拉擠工藝打造碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料底盤(pán),承載能力提升36%

CarbonTT公司的四軸NCF復(fù)合材料底盤(pán)為 Borco H?hns 的3.5噸Fiat Ducato市場(chǎng)車(chē)輛增加了185公斤的載重量。

CarbonTT的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）底盤(pán)集成在Borco H?hns Fiat Ducato中。先進(jìn)的復(fù)合材料設(shè)計(jì)使底盤(pán)重量減輕了185公斤，提高了有效載荷能力和運(yùn)行效率。在不斷發(fā)展的城市物流和移動(dòng)商務(wù)格局中，對(duì)專用、輕型商用車(chē)的需求激增。在快速城市化的推動(dòng)下，按需服務(wù)蓬勃發(fā)展，最后一英里配送、食品配送、移動(dòng)醫(yī)療和專業(yè)維修等行業(yè)越來(lái)越依賴于結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)的車(chē)輛。在大型車(chē)輛面臨運(yùn)營(yíng)和監(jiān)管障礙的人口密集區(qū)和禁區(qū)，這些車(chē)輛能夠提供高效、靈活的服務(wù)。

這些行業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵制約因素是嚴(yán)格的3.5公噸（MT）重量門(mén)檻--在大多數(shù)歐洲市場(chǎng)和許多全球市場(chǎng)上，這一法規(guī)至關(guān)重要，它將輕型商用車(chē)輛（LCV）與重型貨車(chē)（HGV）區(qū)分開(kāi)來(lái)。超過(guò)這一限制通常會(huì)產(chǎn)生額外費(fèi)用（如通行費(fèi)），需要專門(mén)的駕駛執(zhí)照，并使運(yùn)營(yíng)商受到更嚴(yán)格的監(jiān)管。對(duì)于努力優(yōu)化物流同時(shí)盡量減少開(kāi)支的公司來(lái)說(shuō)，保持在3.5-MT的分類(lèi)范圍內(nèi)是至關(guān)重要的。

2023年，專業(yè)零售車(chē)輛銷(xiāo)售商 Borco H?hns（德國(guó)羅滕堡）開(kāi)始通過(guò)最大限度地減少車(chē)輛基本重量來(lái)提高其 3.5-MT 最大重量車(chē)輛的商業(yè)效率。為此，Borco H?hns 與專門(mén)從事結(jié)構(gòu)復(fù)合材料開(kāi)發(fā)和自動(dòng)化生產(chǎn)的 Carbon Truck & Trailer GmbH（CarbonTT，德國(guó)布克斯特胡德）合作，為其基于菲亞特 Ducato 的零售車(chē)輛開(kāi)發(fā)碳纖維增強(qiáng)聚合物 （CFRP） 底盤(pán)，以取代鋼制底盤(pán)。經(jīng)過(guò)18個(gè)月的開(kāi)發(fā)，CFRP底盤(pán)為3.5MT以下的 Borco H?hns Fiat Ducato 減輕了185公斤的重量，同時(shí)保持了專業(yè)零售車(chē)輛應(yīng)用所需的堅(jiān)固性。這使鋼制底盤(pán)版本510千克的有效載荷增加了36%，從而使每次運(yùn)輸?shù)氖杖霛摿Π幢壤黾印?/p>

“CarbonTT 首席執(zhí)行官 Gerret Kalkoffen 解釋說(shuō)：“通過(guò)減輕車(chē)輛重量，我們?yōu)榭蛻籼峁┝烁蟮撵`活性--無(wú)論是承載更多貨物、增加設(shè)備，還是遵守影響許可和道路通行的重量限制?！斑@可能會(huì)改變整個(gè)行業(yè)的游戲規(guī)則。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和材料選擇

對(duì)負(fù)載下的底盤(pán)安裝支架進(jìn)行有限元分析（FEA）模擬?？梢暬瘧?yīng)力集中情況，以優(yōu)化復(fù)合材料設(shè)計(jì)。

CarbonTT 設(shè)計(jì)了 CFRP 底盤(pán)，包括優(yōu)化纖維鋪層、樹(shù)脂化學(xué)成分和開(kāi)發(fā)新型拉擠制造工藝。“拉擠制造要求型材厚度均勻，”Kalkoffen 解釋說(shuō)。“當(dāng)載荷分布不均勻時(shí)，例如位于中央的接口與車(chē)輛懸架，要找到載荷、重量和成本的最佳值就很有挑戰(zhàn)性?？紤]到全球負(fù)載、纖維成本和生產(chǎn)速度，我們不希望超過(guò)3毫米。這只有通過(guò)我們的專利接口才能實(shí)現(xiàn)，該接口可將載荷從鋼材轉(zhuǎn)移到復(fù)合材料。

底盤(pán)設(shè)計(jì)采用了對(duì)稱四軸非卷曲織物（NCF）結(jié)構(gòu)，由 Zoltek（美國(guó)密蘇里州圣路易斯市）50K 絲束 PX35 碳纖維制成，展示了 0°、+45°、-45° 和 90°纖維取向?！癒alkoffen 指出：“縫合特性是決定織物可塑性的關(guān)鍵。“我們仔細(xì)確定縫合強(qiáng)度和紗線類(lèi)型，以平衡拉擠加工的剛度和織物適應(yīng)復(fù)雜外形的能力。這種方法意味著在制造過(guò)程中對(duì)纖維進(jìn)行精確控制，同時(shí)保持材料處理縱向和扭轉(zhuǎn)載荷的能力。

定制拉擠技術(shù)、方法

CarbonTT 解決方案的核心是定制拉擠制造技術(shù)。該系統(tǒng)以 Pultrex/KraussMaffei（英國(guó)曼寧特里）拉擠生產(chǎn)線為基礎(chǔ)，配備了定制設(shè)計(jì)的纖維架、成型裝置、夾具、自動(dòng)張力控制系統(tǒng)、鋸和注塑箱。CarbonTT 以 Covestro（德國(guó)勒沃庫(kù)森）公司的聚氨酯系統(tǒng)為基礎(chǔ)，配制了一種專用樹(shù)脂，其中含有各種功能添加劑，以促進(jìn)拉擠工藝的順利進(jìn)行。這些添加劑可調(diào)節(jié)粘度和固化動(dòng)力學(xué)，從而在灌注階段實(shí)現(xiàn)完全的纖維潤(rùn)濕。此外，樹(shù)脂中還加入了紫外線穩(wěn)定劑和耐熱化合物，可為底盤(pán)提供長(zhǎng)期的耐用性。

CarbonTT 為制造 CFRP 底盤(pán)大梁而開(kāi)發(fā)的定制拉擠生產(chǎn)線可確保精確的纖維定向和無(wú)縫樹(shù)脂灌注。

“我們的纖維導(dǎo)向系統(tǒng)代表了拉擠技術(shù)的重大進(jìn)步，”Kalkoffen 說(shuō)?！皞鹘y(tǒng)的拉擠技術(shù)在復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)中舉步維艱。經(jīng)過(guò)數(shù)年和無(wú)數(shù)次的努力，我們開(kāi)發(fā)出了一種獨(dú)特的控制系統(tǒng)，使用多個(gè)傳感器來(lái)保持相對(duì)于模具的精確纖維進(jìn)給定位。這些傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)纖維的位置和方向，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶詣?dòng)張力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以防止纖維錯(cuò)位、起皺或形成空洞，從而影響結(jié)構(gòu)的完整性“。這項(xiàng)技術(shù)使 CarbonTT 能夠以高速生產(chǎn)復(fù)雜形狀的型材，而不會(huì)產(chǎn)生褶皺，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的材料性能和最大限度地降低每種應(yīng)用的纖維成本至關(guān)重要。

CarbonTT 還開(kāi)發(fā)了在注射區(qū)產(chǎn)生和控制壓力梯度的專有技術(shù)?！霸谧⑺芟到y(tǒng)中產(chǎn)生足夠的壓力需要對(duì)多個(gè)變量進(jìn)行精確控制，”Kalkoffen 指出?！坝捎诶瓟D工藝的連續(xù)性，注塑箱的兩側(cè)是開(kāi)放的，因此如果需要一定的壓力才能使樹(shù)脂到達(dá)中心纖維，就不能僅僅增加計(jì)量機(jī)上的壓力。我們必須開(kāi)發(fā)樹(shù)脂，以便在這種具有挑戰(zhàn)性的情況下進(jìn)行滲透和固化。

CFRP 底盤(pán)中復(fù)合材料與金屬連接的界面驗(yàn)證測(cè)試裝置。多個(gè)方向的載荷測(cè)量確保了連接性能的穩(wěn)健性。

隨后進(jìn)行了車(chē)輛級(jí)動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證。這包括使用配備全套儀器的車(chē)輛和測(cè)試軌道進(jìn)行專門(mén)測(cè)試，以收集穩(wěn)定性能數(shù)據(jù)，包括驗(yàn)證復(fù)合底盤(pán)沖擊力的緊急機(jī)動(dòng)場(chǎng)景。每個(gè)階段都通過(guò)了德國(guó)車(chē)輛認(rèn)證機(jī)構(gòu) TüV Rhineland（科?。┑恼J(rèn)證程序，確保符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)已完成的 CFRP 梁部件展示了四軸向織物結(jié)構(gòu)和通過(guò) CarbonTT 拉擠工藝實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化剛重比。

Borco H?hns 菲亞特 Ducato 配備了 CarbonTT 的 CFRP 底盤(pán)，并在受控賽道上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。復(fù)合材料底盤(pán)大大提高了操控性能。隨著城市配送和移動(dòng)零售的持續(xù)擴(kuò)張，以及減排壓力的增加，輕量化解決方案將在3.5公噸汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。有效載荷的顯著增加，能夠以更少的行程實(shí)現(xiàn)更高的收入，并推進(jìn)可持續(xù)性指標(biāo)，這表明復(fù)合底盤(pán)技術(shù)在未來(lái)的商用車(chē)應(yīng)用中可能會(huì)越來(lái)越普遍。