車(chē)體制造新紀(jì)元BMW i系車(chē)型碳纖維技術(shù)

>文 吳中元

車(chē)體制造新紀(jì)元BMW i系車(chē)型碳纖維技術(shù)

>文 吳中元

車(chē)型輕量化技術(shù)是每個(gè)汽車(chē)制造商都不會(huì)忽視的研發(fā)重點(diǎn)，但真正敢于將前沿科技應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的量產(chǎn)車(chē)型，就不是每個(gè)制造商都有的魄力了。此時(shí)，革命性的車(chē)型往往會(huì)加速眾多先進(jìn)科技走入量產(chǎn)領(lǐng)域，比如BMW集團(tuán)最新的i系電驅(qū)動(dòng)車(chē)型。

BMW i3是BMW向市場(chǎng)推出的第一款電驅(qū)動(dòng)量產(chǎn)車(chē)型，為城市內(nèi)的交通提供了一種新的、注重可持續(xù)發(fā)展的選擇。為了實(shí)現(xiàn)它至今為止獨(dú)一無(wú)二的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，不僅需要運(yùn)用先進(jìn)的輕質(zhì)材料，而且還要采用創(chuàng)新的生產(chǎn)工藝。

BMW i3創(chuàng)新的車(chē)體架構(gòu)由兩部分構(gòu)成：一個(gè)部分是由鋁合金材料制成的、驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的“Drive模塊”，其中集成了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、底盤(pán)、蓄電池、結(jié)構(gòu)功能組件和防碰撞功能組件。另一個(gè)部分是碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）制成、構(gòu)成車(chē)廂主體的“Life模塊”。由于采用了革命性的設(shè)計(jì)方案并使用了碳纖維強(qiáng)化塑料，與一般的汽車(chē)制造相比，BMW i3的生產(chǎn)時(shí)間縮短了一半。這種工藝并不需要很大的投資，因?yàn)槿∠艘话阏?chē)廠的沖壓車(chē)間以及傳統(tǒng)的涂裝車(chē)間，并且Life模塊和Drive模塊的生產(chǎn)還可以同時(shí)進(jìn)行。在BMW i系車(chē)型中的碳纖維強(qiáng)化塑料材料的使用規(guī)模，在目前全球汽車(chē)業(yè)中是絕無(wú)僅有的。

對(duì)于使用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛而言，輕量化車(chē)身設(shè)計(jì)具有非常重要的意義，因?yàn)槌诵铍姵厝萘恐?，?chē)身重量也是限制續(xù)航里程的一個(gè)重要因素。車(chē)身重量越輕，續(xù)航里程也就越大。因此，為了抵消配備電氣組件所帶來(lái)的額外重量，BMW i系車(chē)型都必須采用這種輕量化車(chē)身設(shè)計(jì)和創(chuàng)新的材料。BMW i3的Life模塊主要由碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）制成，這種創(chuàng)新的材料是由一家合資企業(yè)——SGL汽車(chē)碳纖維(SGL ACF)公司生產(chǎn)的。

位于美國(guó)莫斯湖的SGL ACF公司，利用碳纖維原絲和熱塑性聚丙烯腈紡織纖維生產(chǎn)出碳纖維材料。這種碳纖維的直徑僅有7微米（人的頭發(fā)絲直徑大約為50微米）。然后，為了應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)，將大約50 000根這種單纖維整合成“粗紗”，并將其纏繞起來(lái)用于下一步加工。

另一個(gè)合資企業(yè)位于德國(guó)瓦科斯多夫的創(chuàng)新工業(yè)園，在這里將莫斯湖工廠生產(chǎn)的纖維束按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加工成輕質(zhì)的編織物。然后將不同纖維方向的編織物組合成多層的、不同朝向的碳纖維疊層，再進(jìn)行裁剪。這就構(gòu)成了在蘭茨胡特和萊比錫的BMW工廠生產(chǎn)碳纖維強(qiáng)化塑料部件和組件所需的原材料。同時(shí)，碳纖維強(qiáng)化塑料下腳料在瓦科斯多夫工廠經(jīng)過(guò)再加工，重新用于BMW i系車(chē)型的生產(chǎn)。目前，BMW i3所使用的碳纖維中大約10%來(lái)自回收材料。

在德國(guó)蘭茨胡特和萊比錫的BMW創(chuàng)新和生產(chǎn)中心，將瓦科斯多夫工廠提供的碳纖維疊層加工成BMW i3和BMW i8的車(chē)身零件。首先，用一種加熱工具使裁剪下來(lái)的碳纖維編織物具有穩(wěn)定的三維形狀。然后，多個(gè)這種預(yù)制的預(yù)成型坯件就可以組裝成一個(gè)較大的部件。這樣就可以生產(chǎn)出大面積的車(chē)身部件，這是用鋁合金材料或鋼板很難實(shí)現(xiàn)的。在預(yù)制和預(yù)成型之后，下一個(gè)工藝步驟就是利用樹(shù)脂模塑（RTM）工藝在高壓下進(jìn)行樹(shù)脂固化。此時(shí)，在高壓下將液態(tài)樹(shù)脂注射到預(yù)成型坯件中。首先使碳纖維與樹(shù)脂連接起來(lái)，然后進(jìn)行固化，從而使這種材料具有足夠的剛性和優(yōu)異的性能。經(jīng)過(guò)十年間的不斷研發(fā)，BMW專家已經(jīng)成功地將碳纖維強(qiáng)化塑料部件的生產(chǎn)流程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，從而使這種部件的大規(guī)模生產(chǎn)既經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可靠，又工藝穩(wěn)定。

在萊比錫工廠新建的車(chē)身制造車(chē)間，將碳纖維強(qiáng)化塑料復(fù)合組件拼合起來(lái)，這樣就制造出Life模塊的基本結(jié)構(gòu)。由于BMW i3 Life模塊的碳纖維強(qiáng)化塑料結(jié)構(gòu)幾何融合性高，其車(chē)身部件的數(shù)量只相當(dāng)于普通鋼制車(chē)身的三分之一，整個(gè)基本架構(gòu)由大約150個(gè)碳纖維強(qiáng)化塑料組件組成。在使用碳纖維強(qiáng)化塑料制造車(chē)身時(shí)，既沒(méi)有擰緊螺絲或鉚接時(shí)所發(fā)出的噪聲，也沒(méi)有焊接時(shí)飛濺的火星，一切連接只使用最先進(jìn)的黏合技術(shù)，并且實(shí)現(xiàn)了100%的自動(dòng)化。BMW研發(fā)的獨(dú)一無(wú)二的車(chē)身連接工藝，可以將各個(gè)部件在不接觸的情況下精確拼合，以此保證最佳的車(chē)身剛性。

BMW i3是第一款完全采用塑料蒙皮的BMW車(chē)型。塑料件比鋼板的重量輕了一半，同時(shí)是一種不受侵蝕的表面材料，其生產(chǎn)也非常節(jié)能。此外，這種材料對(duì)于輕微損壞也并不敏感，對(duì)于一款城市中行走的車(chē)型，特別是電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是絕佳的選擇。

BMW i系車(chē)型碳纖維技術(shù)