀性能可以延长车身寿命。此外碳纤维复合材料的吸振能力和振动阻尼性能较高比轻合金需要的时间更短。

“贵族”用料碳纤维汽车应用却不受欢迎

首先碳纤维复合材料的成本相比传统材料仍然较高。生产过程中的原材料和工艺都需要较高的成本投入。

其次与传统材料相比碳纤维复合材料的设计和制造难度较大需要更高的技术和专业知识。这也意味着需要更多的时间和成本投入来进行研发和生产从而增加了制造成本。

此外碳纤维复合材料的生产过程需要更多的能源消耗对环境也会产生一定的影响。

然而尽管碳纤维复合材料的成本还较高但随着技术的不断发展和生产工艺的不断优化其成本也在不断下降。同时汽车行业对于环保和轻量化的要求也在不断提高这会催生碳纤维复合材料在汽车行业的应用。因此对于汽车企业而言应该加大对于碳纤维复合材料技术的研发和投入提高研发水平和生产效率从而实现碳纤维复合材料在汽车行业的量产化应用。总之碳纤维复合材料作为一种轻量化材料在汽车行业具有广泛的应用前景。

虽然目前汽车行业对于其量产化应用还存在一些限制但随着技术的不断发展和生产成本的降低相信碳纤维复合材料在汽车行业的应用会越来越广泛为汽车行业的发展带来更多的机遇和挑战。

Fibratech于2017年由空客集团的两位工程师Michael Sobolewski和Claus Georg Bayreuther创立。他们确定了一个崇高的目标即开发一种每一位汽车用户都能使用的碳纤维车轮技术。该公司强调了这一挑战的独特性旨在提供车轮重量和成本之间的平衡。为了实现这一目标这家初创公司必须专注于轮辋的两个主要成本组成部分材料成本和劳动力成本。

使碳纤维车轮的成本下降37%

材料成本

首要成本即材料的成本包括夹层泡沫、树脂系统和碳纤维材料。经过几次测试Fibratech决定使用Rohacell作为唯一能够承受苛刻注射和热加工条件在RTM注射和使用期间的材料。为了降低材料成本该团队开发了一种特殊技术该技术基于对一大块未加工的泡沫进行切片和成型。这种方法有助于降低成本但也提供了车轮设计的自由度确保使用更高的泡沫体积

对于热量和强度要求较低的应用但仍必须维持非常硬的车轮使用条件Fibratech使用一种名为Rohacryl的新型材料这种材料可用于大众运输或商用车辆包括货车和电动货车等送货卡车。

关于环氧树脂体系车轮是一种对热要求很高的部件必须承受高达200°C的温度。这种温度可能出现在车辆的快速制动过程中这会由于摩擦而产生较高的制动盘温度。Fibratech根据Evonik和日本Kaneka子部件制备了自己的配方提供了所需的极限强度、疲劳和冲击性能上述性能对此类悬架元件非常重要。这种独特的环氧树脂体系具有很高的机械性能和热性能。而碳纤维成本的进一步潜在降低可能与生产规模有关

劳动力成本

劳动力成本是碳纤维车轮成本的另外一个关键组成部分可分为以下几个阶段碳纤维的预成型、精加工和涂层。由于车轮形状通常相当复杂因此Fibratech专注于难以用使用铸铝技术制造的空气动力学形状结构并由于积极的气流影响而进一步降低能耗

Fibratech技术的预成型阶段使用独特、易于自动化的工艺包括1、严格按照模具形状对编织材料进行振动冲压2、轮筒区域的缠绕3、针织4、刺绣5、量身定制的纤维铺放。

后面三项技术来源于非复合材料部门但确实纺织行业高度自动化的技术Fibratech使用了许多快速且可重复的解决方案以更自主的方式使车轮更轻。

在树脂注射和脱模结束之后车轮必须通过简单的数控加工完成。

在碳纤维车轮的最后一个制造步骤中Fibratech使用了基于粉末涂层技术的涂层方法。得益于与Farco铝车轮涂料供应商的合作这些涂层具有恒定的厚度无需进行苛刻的表面处理。

上述技术使Fibratech大幅降低了CFRP车轮的制造成本每个车轮约为600欧元即成本降低了约37%。降低成本并不是Fibretech技术的唯一优势。对于具有航空航天背景的创始人来说创造一种能够提高运输安全的产品和生产技术是极其重要的。通过与慕尼黑TÜV SÜD集团为期5年的合作Fibratech对CFRP车轮进行了全面的测试展示了其在日常使用中的高安全性和耐用性。

发展前景

碳纤维车轮为汽车用户提供了众所周知的好处包括如下方面

大幅减轻重量

惯性矩显著降低

能耗更低

增加了行驶里程

制动距离更短

提高了车辆性能

高阻尼系数降低噪音水平。

基于这些优势Fibratech团队计划确保碳纤维车轮技术在我们的日常生活中广泛使用。该公司希望重新定义CFRP车轮客户的共同形象他们不必仅仅是超级跑车或赛车运动的用户。在当前电动化时代的浪潮中Fibratech旨在为普通汽车用户提供他们应得的产品更好、更容易、更安全、更舒适的交通并由成本效益高的碳纤维车轮来保证。

近几年碳纤维复合材料在车轮上的应用案例

1、在2014美国JEC复合材料及新材料展上奥地利Mubea Carbo Tech公司带来了其最新研究成果——碳纤维复合材料车。该新型车轮采用碳纤维复合材料及铝制金属生产而成。车轮外边缘统一采用碳纤维增强型塑料其中心部位则采用铝制材料。

2、福特新一代野马Shelby GT350R配备了碳纤维轮毂。其重量仅为8.6kg而一般铝合金轮毂重量要达到15kg。

3、瑞典柯尼赛格的Agera R车型搭载了世界上第一个中空、一片式、超级轻量化的碳纤维轮毂整个轮毂上除了轮胎气门嘴其余部件均为碳纤维打造。在降低约20kg的簧下质量的同时还保证了坚固和安全。

4、BMW M4 GTS采用轮圈肋条背面经过镀瓷高硬度处理的M Carbon Compund Wheels碳纤轮圈。相较于M4 GTS标配的M版666M锻造式样同样是前9.5J×19、后10.5J×20规格采用用这款以碳纤混合锻造铝合金材质的M Carbon Compund Wheels重量减轻7kg之多。M Carbon Compund Wheels不但可明显降低簧下荷重、提高可耐衝撞系数同时也提高整体对煞车热源的散热效果

5、国内的北京航空航天大学、北京纳盛通新材料科技有限公司等单位针对新能源纯电动汽车的轻量化需求研究开发了长碳纤维增强热塑性树脂基复合材料LCFT车轮相比汽车铝车轮可大幅减重40-60wt%。尺寸精度更高抗疲劳、抗蠕变、耐热、耐环境性能等性能更加优异生产效率更高、成本更低且具有环保、可回收与循环使用其对新能源电动汽车的发展有重要推动作用。

6、Bucci Composites SpA意大利法恩扎为英国汽车制造商Bentley的Bentayga SUV开发22英寸全碳纤维车轮。据说这是有史以来最大的全碳纤维车轮它是通过高压RTMHP-RTM制造的每个车轮可减轻6公斤的重量。

文章来源： 钱 鑫 博士，归属mkTN，汽车材料网