CFRP zur Leichtbau- und Wirtschaftlichkeitsanalyse von neuen Personenkraftfahrzeugen

Kohlefaser wird im Allgemeinen mit Epoxidharz kombiniert, um ein Verbundmaterial zu bilden. Dieses Verbundmaterial erbt eine Reihe von Vorteilen, wie höhere spezifische Festigkeit, spezifischen Modul, Ermüdungsfestigkeit und Stoßfestigkeit der Kohlenstoffaser selbst. Zur gleichen Zeit erbt es Epoxy. Die Harzformulierung ist flexibel und vielseitig und ihre Anwendung ist sehr zielgerichtet. Verglichen mit Strukturelementen aus Aluminiumlegierung kann der Gewichtsreduktionseffekt von Kohlefaserverbundwerkstoffen 20% bis 40% erreichen. Im Vergleich zu Stahlmetallbauteilen kann der Gewichtsreduktionseffekt von Kohlefaserverbundwerkstoffen sogar 60% bis 80% erreichen. Die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen verringert nicht nur die Fahrzeuggesamtqualität, sondern beeinflusst und verändert auch den Automobilherstellungsprozess in gewissem Maße.

1 Prozesstyp

Kohlefaserverstärkte Polymere (CFRP) bezieht sich auf einen Verbundstoff aus Kohlenstoffasern als verstärkende Phase und einem thermoplastischen oder duroplastischen Harzmaterial. Die Herstellungstechnologie von CFK-Verbundwerkstoffen umfasst hauptsächlich Prepreg-Formungs- und Flüssigformungsverfahren. Der Vergleich und die Analyse der Verfahrenstypen von kohlenstofffaserverstärkten Polymermatrix-Verbundwerkstoffen sind in Tabelle 1 gezeigt.

2 Automobilmontage- und Montagetechnik

Die kombinierte Montage von Automobilverbundbauteilen und die Verbindung zwischen Verbundbauteilen und Metallteilen ist ein unvermeidbares Problem. Das Verbundmaterial ist anisotrop, mit geringer interlaminarer Festigkeit und geringer Duktilität, was das Design und die Analyse der Verbindungen von Verbundwerkstoffen viel komplexer als Metalle macht. Die Verbindung zwischen traditionellen Metallteilen in der Automobilindustrie ist nicht für Verbundwerkstoffe geeignet. Daher ist es entscheidend, die Art und Weise zu verstehen und zu verbessern, in der Verbundwerkstoffe für Fahrzeuge verbunden und fixiert werden, und vernünftige Entscheidungen zu treffen.

Aufgrund der Kontinuität der durch die Öffnungen gebrochenen Fasern werden lokale Spannungskonzentrationen verursacht. Die Verbindungen von Verbundmaterialien sind normalerweise das schwächste Glied in der gesamten Struktur. Daher ist es entscheidend, die Festigkeit von Verbindungen in der Konstruktion von Verbundwerkstoffen zu gewährleisten. Verbundmaterialien werden in drei Hauptkategorien unterteilt, nämlich Klebeverbindungen, mechanische Verbindungen und Hybridverbindungen zwischen den beiden. Für thermoplastische Verbundwerkstoffe gibt es Schweißtechniken. Das Design der Verbundwerkstoff-Verbindungstechnik muss entsprechend den spezifischen Einsatzbedingungen und Designanforderungen der Komponenten festgelegt werden.

2.1 Klebeverbindung

Verglichen mit der mechanischen Verbindung sind die Hauptvorteile der Verbindungstechnologie die Spannungskonzentration, die durch keine Öffnungen verursacht wird, eine reduzierte Strukturqualität, Ermüdungsbeständigkeit, gute Vibrations- und Isolierungseigenschaften, glattes Aussehen, einfacher Verbindungsprozess und keine elektrochemischen Korrosionsprobleme. Es gibt jedoch einige Unzulänglichkeiten in der Verbindungstechnologie, wie z. B. schwierige Kontrolle der Verbindungsqualität, relativ große Dispergierbarkeit der Verbindungsfestigkeit, Mangel an zuverlässigen Inspektionsverfahren und strenge Anforderungen an die Oberflächenbehandlung und das Verbinden der Verbindungsoberflächen. Für Kohlefaser-Verbundkörper ist die Verbindung die Hauptverbindung.

2.2 Mechanische Verbindung

Mechanische Verbindung ist in der Regel verwendet Nieten und Bolzen, ist die am häufigsten verwendete Verbindung. Der Hauptvorteil der mechanischen Verbindung ist die hohe Zuverlässigkeit der Verbindung, die während der Wartung oder des Austauschs wiederholt demontiert und montiert werden kann, keine Oberflächenbehandlung benötigt und relativ geringe Auswirkungen auf die Umwelt hat. Der Hauptnachteil mechanischer Verbindungen ist die Zunahme der Masse, der Spannungskonzentration und der elektrochemischen Korrosion von Metallen und Verbundwerkstoffen. Der Vergleich von Nietverbindungen und Schraubenverbindungen ist in Abbildung 1 dargestellt.

2.3 Hybridverbindung

Um die Sicherheit und Integrität der Verbindung zu verbessern, wird an einigen wichtigen Verbindungsstellen üblicherweise ein Hybridverbindungsverfahren zum Verbinden und mechanischen Verbinden gleichzeitig angewendet, und die Vorteile der beiden Verbindungsverfahren werden vollständig ausgenutzt, um sicherzustellen, dass Verbindungsstelle hat ausreichende Stärke und hohe Zuverlässigkeit.

2.4 Schweißen

Schweißtechnik wird hauptsächlich bei thermoplastischen Verbundteilen angewendet. Das Grundprinzip besteht darin, das Harz auf der Oberfläche des geschmolzenen thermoplastischen Verbundstoffs aufzuheizen und dann die Presse zu überlappen, um sie zu integrieren. Schweißen umfasst hauptsächlich Ultraschallschweißen, elektrisches Induktionsschweißen und Widerstandsschweißen. Die Vorteile des Schweißens sind eine gute Verbindung und ein kurzer Zyklus, keine Oberflächenbehandlung, hohe Verbindungsfestigkeit, geringe Spannung usw .; Die Unzulänglichkeiten sind schwer zu zerlegen und müssen leitfähige Materialien oder Metalldrähte hinzufügen. Zusätzlich kann während des Formens des Verbundstrukturelements der Metallverbinder in die Faservorform eingebettet werden, und das Verbundmaterial und das Metalleinbauteil können nach dem Formen integriert werden, und die Verbundteile können durch das Metalleinbauteil verbunden werden Machining Schaden Verbundwerkstoffe zu vermeiden.

3 Anwendungsvorteile für die Automobilindustrie

Bei der Auswahl von Automobilwerkstoffen sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, z. B. mechanische Eigenschaften, geringes Gewicht, Materialstabilität, Materialgestaltungsfähigkeit und Verarbeitbarkeit. Jeder dieser Faktoren wird einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf das Design, die Produktion, den Verkauf und die Verwendung von Automobilen haben. In den letzten Jahren wurde Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) zu einem neuen Automobilwerkstoff, der aufgrund seiner einzigartigen Leistungsmerkmale Aufmerksamkeit erregte. Verglichen mit anderen Automobilwerkstoffen weisen kohlenstofffaserverstärkte Polymermatrixverbundstoffe die folgenden Vorteile auf.

3.1 Ausgezeichnete mechanische Eigenschaften

Die Dichte von kohlenstofffaserverstärkten Harzmatrix-Verbundwerkstoffen (CFRP) für Fahrzeuge beträgt 1,5 bis 2 g / cm 3, was nur 1/4 bis 1/5 von herkömmlichem Kohlenstoffstahl ist, und ist etwa 1/3 leichter als Aluminiumlegierung, aber der Kohlenstoff Faserverbundwerkstoff Die umfassenden mechanischen Eigenschaften sind offensichtlich besser als bei Metallwerkstoffen, und ihre Zugfestigkeit ist 3- bis 4-mal so hoch wie die von Stahl. Die Ermüdungsfestigkeit von Stahl und Aluminium beträgt 30% bis 50% der Zugfestigkeit und CFK kann 70% bis 80% erreichen. Zur gleichen Zeit, CFRP hat auch bessere Schwingungsdämpfung Eigenschaften als Leichtmetalle, wie Leichtmetalllegierung erfordert 9s, um die Vibration zu stoppen, Das Kohlefaser-Verbundmaterial 2s kann gestoppt werden und hat höhere spezifische Festigkeit und spezifischen Modul.

3.2 Designbar

Das Design des Kohlenstofffaserverbundmaterials ist stark, und das Matrixmaterial kann gemäß den Leistungsanforderungen vernünftig ausgewählt werden, die Anordnung der Fasern kann entworfen werden und die Struktur des Verbundmaterials und das Produktdesign können flexibel ausgeführt werden. Zum Beispiel kann durch Anordnen der Kohlenstoffasern in der Richtung der Kraft die Anisotropie der Festigkeit des Verbundmaterials vollständig ausgeübt werden, wodurch der Zweck der Materialeinsparung und der Qualitätsverminderung erreicht wird. Für Produkte, die Korrosionsbeständigkeit erfordern, kann ein Grundmaterial mit guter Korrosionsbeständigkeit während des Entwurfs verwendet werden.

3.3 kann eine integrierte Fertigung erreichen

Modularisierung und Integration sind ebenfalls Trends in der Automobilstruktur. Wenn das Verbundmaterial gebildet wird, ist es leicht, eine gekrümmte Oberfläche mit verschiedenen Formen zu bilden, um eine integrierte Produktion von Automobilteilen und -komponenten zu erreichen. Integriertes Formen kann nicht nur die Anzahl der Teile und Formen reduzieren, die Anzahl der Komponenten und anderer Prozesse reduzieren, sondern auch den Produktionszyklus stark verkürzen. Wenn beispielsweise das Frontendmodul eines Autos aus Kohlefaserverbundmaterial hergestellt ist, kann es integral geformt und integriert werden, um eine lokalisierte Spannungskonzentration zu vermeiden, die durch nachfolgendes Schweißen und nachfolgendes Bearbeiten von Metallteilen verursacht wird, während die Produktgenauigkeit verringert und die Leistung verbessert wird während Autoteile reduziert werden. Qualität, reduzieren Sie Herstellungskosten.

3.4 Energieabsorption und Schlagfestigkeit

Kohlefaserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffe (CFRP) weisen einen gewissen Grad an Viskoelastizität auf und es gibt eine leichte lokale Relativbewegung zwischen der Kohlenstofffaser und der Matrix, die eine Grenzflächenreibung erzeugen kann. Unter dem synergetischen Effekt von Viskoelastizität und Grenzflächenreibung haben CFK-Teile eine bessere Energieabsorption und Stoßfestigkeit. Auf der anderen Seite stürzt das speziell absorbierte Kohlenstofffaser-Komposit in Hochgeschwindigkeitskollisionen in kleine Fragmente, absorbiert eine große Menge an Aufprallenergie und seine Energieabsorptionskapazität ist 4- bis 5-mal höher als die von Metallmaterialien, was effektiv sein kann Fahrzeuge verbessern. Sicherheit, schützen die Sicherheit der Mitglieder.

3.5 Gute Korrosionsbeständigkeit

Kohlenstofffaserverstärkte Polymermatrix-Verbundwerkstoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlefaserkabel- und Harzmaterialien und weisen ausgezeichnete Säure- und Alkalibeständigkeitseigenschaften auf. Autoteile, die aus ihnen hergestellt werden, benötigen keine antiseptische Oberflächenbehandlung, und ihre Wetterbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit sind gut. Ihre Lebensdauer ist gut. 2 bis 3 mal so viel wie Stahl.

3.6 Hochtemperaturleistung

Die Leistung von Kohlefaser bei Temperaturen unter 400 ° C bleibt sehr stabil, und es gibt keine signifikante Änderung bei 1 000 ° C.

3.7 Gute Ermüdungsbeständigkeit

Kohlenstofffaserverstärkte Materialien haben einen hemmenden Effekt auf die Ermüdungsrissausbreitung aufgrund der Faser und ihre Ermüdungsbeständigkeit kann 70% bis 80% erreichen. Die Struktur der Kohlenstofffaser ist stabil. Nachdem die Ermüdungslebensdauer des Verbundmaterials Millionen von Zyklen beträgt, beträgt seine Festigkeitsbeibehaltungsrate noch 60%, während Stahl und Aluminium 40% bzw. 30% und Glasfasern nur 20% bis 25% sind. Daher ist die Ermüdungsbeständigkeit von Kohlefaserverbundwerkstoffen für eine breite Palette von Anwendungen in der Automobilindustrie geeignet.

4 Ökonomische Analyse für neue Energie-Pkw

Durch die Verwendung von Kohlefaser kann der Körper um mehr als 50% reduziert werden. Am Beispiel eines typischen A-Klasse-Fahrzeugs mit einem Gewicht von 100 kg ist die Bedeutung des Leichtbaus des Fahrzeugs sehr deutlich. Es lässt sich aus folgenden Aspekten erklären: 1 Für eine Station Bei einem Pkw mit 300 km und einer Ladekapazität von 45 kWh kann die gleiche Reichweite durch den Branchenexperten um 3,6 kWh reduziert werden, "100 kg pro 100 kg, plus 8% mehr Reichweite." Die Batteriekosteneinsparung beträgt etwa 0,6 Millionen Yuan; 2 Der durchschnittliche Lebenszyklus von 400.000 Kilometern und die Stromkosten werden mit 0,9 Yuan / kWh berechnet. Die Stromkosten des gesamten Fahrzeugs können 400000/100 × 1,2 × 0,9 = 0,43 Millionen sparen. 100km spart 1,2kW · h Strom.) 3Bei der Verwendung von Kohlefaserwerkstoffen am Beispiel des Produktionsmaßstabs von 50.000 Fahrzeugen werden die eingesparten Prozessinvestitionen und Ausrüstungsinvestitionen in das ökonomische Äquivalent von Elektrofahrzeugen und jedes Fahrzeug umgesetzt Amortisation gerettet etwa 2.000 Yuan; 4 weil der Prozess gestrafft ist, sparen Personalkosten mindestens 1.000 Yuan / Taiwan.

Die oben genannten Punkte summieren sich zu einer durchschnittlichen Ersparnis von 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 Millionen Yuan pro Fahrzeug, aber diese Kosten sind nicht ausreichend, um den Anstieg der Kosten des Materials selbst aufgrund der Einführung von Kohlenstofffaser auszugleichen. Es zeigt sich, dass es immer noch große Probleme bei der Anwendung von Kohlenstoffaserkörpern gibt. Wenn Sie einen leichten Körper fördern wollen, können Sie nur damit beginnen, die Eingabe des Prozesses und der Ausrüstung zu reduzieren. Die oben genannten Punkte summieren sich zu einer durchschnittlichen Ersparnis von 0,6 + 0,432 + 0,2 + 0,1 = 13,3 Millionen Yuan pro Fahrzeug, aber diese Kosten sind nicht ausreichend, um den Anstieg der Kosten des Materials selbst aufgrund der Einführung von Kohlenstofffaser auszugleichen. Es zeigt sich, dass es immer noch große Probleme bei der Anwendung von Kohlenstoffaserkörpern gibt.

Wenn Sie einen leichten Körper fördern wollen, können Sie nur damit beginnen, die Eingabe des Prozesses und der Ausrüstung zu reduzieren.

Wenn das Auto eine Massenproduktion von Kohlenstofffaserkörpern erreicht, werden die Kosten des Kohlenstoffasermaterials selbst ebenfalls stark reduziert, der gesamte Industrieeffekt wird ziemlich groß sein, und die wirtschaftlichen Vorteile werden auch offensichtlicher werden. Diese sind nur aus der Perspektive der Kohlefaser-Analyse, wenn Sie die Aluminium-Legierung Autokörpergewichtsreduktion Faktor von 50 kg, nach dem gleichen Grund positive Stapel betrachten, ist der wirtschaftliche Effekt selbstverständlich.

5 Entwicklungstrends für Fahrzeugkarosserien

Angesichts der Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen wird diese Art von Material zunehmend von Automobilherstellern bevorzugt. Es wird geschätzt, dass der Einsatz von Kohlefasern im Automobilsektor mit einer durchschnittlichen jährlichen Rate von 34% wächst und bis 2020 23.000 Tonnen erreichen wird. Abbildung 2 zeigt die Roadmap für die Entwicklung von kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffen für die Karosserie.

Gegenwärtig werden kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe hauptsächlich auf Karosserieteile, Karosseriemuster und Strukturbauteile aufgebracht. So hat BMW beispielsweise bei der Entwicklung einer Vielzahl von Modellen zur Herstellung von Karosserieteilen eine Vielzahl von Kohlefaserverbundwerkstoffen eingesetzt. Dies ist zu einem wichtigen Moment für die Anwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen in der Automobilherstellung geworden. Gleichzeitig kooperiert BMW mit SGL in Deutschland, investiert 100 Millionen Euro in die Forschung und Entwicklung von kostengünstigen Kohlefasern und erhöht die Kohlenstofffaserproduktion von 3.000 Tonnen pro Jahr auf 9.000 Tonnen, um den wachsenden BMW i zu bedienen -Serie Elektrofahrzeuge und andere. Nachfrage nach Modellen.

6 Fazit

Zusammengefasst sind kohlenstofffaserverstärkte Harzmatrix-Verbundwerkstoffe (CFK) mit ihren einzigartigen Leistungsvorteilen in der Zukunft zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung für neue Automobilwerkstoffe geworden. Um die Verwendung dieses Materials im Automobilbereich zu fördern, ist es jedoch notwendig, die gemeinschaftliche Forschung und Entwicklung von Produktion, Lernen und Forschung unter folgenden Aspekten zu beginnen: (1) Weitere Suche nach kostengünstigeren Kohlenstofffaservorläufern; (2) Entwicklung neuer Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern, wie Stabilisierung von Vorläufermaterialien. Technologie; 3 Optimieren Sie die Prozessparameter für die Carbonfaserherstellung oder verwenden Sie Nanokohlenstofffasern, um die Leistung von CFK-Verbundwerkstoffen weiter zu verbessern; 4 Entwicklung von schnellen und effektiven CFK-Formteil- und Fertigungstechnologien, wie zum Beispiel die Technologie der schnellen Erstarrung und die Technologie der Steuerung des Verbundmaterials; 5 Verwenden Sie Computersimulations-Analysetechnologie (CAE), um verschiedene Kohlefaserverbundwerkstoffe auszuwählen und die Prozessparameter des Formprozesses zu optimieren.