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德國碳纖維復合材料聯盟（Carbon Composites e.V.，CCeV）是一家由企業和研究所組成的聯合機構，其成員遍布高性能纖維增強復合材料的整條產業鏈。該聯盟下設多個分支機構，MAI Carbon是其中之一。2012年1月19日經獨立評審團評審，MAI Carbon通過了德國聯邦教育及研究部（BMBF）前沿技術產業集群的第三輪選拔，成為五大前沿技術產業集群之一，位于慕尼黑、奧格斯堡和英戈爾施塔特三角區，計劃到2020年形成碳纖維復合材料的規模化產業集群。為了實現這一目標，MAI Carbon成員企業開展的聯合研發項目圍繞復合材料部件全生命周期，內容涉及樹脂纖維原材料、零部件制造及材料回收等全產業鏈各環節。
MAI Carbon機構由奧迪、寶馬、Premium Aerotec、空客直升機、Voith、SGL，以及IHK Swabia、德國碳纖維復合材料研究所（LCC）、慕尼黑工業大學等創立，目前擁有超過120家會員單位。2012年以來，該機構成員間的聯合研發項目多達39項，資助金額從幾十萬歐元到幾百萬歐元不等。
今天，小編帶您了解一下MAI Carbon一項名為“MAI Skelett”的示范項目。該項目是復合材料制造商在尋求降低部件成本道路上的一次全新嘗試。研究者通過不斷努力，混合使用多種材料，將“合適的材料用于合適的部位”，同時最大程度地滿足了規模生產對自動化和功能一體化的需求。
項目簡介
MAI Skelett項目獲得了德國聯邦教育及研究部（BMBF）190萬歐元的資助，為期17個月，由寶馬公司主持實施，合作企業包括P+Z Engineering公司、SGL Automotive Carbon Fibers公司、CirComp公司和Eckerle公司。該項目針對擋風玻璃上方、兩個A柱之間的擋風玻璃橫向框架結構開展研發工作，并形成產品和工藝示范。其設計以現有的寶馬i3車型為基礎，遵從該車型設計的所有功能和結構要求。目標部件不僅是車頂橫向框架結構件，提供了良好的剛度（能夠有效降低NVH：噪音、振動和粗糙度）、強度（幫助車頂件在壓縮實驗中滿足撞擊要求），同時可用于遮陽板、裝飾件、照明線等內飾件的固定，以及為擋風玻璃、天窗和車頂外面板提供連接支持。
該項目首次提出“骨架”設計理念，采用單向碳纖維增強復合材料及拉擠成型工藝，經熱成型-復合模塑（overmolding）兩步法，在75秒內生產出結構件，超越了前期各版本部件的工藝要求，實現了熱塑性復合材料在白車身結構中的規模化應用。另外，該項目提高了白車身部件的殘余應力，將其斷裂方式從脆性斷裂變為韌性斷裂，從而改善了部件的碰撞行為。采用“骨架”設計的擋風玻璃框架彎折處有4根單向碳纖維增強復合材料拉擠棒，經復合模壓工藝封裝于部件內。4根拉擠棒中 ，兩根靠近零件底部，兩根靠近頂部，不在同一平面內，便于為部件提供扭轉剛度和復雜形狀的功能附件。
材料選擇
項目采用價格相對較低的大絲束碳纖維為增強材料。由于50k大絲束碳纖維單絲排列緊密，樹脂浸潤非常困難。因此，需要結合纖維展寬技術對纖維導向進行優化，才能達到理想的預浸效果，同時保證了50%左右的高纖維體積含量。SGL掌握了這一技術，并將拉擠型材列入了其“熱塑性產品備選箱”。
除了增強纖維，項目同樣考察了不同種類的PA6樹脂，以確保其粘度和流變特性能夠對拉擠速率和產品質量進行優化。SGL的“熱塑性產品備選箱”為項目提供了多種備選材料，包括碳纖維單向帶、有機板、不同長度的短切纖維，以及單向碳纖維增強拉擠件。以上材料均采用SIGRAFIL 50k 碳纖維，以及適用于聚丙烯、聚酰胺等熱塑性樹脂基體的上漿劑。而聚酰胺類熱塑性樹脂的種類很多，包括PA6、PA66、PA12以及PPA中的部分類型都可以作為候選材料。有些PA6甚至可以在模壓過程中通過反應原位獲得。
熱成型和復合模塑工藝
MAI Skelett項目最初選用的材料體系為碳纖維增強PA6復合材料。隨后，研究人員對材料組分進行了調整，使材料能夠適應部件形狀及不同部位承載載荷的需要。選擇熱成型工藝主要考慮了碳纖維需在盡量直的情況下才能表現出高強度和高剛度，因此，拉擠棒材在樹脂基體流動方向上被拉伸，其端頭則進行彎折和展寬處理。
第二步，需將熱成型后的拉擠棒材置于紅外加熱器之下，并在50秒內將其加熱至指定溫度，隨后用機械臂將其轉移至注塑模具中。短切纖維樹脂糊經復合模塑工藝注塑于型材之上或其周圍。復合模塑環節對模具和工藝過程的精度要求極高，這樣方能確保熱壓后的拉擠棒材位置保持不變。
拉擠棒材熱成型和復合模塑兩步工藝的總周期約為75秒。由于熱塑性樹脂基體能夠在復合模塑工藝之前重熔，因此，熱壓處理后的拉擠棒材能夠在極短時間內完成部件的最終塑形 ，并與二次注塑材料連接為一體。熱塑性樹脂的這一特點甚至可使其與金屬部件形成連接。同時，熱塑性樹脂基復合材料的熱成型和注塑工藝同樣能夠獲得產品質量的一致性和工藝過程的可控性，這對于規模化生產至關重要。
韌性斷裂
能與玻璃纖維和碳纖維樹脂糊相容的PPA和PA6樹脂基拉擠型材部件韌性更佳，斷裂模式也為韌性斷裂。盡管韌性斷裂模式的獲得損失了擋風玻璃框架所能傳遞的部分載荷，但這卻顯著提高了白車身的結構完整性和綜合使用性能。
盡管在項目結題報告中，寶馬公司并未具體指出其傾向的材料組合，但報告總結稱，最終的模擬和測試結果表明，“骨架”結構超越了單純的碳纖維增強復合材料部件除扭轉剛度以外所有的性能指標，而扭轉剛度對于擋風玻璃框架來說并非關鍵數據。與普通的碳纖維復合材料部件相比，“骨架”結構部件碰撞過程的載荷水平和能量吸收水平都更為優異。同時，該部件具有韌性斷裂模式，不但進一步提高了復合材料結構的碰撞斷裂性能，還明確了其斷裂行為與白車身整體結構間的關系。
“骨架”設計的未來應用
在結題報告中，寶馬公司稱將“骨架”設計理念應用于另外6個汽車部件時，同樣能夠顯著降低生產成本、原材料成本和工裝成本。SGL公司也建議將該技術應用于汽車及航空座椅、儀表盤、機器手臂、X光工作臺等領域。
對“骨架”設計理念的研究并未止步，在隨后開展的研發項目MAI Multiskelett中，該設計方法被擴展到了多軸向應力部件，重點研究了軸承部件和拉擠型材的連接部分，特別是有多條載荷路徑交叉的大型結構件。此處暫不贅述。
“骨架”理念設計的擋風玻璃橫向框架結構件，采用拉擠工藝和復合模塑工藝，有效縮短了工藝周期、減少了材料浪費，詮釋了碳纖維在單向載荷結構件上的有效利用方式，是下一代碳纖維增強復合材料設計和規模化生產的典型示范。同時，將其他部件產生的碳纖維邊角料用于制作復合模塑工藝所需的樹脂糊，能夠有效提高部件的功能性和使用性能，是提高復合材料可持續性的有效方法。
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