江蘇常熟汽飾集團攜熱塑性連續纖維復合材料一體化成型技術確認申報2021年金輯獎汽車新供應鏈百強評選活動。

申請技術丨熱塑性連續纖維復合材料一體化成型技術

應用領域丨環保輕量及新材料

圖2e座盆骨架

圖2d電池箱體

創新點及優勢：

技術描述：

熱塑性連續纖維復合材料作為最近十年內出現的一種新型復合材料在汽車行業的應用目前仍然非常有限，與傳統的如鋼鋁這些大量在汽車車身結構應用的金屬材料比較起來，比強度和比模量都是非常突出的，也就是說在整車結構輕量化設計中存在巨大的潛力。采用連續纖維為增強材料和熱塑性樹脂為基體，在提供出色的機械性能、防腐蝕性能和電氣絕緣性能之外，還可以利用熱塑性材料的加工成型性能在合適的成型自動化設備的輔助配合下實現大規模和低成本的工業化生產制造。本項技術通過結合了不同的高效傳統成型設備和最新的自動化技術可以針對不同產品設計開發出一種通用的成型生產工藝和設備，尤其適用于采用新型連續纖維復合材料基礎上設計的大尺寸、高性能、結構性的車用零部件。本項技術對成型模具也有相關的專利申報和技術訣竅。

獨特優勢：

目前實現量產的產品主要在國外市場，產品涵蓋了門模組安裝板、剎車踏板、底護板、備胎倉、防撞梁、座椅骨架等，基本上減重水平在-20~30%之間；國內引進車型有國產化應用，而自主開發的車型應用暫時沒有相應的應用。但是實際上整車上的結構仍然可以有很多結構零件可以應用這類復合材料達到輕量化減重減排的目標，目前我們和國內外各一家廠商有在開發相關的應用，其中之一可能成為全球第一家采用此類材料制造的相關產品部件。從新能源汽車來看，電動車的動力電池包也是很有應用潛力的一個產品，從我們內部的前期分析來看，動力電池包使用該種技術后可以在減重（30%）以及降本（20%）兩個方面都有長足的改進空間，而且一旦推動行業對電池包的安裝尺寸規格進行標準化統一起來，在商業模式方面進行相關的創新創造，對整個電動車行業的推動可能會有整個運營模式方面的顛覆作用。對于這類材料而言用以取代非安全性的結構金屬部件既是能發揮它最大性能也是提供它的使用性價比的地方。雖然上述談及到各種零部件的應用場景，但是我們并不認為所有應用都有其價值，例如對于剎車踏板而言使用這類材料的性價比不高，有更成熟且性能也滿足使用要求的工程塑料可以替代金屬件?？傮w而言，對于這類連續纖維熱塑性復合材料通過采用模壓和注塑兩種或以上傳統塑料加工方式的工藝技術能夠在充分利用原材料的基礎上結合產品的結構設計達到性能和減重的最優化，個別零件下減重比例可以達到-50%的水平，提升整個生產制造效率和成本優化效果；同時，結合其他的模具技術和自動化技術也可以將后續的部分裝配和檢驗工作集成在一個工藝流程中實現。該工藝技術對于節能減排的先進性可以簡單歸納為以下幾點：

1. 多工藝一體化復合成型能力

        結合了模壓工藝和注塑工藝以及復合模具的技術特點。傳統的熱固性復合材料以人工手糊、真空罐成型、簡單模壓、液體樹脂模塑等工藝手段為主，輔助以機械切割和表面處理等工藝，從備料到成品通常需要好幾個工序才可以得到最終的完成品，這個加工過程中間除了人工時間、能耗、原料的大量投入，還有環保和職業健康方面的困擾。相對而言，采用了新材料的一體化工藝可以大大簡化整個生產過程，降低生產費用并且對環境、職業健康以及后續的循環回收使用都是非常友好的。 

2. 柔性的自動化智能制造方案，

       該工藝可以結合現有成熟的塑料工業設備如各種壓機，注塑機，機器人，快速加熱設備，自動傳送線，紅外測量、照相測量和比對設備，針對特定的產品制造，對應的產量和質量要求，定制設計出柔性的自動化生產線，圍繞一體化主機可以根據特定車型特定產品的產質量要求設計出最符合經濟效益的制造方案。

3. 巨大的輕量化潛力，

       產品設計中充分利用不同材料的性能特點，分別利用連續纖維的強度優異和改性增強材料的結構模量，使得產品設計滿足性能標準中要求的強度和剛度的目標，通過現有的產品模擬分析技術，對整體產品的靜態和動態性能指標可進行數值計算分析，預判產品設計的結果，也可以對加工工藝性進行前期的可行性分析，對后續的實際成型的可靠性進行預判和提前避免可能在加工過程中出現的缺陷或者考慮改進設計方案。通過不斷優化產品設計和工藝設計，對于類似金屬產品的輕量化減重目標為30-50%，越是大的部件，減重的比例空間越大。

4. 出色的工業化生產效率，

       對于汽車行業而言，年產2萬輛車輛是每個乘用車企業對每個車型的最低期望，也是企業的生產能否具有技術經濟性的最小規模要求，而目前國內市場上主要廠商的暢銷車型往往能達到年產20-30萬輛份的規模，還有很多年產5-10萬輛份的單一車型，相對于航天航空、風力發電等主要使用復合材料的行業而言，產量是非常巨大的，從而也就要求生產效率非常高，而且主流乘用車是面對著一個非常大眾化的市場，也導致車企對產品成本的控制要有一個較高的水平。以上兩點是傳統的復合材料和工藝技術無法滿足的，而一體化成型技術卻是能夠同時達到效率和成本的要求的。

應用場景：

目前作為原材料的熱塑性連續纖維預浸料片材有國內外眾多的原料廠商從事研發和生產，但在國內對于這類材料的應用開發基本沒有成規模的企業在進行相關的技術研發，而對于在整個汽車行業的應用開發而言，更是需要針對各個細分領域的產品進行相關的應用設計以及可行性分析能力。常熟汽飾作為上市公司對這方面的產品應用分析和工藝技術研發在國內是處于領先地位；我們的研發部門雖然成立僅僅三年時間，但在技術中心建立伊始，我們就對CAD、CAE數字化的產品設計開發技術給與了極大的重視，特別是在CAE能力的建設上歷年都根據實際需要對相應的分析軟件給予投入，在人員上也不斷的招募和培養有關技術人員，同時還和不同的大學院校建立了項目合作和長期合作關系；我們在過去三年內主導、參與并實施了多項概念化產品應用的開發，從性能分析、可行性分析到部分前瞻性研發的項目的產品開發和樣品制造，積累了一定的經驗和技術訣竅。我們圍繞輕量化、環保性、安全性，開展了多款汽車復合材料產品的研發工作。目前已經完成研發并量產的產品包括多款車型的后備箱部件和新能源汽車的動力艙支架，這些設計方案均經過CAE模擬優化，達到了產品原始材料的性能要求，同時大大降低了產品的重量。此外，早在2018年，我公司就對注塑模壓一體化工藝的可行性進行了驗證，生產了新能源商用車的動力電池箱體（圖2d），產品重量由初始的7.7kg(PPS)減輕為4.1kg（CFRP），減重47%。此外，我公司與富晟李爾合作開發了了Mazda CX4前排座盆骨架（圖2e），產品重量由初始的976g(鋼)減輕為450g（CFRP），減重54%，同時成本不增加。該輕量化座盆骨架在富晟李爾實驗室通過了系統測試，基本達到了設計預期。目前，我司正在為美國無人駕駛汽車公司Zoox開發座椅側板，該產品整體注塑，在局部采用CFRP強化，計劃今年年底批產。

未來前景：

可以吸引眾多廠商在國內投資建廠國產化原材料（熱塑性預浸料）以及國內實體對高性能熱塑性材料復合材料的研發和商業化，長遠而言會成長為一個非常有潛力的新興市場。

可以打破汽車行業中對碳纖維材料在汽車零部件大規模使用就可以把成本降下來的不現實的想象，對應車用零部件采用玻璃纖維復合材料的性能就可以滿足，結合采用創性的材料結構設計及零件設計有很大潛力應用于車身覆蓋件及部分結構件領域；同時可以激發航空產業對于高性能碳纖維熱塑性復合材料應用的想象和創新空間，也可以拓展到其他的商用、民用行業，比如電信和5G行業相關的產品。

對于新的電池包產品概念的應用而言，一經應用短期可以實現減重和降本的目標，長期而言可以觸發、建立、完善統一的車用動力電池規格標準，實現大規模和低成本制造，逐步促進形成全新的商業模式，實現充電和儲能的革命。

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