助力宝马MCV量产化的碳纤维预成型设备
By www.carbonfiber.com.cn
图1 碳纤维增强树脂成型件
作为宝马首款量产的电动车，Megacity Vehicle拥有全新开发的动力传动系统和创新的汽车结构，它将严谨的轻量化设计与极佳的空间利用率和极大的撞击安全性集于一体。在宝马集团的兰茨胡特创新技术中心，一套康隆(Cannon)的预成型设备被用于该创新车型的所有复合材料车顶的生产中。
2010年7月1日，宝马集团在位于德国慕尼黑总部举办的“2010宝马集团创新日”活动期间，发布了其全电动汽车Megacity Vehicle（以下简称“MCV”）的详情，这是宝马集团的首款由电驱动的量产车型。基于MCV，宝马将为可持续的城市交通提供创新的解决方案。
MCV将于2013年上市，并将以宝马旗下的一个品牌进行销售。2001年，宝马集团为其兰茨胡特创新技术中心指定购买了一套康隆(Cannon)的预成型设备，并将其用于该创新车型的所有复合材料车顶的生产中。
图2 宝马兰茨胡特创新技术中心的康隆预成型设备
在一篇长达40页的、以“未来的交通工具”为主题的报告中，宝马集团突出了驱使其开发这款全电动车的理念。该公司声称，MCV是“世界首辆全新的电驱动的汽车”。出于对由气候变化和全球变暖，以及资源的日益匮乏和对可持续性的需要而导致的对环境问题的关注，该报告的作者指出，针对交通工具的新的解决方案正为以城市化为特征的大城市所需求。
宝马集团对此的响应可以用一个词来表达：Electromobility或E-mobility。宝马集团认为，E-mobility可作为一种可行的方案，来满足未来对个人交通工具的需求，其一大优势在于零局部排放。由于E-mobility所涉及的是电流而非需要被转变成牵引力的燃油，因此在运行中不会产生有损气候的尾气。
E-mobility是宝马集团“高效动力（EfficientDynamics）”战略的一个组成部分。基于这一战略，宝马集团通过采用新一代的高效率发动机、空气动力改进措施、轻量化的结构以及智能化的能源管理方式等，目前已在降低消耗和排放方面取得了巨大成功，同时还实现了更好的驾驶性能。这使得该集团能够在1995～2009年期间，将所有宝马车的CO2排放量降低了1/3。直至今天，通过高效动力（EfficientDynamics）战略，宝马集团正在通过对动力传统系统直至混合动力系统做进一步的电气化改进，来实现更大的消费收益。作为一项长期战略，高效动力（EfficientDynamics）意味着该集团将通过使用电池动力以及可再生氢能源技术，逐步转向制造无排放的汽车。
图3 康隆（Cannon）碳纤维预成型机：2010年被提供给宝马兰茨胡特创新技术中心，用于碳纤维车身项目的开发
一项全新的设计
对MINI E和宝马ActiveE概念车的开发工作表明，任何一种只是简单地将现有的内燃机汽车转变成依靠电驱动的汽车（转化车）的方法都不能够寄希望于充分利用电驱动的潜力。与一辆在现有技术平台基础上开发出的“转化电动车”不同，MCV是完全围绕着E-mobility的特定需求而毫无折中地、专门设计的车型。
MCV拥有全新开发的动力传动系统和创新的汽车结构，它将严谨的轻量化设计与最佳的空间利用率和最大的撞击安全性集于一体。
通常，一辆电动汽车（EV）的动力传统系统的重量要远高于一辆内燃机汽车的动力传统系统（还包括整个燃油箱）的重量，一套电驱动系统（包括电池）的重量大约超过100kg，其中电池是主要的重量源。为了消减动力传动系统带给汽车的额外重量，宝马集团正在加紧展开采用轻量化设计原则以及使用创新材料的研发工作。根据零部件的使用部位和要求，通过为每个部件选用最适合的材料，可以说，目前宝马集团的工程师们已经成功地确保了较重的电池只给汽车增加少量的重量。在对这一4座位的汽车减重的过程中，基本的原则是用模塑成型的碳纤维复合材料部件或铝合金部件取代所有的钢制部件。
图4 碳纤维增强树脂成型模具
用途设计——LifeDrive概念
在这一面向现代车身结构的开发工作中，尽管轻量化设计是一件非常重要的工作，但它却只是其中的一个方面。汽车的整个电气配置使得宝马集团的工程师们必须重新思考汽车的结构设计，以使它能够适应未来交通工具的要求和实际使用情况。基于LifeDrive概念，他们采用了“用途设计”的原则，目的是为了创建出一种革新的车身概念，以使其与未来汽车的用途和使用范围直接相关，并为材料的创新应用创造条件。与围绕车身框架构建汽车相类似，LifeDrive概念包含了两组平行而独立的模块：驱动模块（Drive module），即铝合金的底盘构成了汽车的稳固基础，它将电池、驱动系统、车体结构和基本的撞击功能件集成在一个单一的结构中。与其配合的生命模块（Life module）主要由高强度且相当轻的乘员单元组成，它由碳纤维增强塑料（简称“CFRP”）制成。利用这一创新概念，宝马集团为轻量化设计、汽车结构和碰撞安全性等补充了全新的标准。
正确的位置拥有正确的强度
这种高强度材料的奥秘在于碳纤维。与具有各向同性（在所有的方向上具有同等的强度）的金属如铝合金或钢相比，CFRP材料是各向异性的，这赋予了该材料相当高的强度，就像是一根棒子，沿着一个方向，或者说沿着拉伸/压缩的轴向而具有很高的强度。这是CFRP的关键优势所在：CFRP赋予部件的这种抗应力性能，使得部件能够很好地与实际遭受的载荷相匹配，就像自然界中的骨骼结构或植物枝干一样，只在真正需要的部位使用较强的结构。因此，宝马集团的工程师们同样地订制了CFRP部件的厚度和纤维排列，包括在将来制品需要承重或受力的方位，变化变纤维的使用量及其轴向排列，从而使CFRP部件满足实际的使用要求。这些经过精确计算的部件参数还有助于实现重量的最小化。正如铝合金对钢的取代一样，采用CFRP不只是一种简单的直接替代，利用其特有的性能，这种高科技材料还为采用全新的设计概念和生产方法打开了可行之门。电动车正是使用CFRP的一个恰当例子。作为一种适用于车身部件的材料，CFRP的轻量化特性为实现更高的动力/重量比提供了巨大的潜力，从而可确保更长的运行距离。如果对该材料的理解正确，还能够有策略地将其用于广泛的轻量化汽车中，以实现对汽车的重大改进。
图5 康隆的预成型机目前用于宝马M3和M6车型的车顶预成型件的大批量生产
宝马集团的技术专注
早在2003年，宝马集团就引入了与高质量的CFRP部件的批量化生产直接相关的下一代的生产系统。这一当前非常先进的生产工艺具有非常短的循环时间，而且其产能也在逐渐提高。目前，宝马集团位于德国的兰茨胡特工厂甚至能够大批量地生产CFRP的车顶（用于宝马M3和M6车型中）和保险杠支架（用于宝马M6车型中）。宝马集团的CFRP专家们已不断地完善了兰茨胡特工厂的CFRP生产工艺，并使该生产线的自动化水平得到了持续改进，由此，使得第一次低成本地实现CFRP车身部件的大批量生产并达到高质量标准成为可能。兰茨胡特创新技术中心（简称“LITZ”）的工艺工程师们因此而排解了增加碳纤维部件在车身制造中应用的一个主要障碍。
预成型和预制件的连接——一个部件的成型
在所谓的“预成型”阶段，首先需要对平织物进行裁切以获得一定的形状。在此过程中，一个热源被用于为一个织物叠层提供稳定的三维轮廓的加热。此时，该部件的最终形状已清晰可见。随后，在这些预成型的叠层套料中，将其中的几个连接在一起，以形成一个较大的部件。按此方法，可以用CFRP生产部件，例如，可以生产出高度集成的大表面积的部件，而用铝合金或钢板制造的类似部件将极为笨重，这为车身的设计和制造带来了重要的优势，例如，可将要组装的零部件或其他的特装直接集成到该部件中。此外，只需一副成型模具，即可生产出复杂的结构部件以及具有不同壁厚的整个车身模块。在预成型和预制件的连接这两个工艺过程中，一大挑战在于要确保柔韧的织物具有良好的生产加工性，以使预制件能够维持稳定的形状，并能够以最大的精确性将它们连接在一起。在此方面，宝马集团在过去的几年里同样获得了宝贵的经验积累，他们可根据最终成型部件想要的力学性能，用选取的碳纤维织物，精确而细致地组合成具有不同织物层次的夹层结构。
采用RTM工艺的高压树脂注射
这些连接好的预制件现在准备着进入下一工艺制程中，即树脂注射。作为复合材料结构中的第二大重要的组成部分，树脂可确保这些预成型的叠层能够永久地保持预先设定的形状。树脂传递模塑成型（简称“RTM”）工艺涉及将树脂高压注射到预制件中。纤维与树脂之间的牢固结合，以及随后的固化过程都为材料带来了刚性，这对于产品的出色品质起着关键的作用。
最后的加工——用水刀切割对部件进行修饰精整
在树脂注射并固化后，生产过程基本上就结束了，剩下的则是精整工作，例如，对轮廓做精细的裁切，以及为嵌件的置入加工更多的开孔（它们可能仍然是必要的）。在宝马集团的工厂中，这种精整工作是由一台水刀切割设备完成的。经过注射树脂，CFRP部件已经完成。由此制备好的部件非常僵硬且坚固，若使用一般的铣切工具加工，铣床刀头很快就会出现磨损问题，从而需要频繁更换。如果使用水刀切割和钻孔就不存在这些问题了。
大批量生产总是一个目标
随着产量的稳步提高，以及创新工艺的不断开发，宝马集团目前已在其内部积累了大量的经验知识。这种技术专知遍布于宝马集团的员工、生产设备和生产工艺中。归功于坚定不移的专注于一个高于一切的目标，即实现CFRP部件的大批量生产，从而为宝马集团获得如此高水平的专知提供了可能。
2001年，一套Cannon Tecnos预成型设备被提供给宝马兰茨胡特创新技术中心，用于该项目的开发工作。目前这套设备已进入全面生产状态，为宝马M3和M6车型生产所有的车顶预制件。
来源：汽车网
图1 碳纤维增强树脂成型件
作为宝马首款量产的电动车，Megacity Vehicle拥有全新开发的动力传动系统和创新的汽车结构，它将严谨的轻量化设计与极佳的空间利用率和极大的撞击安全性集于一体。在宝马集团的兰茨胡特创新技术中心，一套康隆(Cannon)的预成型设备被用于该创新车型的所有复合材料车顶的生产中。
2010年7月1日，宝马集团在位于德国慕尼黑总部举办的“2010宝马集团创新日”活动期间，发布了其全电动汽车Megacity Vehicle（以下简称“MCV”）的详情，这是宝马集团的首款由电驱动的量产车型。基于MCV，宝马将为可持续的城市交通提供创新的解决方案。
MCV将于2013年上市，并将以宝马旗下的一个品牌进行销售。2001年，宝马集团为其兰茨胡特创新技术中心指定购买了一套康隆(Cannon)的预成型设备，并将其用于该创新车型的所有复合材料车顶的生产中。
图2 宝马兰茨胡特创新技术中心的康隆预成型设备
在一篇长达40页的、以“未来的交通工具”为主题的报告中，宝马集团突出了驱使其开发这款全电动车的理念。该公司声称，MCV是“世界首辆全新的电驱动的汽车”。出于对由气候变化和全球变暖，以及资源的日益匮乏和对可持续性的需要而导致的对环境问题的关注，该报告的作者指出，针对交通工具的新的解决方案正为以城市化为特征的大城市所需求。
宝马集团对此的响应可以用一个词来表达：Electromobility或E-mobility。宝马集团认为，E-mobility可作为一种可行的方案，来满足未来对个人交通工具的需求，其一大优势在于零局部排放。由于E-mobility所涉及的是电流而非需要被转变成牵引力的燃油，因此在运行中不会产生有损气候的尾气。
E-mobility是宝马集团“高效动力（EfficientDynamics）”战略的一个组成部分。基于这一战略，宝马集团通过采用新一代的高效率发动机、空气动力改进措施、轻量化的结构以及智能化的能源管理方式等，目前已在降低消耗和排放方面取得了巨大成功，同时还实现了更好的驾驶性能。这使得该集团能够在1995～2009年期间，将所有宝马车的CO2排放量降低了1/3。直至今天，通过高效动力（EfficientDynamics）战略，宝马集团正在通过对动力传统系统直至混合动力系统做进一步的电气化改进，来实现更大的消费收益。作为一项长期战略，高效动力（EfficientDynamics）意味着该集团将通过使用电池动力以及可再生氢能源技术，逐步转向制造无排放的汽车。
图3 康隆（Cannon）碳纤维预成型机：2010年被提供给宝马兰茨胡特创新技术中心，用于碳纤维车身项目的开发
一项全新的设计
对MINI E和宝马ActiveE概念车的开发工作表明，任何一种只是简单地将现有的内燃机汽车转变成依靠电驱动的汽车（转化车）的方法都不能够寄希望于充分利用电驱动的潜力。与一辆在现有技术平台基础上开发出的“转化电动车”不同，MCV是完全围绕着E-mobility的特定需求而毫无折中地、专门设计的车型。
MCV拥有全新开发的动力传动系统和创新的汽车结构，它将严谨的轻量化设计与最佳的空间利用率和最大的撞击安全性集于一体。
通常，一辆电动汽车（EV）的动力传统系统的重量要远高于一辆内燃机汽车的动力传统系统（还包括整个燃油箱）的重量，一套电驱动系统（包括电池）的重量大约超过100kg，其中电池是主要的重量源。为了消减动力传动系统带给汽车的额外重量，宝马集团正在加紧展开采用轻量化设计原则以及使用创新材料的研发工作。根据零部件的使用部位和要求，通过为每个部件选用最适合的材料，可以说，目前宝马集团的工程师们已经成功地确保了较重的电池只给汽车增加少量的重量。在对这一4座位的汽车减重的过程中，基本的原则是用模塑成型的碳纤维复合材料部件或铝合金部件取代所有的钢制部件。
图4 碳纤维增强树脂成型模具
用途设计——LifeDrive概念
在这一面向现代车身结构的开发工作中，尽管轻量化设计是一件非常重要的工作，但它却只是其中的一个方面。汽车的整个电气配置使得宝马集团的工程师们必须重新思考汽车的结构设计，以使它能够适应未来交通工具的要求和实际使用情况。基于LifeDrive概念，他们采用了“用途设计”的原则，目的是为了创建出一种革新的车身概念，以使其与未来汽车的用途和使用范围直接相关，并为材料的创新应用创造条件。与围绕车身框架构建汽车相类似，LifeDrive概念包含了两组平行而独立的模块：驱动模块（Drive module），即铝合金的底盘构成了汽车的稳固基础，它将电池、驱动系统、车体结构和基本的撞击功能件集成在一个单一的结构中。与其配合的生命模块（Life module）主要由高强度且相当轻的乘员单元组成，它由碳纤维增强塑料（简称“CFRP”）制成。利用这一创新概念，宝马集团为轻量化设计、汽车结构和碰撞安全性等补充了全新的标准。
正确的位置拥有正确的强度
这种高强度材料的奥秘在于碳纤维。与具有各向同性（在所有的方向上具有同等的强度）的金属如铝合金或钢相比，CFRP材料是各向异性的，这赋予了该材料相当高的强度，就像是一根棒子，沿着一个方向，或者说沿着拉伸/压缩的轴向而具有很高的强度。这是CFRP的关键优势所在：CFRP赋予部件的这种抗应力性能，使得部件能够很好地与实际遭受的载荷相匹配，就像自然界中的骨骼结构或植物枝干一样，只在真正需要的部位使用较强的结构。因此，宝马集团的工程师们同样地订制了CFRP部件的厚度和纤维排列，包括在将来制品需要承重或受力的方位，变化变纤维的使用量及其轴向排列，从而使CFRP部件满足实际的使用要求。这些经过精确计算的部件参数还有助于实现重量的最小化。正如铝合金对钢的取代一样，采用CFRP不只是一种简单的直接替代，利用其特有的性能，这种高科技材料还为采用全新的设计概念和生产方法打开了可行之门。电动车正是使用CFRP的一个恰当例子。作为一种适用于车身部件的材料，CFRP的轻量化特性为实现更高的动力/重量比提供了巨大的潜力，从而可确保更长的运行距离。如果对该材料的理解正确，还能够有策略地将其用于广泛的轻量化汽车中，以实现对汽车的重大改进。
图5 康隆的预成型机目前用于宝马M3和M6车型的车顶预成型件的大批量生产
宝马集团的技术专注
早在2003年，宝马集团就引入了与高质量的CFRP部件的批量化生产直接相关的下一代的生产系统。这一当前非常先进的生产工艺具有非常短的循环时间，而且其产能也在逐渐提高。目前，宝马集团位于德国的兰茨胡特工厂甚至能够大批量地生产CFRP的车顶（用于宝马M3和M6车型中）和保险杠支架（用于宝马M6车型中）。宝马集团的CFRP专家们已不断地完善了兰茨胡特工厂的CFRP生产工艺，并使该生产线的自动化水平得到了持续改进，由此，使得第一次低成本地实现CFRP车身部件的大批量生产并达到高质量标准成为可能。兰茨胡特创新技术中心（简称“LITZ”）的工艺工程师们因此而排解了增加碳纤维部件在车身制造中应用的一个主要障碍。
预成型和预制件的连接——一个部件的成型
在所谓的“预成型”阶段，首先需要对平织物进行裁切以获得一定的形状。在此过程中，一个热源被用于为一个织物叠层提供稳定的三维轮廓的加热。此时，该部件的最终形状已清晰可见。随后，在这些预成型的叠层套料中，将其中的几个连接在一起，以形成一个较大的部件。按此方法，可以用CFRP生产部件，例如，可以生产出高度集成的大表面积的部件，而用铝合金或钢板制造的类似部件将极为笨重，这为车身的设计和制造带来了重要的优势，例如，可将要组装的零部件或其他的特装直接集成到该部件中。此外，只需一副成型模具，即可生产出复杂的结构部件以及具有不同壁厚的整个车身模块。在预成型和预制件的连接这两个工艺过程中，一大挑战在于要确保柔韧的织物具有良好的生产加工性，以使预制件能够维持稳定的形状，并能够以最大的精确性将它们连接在一起。在此方面，宝马集团在过去的几年里同样获得了宝贵的经验积累，他们可根据最终成型部件想要的力学性能，用选取的碳纤维织物，精确而细致地组合成具有不同织物层次的夹层结构。
采用RTM工艺的高压树脂注射
这些连接好的预制件现在准备着进入下一工艺制程中，即树脂注射。作为复合材料结构中的第二大重要的组成部分，树脂可确保这些预成型的叠层能够永久地保持预先设定的形状。树脂传递模塑成型（简称“RTM”）工艺涉及将树脂高压注射到预制件中。纤维与树脂之间的牢固结合，以及随后的固化过程都为材料带来了刚性，这对于产品的出色品质起着关键的作用。
最后的加工——用水刀切割对部件进行修饰精整
在树脂注射并固化后，生产过程基本上就结束了，剩下的则是精整工作，例如，对轮廓做精细的裁切，以及为嵌件的置入加工更多的开孔（它们可能仍然是必要的）。在宝马集团的工厂中，这种精整工作是由一台水刀切割设备完成的。经过注射树脂，CFRP部件已经完成。由此制备好的部件非常僵硬且坚固，若使用一般的铣切工具加工，铣床刀头很快就会出现磨损问题，从而需要频繁更换。如果使用水刀切割和钻孔就不存在这些问题了。
大批量生产总是一个目标
随着产量的稳步提高，以及创新工艺的不断开发，宝马集团目前已在其内部积累了大量的经验知识。这种技术专知遍布于宝马集团的员工、生产设备和生产工艺中。归功于坚定不移的专注于一个高于一切的目标，即实现CFRP部件的大批量生产，从而为宝马集团获得如此高水平的专知提供了可能。
2001年，一套Cannon Tecnos预成型设备被提供给宝马兰茨胡特创新技术中心，用于该项目的开发工作。目前这套设备已进入全面生产状态，为宝马M3和M6车型生产所有的车顶预制件。
来源：汽车网
