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碳纤尼龙增强材料如何助力汽车制造!

发表时间:2019-02-13 17:09:56

      在之前的军事类碳纤尼龙增强材料的文章,最后有一张由3D碳纤尼龙制造的汽车脚踏板的应用图片,这引起了一些观众的反馈,这次我们好好探究下碳纤尼龙增强如何帮助汽车民用这一重要支柱产业的。

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图为:3D制造的尼龙碳纤材料的汽车零件

  首先,我们得了解目前汽车发展的方向。目前汽车主要有2大发展目标:智能化和节能减排。智能化主要借助AI、神经网络引擎、5G技术这里暂时不做赘述。而节能减排这个大目标又可以细分为:清洁能源、轻量化、发动机、传动系统热效率、机械结构优化、减少风阻和路阻。以现有电动车为代表的新能源车,受制于电池储存技术暂时未有重大突破,只能通过垒砌大电池组来缓解续航问题。提高内燃机热效率近十年来也突破,从30%40%也付出巨大人力财力研究。风阻和路阻也基本难以近期有重大突破。所以现在和未来一段时间是主要看汽车轻量化。

 

轻量化两大要素

1、材料:在没有找到汽车用钢合适的替代材料时,只有寄希望于汽车结构的优化或钢材性能的提高上。但钢材的比重是无法逾越的天敌。故成效不大。寻找最佳的钢材替代材料是汽车界有史以来始终孜孜以求的目标。

2、部件设计:模块化、整体化的设计,可以大大节省连接件的数量和重量。

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使用一体成型零件大大提升制造效率、减少开模费用

通过碳纤尼龙复合材料解决材料问题,通过大尺寸SLS尼龙烧结设备如TPM3DS600解决整体化、模块化和拓扑优化的制造问题,无疑是一条可行的思路。

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图为:S600拥有600x600x800的大空间制造尺寸,可加工尼龙碳纤复合材料

以尼龙碳纤材料为主的CFRP在汽车中应用的十大优越性:

1.比强度高,最佳轻质高强车体材料。

2.轴向强度、模量高、无蠕变、制作传动轴。

3.正面碰撞时成无数细小碎片,吸收大量的撞击能(4倍于钢结构)高安全性。

4.兼备纺织纤维的柔软,可加工性强。

5.有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性好,寿命长,维修费用低。

6.冷热膨胀系数小,极端气候条件下尺寸稳定性高。

7.活性碳纤维超级电容器可提高能量密度,又可降低成本适用于电动车制动。

8.复合材料容易成型,制得满足空气动力学原理及美观需求的外形曲面。 

9.表皮光滑美观,制造车身,可以省去高成本、繁琐的涂装工艺。 

10.将不同零件一体成型,便于汽车结构的模块化、整体化制造。

 

  正是看到这点,如新一代宝马7系列中有三十多种零部件使用了碳纤维复合材料(CFRP),分别有:车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。这些应用等于在节能减排的4个方面中,涉及到了轻量化、发动机和传动系统热效率和机械结构优化、减少风阻和路阻的三个方面。

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图为:正在安装碳钎维复合材料材料的宝马生产线

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宝马全碳纤复合材料轮毂的比一般铝合金轮毂轻35%,这将大大较少车轮的转动惯量(业内普遍共识:车轮1减重公斤约等于车身10公斤)

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图为:福特野马的类似轮毂

 

 

在美国橡树岭国家实验室(ORNL)用熔融沉积制造技术将碳素纤维颗粒打印成一体式汽车底盘。刚度、强度分别提高了5-7倍与3倍不但提高零件的属性,还减少了加工时间。这说明美国政府也十分注重这项材料和3D打印技术对于汽车行业的作用。

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不少赛车也用上3D打印的尼龙碳纤材料(尼龙12+cf)用于提高比赛成绩

总结,未来汽车一定可以在尼龙碳纤材料帮助下完成这些目标:

行驶安全化:强度为钢及塑料的200%及400% 撞击吸收能量4倍于钢;

节能资源化:最适合抵偿新能源汽车能源部分带来的增重;

零件寿命化:高强高模、耐高温、抗蠕变、耐疲劳、防腐;

环境人性化:质轻、转动惯性小,低噪音、阻尼震动,舒适度高;

环保清洁化:废气排放锐减自润滑性免加润滑剂;

车体轻量化:比钢及塑料轻300-400%及30~40%;

车型个体化:加工性良好易形成多种外型。

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