傳統(tǒng)成型工藝分類

要探討碳纖維單體殼車身的成型，就必須先來了解一下目前汽車制造行業(yè)里關(guān)于車身部件成型的方式究竟有哪幾種。

以材料作區(qū)分，我們可以把車身結(jié)構(gòu)件及覆蓋件成型方式分為冷、熱軋?zhí)幚砗蜔崴艹尚蛢煞N。

金屬構(gòu)件一般采用冷軋或熱軋技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)成型，不在本文討論范圍之內(nèi)，暫且不表。熱塑成型則主要運(yùn)用于除金屬零件之外的復(fù)合材料成型。根據(jù)模具的成型原理不同，一般運(yùn)用在汽車產(chǎn)品上的非金屬零件成型工藝無外乎注塑、吹塑、吸塑這幾大類型。當(dāng)然，在這幾大類型還可再細(xì)分出二次注塑、陰模吸附等門類，此處不多贅述。

碳纖維單體殼成型工藝

對傳統(tǒng)材料成型工藝有了了解，再談碳纖維單體殼車身的工藝特殊性就容易理解多了。從本質(zhì)上碳纖維單體殼屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的范疇，所以在成型技術(shù)上也與傳統(tǒng)材質(zhì)有著很大區(qū)別。

整體上看，作為復(fù)合材料的碳纖維單體殼車身只需一道工序就可以完成材料的成型以及結(jié)構(gòu)的成型，這也就使得碳纖維單體殼車身在設(shè)計之初就必須把結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的成型工藝緊密的聯(lián)系起來。當(dāng)然，這種將材料成型和結(jié)構(gòu)成型同時完成的特質(zhì)也為其成型方法提供了更多選擇。

以碳纖維為代表的樹脂基復(fù)合材料的成型工藝可以分為纖維預(yù)浸成型和預(yù)成型件樹脂轉(zhuǎn)移模塑成型。說來拗口，簡單點(diǎn)描述，前者就是先將碳纖維簾布提前在樹脂里進(jìn)行浸泡，讓樹脂包覆在這塊簾布上。由于簾布上已經(jīng)布滿了樹脂，所以在成型的過程中就不再需要樹脂。后者則是先將簾布鋪在模具上，然后在成型過程中加入樹脂，這一成型方式基本等同于傳統(tǒng)車型上塑料零件加玻纖的成型方式。

正如上一期在介紹碳纖維單體殼車身時說到的那樣，哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊的賽車均采用碳纖維預(yù)浸成型技術(shù)，而這一技術(shù)的優(yōu)勢只有兩個字——成本。

具體來看，根據(jù)所用設(shè)備的不同，碳纖維預(yù)浸成型技術(shù)又可分為熱壓罐成型、真空袋成型、壓力袋成型、軟膜成型以及壓膜成型五種。

其中，熱壓罐成型是目前運(yùn)用為廣泛的先進(jìn)復(fù)合材料成型工藝，F(xiàn)1賽車的碳纖維零件就是采用這一技術(shù)打造的。按此工藝，經(jīng)過預(yù)浸處理的碳纖維材料依照成型工藝的要求貼服在模具上形成毛坯，然后通過各種輔助材料將毛坯根據(jù)所需特征進(jìn)行隔離，再在真空壓力、均勻的溫度以及空氣壓力下實現(xiàn)樹脂的固化。

論及好處，熱壓罐成型方法得到的零件具有均勻的樹脂含量、更為緊密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而零件的內(nèi)外表面質(zhì)量也得以很好的保證。當(dāng)然，其弊端就是模具成本太高，非金屬模具難以勝任，且較大的壓力還有可能造成蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的破壞，所以并不適用于哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊的三明治車身結(jié)構(gòu)。

熱壓罐成型示意圖

真空袋成型方法

為了解決成本的問題及工藝對成型結(jié)構(gòu)的限制，哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊賽車的單體殼車身選用了真空袋成型方法。這一成型方法與塑料零件的吸塑原理相類似，即用真空袋形成類似于注塑模具中的陽模，陰模依然存在，通過對模具抽真空，進(jìn)而使得碳纖維預(yù)浸布夾在其中完成成型。

真空袋成型示意圖

工藝方面，與熱壓罐成型相比，真空袋成型方法區(qū)別在于真空袋外沒有空氣壓力，也無壓板的作用，所以使用烤箱就可以完成碳纖維單體殼車身的成型。且采用真空袋成型方法對于模具的要求極低，一般來說只要耐高溫的玻璃鋼材質(zhì)就可以實現(xiàn)，而模具也幾乎不需要任何保養(yǎng)。

另外，由于運(yùn)用了碳纖維預(yù)浸布，所以在成型過程中無需考慮樹脂材料的注料口，也不需要再去考慮樹脂材料的固化問題，只需要在模具上制作真空孔，并且設(shè)定合適的出模角度就可以完成。與此同時，對于碳纖維單體殼車身這種出模就需要內(nèi)部架構(gòu)的零件而言，真空袋成型方法還很好的解決了內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易倒扣和脫模問題，因此正對HRT車隊的胃口。

成本方面，眾所周知，由硬質(zhì)的陰陽兩模構(gòu)成的模具結(jié)構(gòu)是無法一次性構(gòu)成內(nèi)部中空的立體結(jié)構(gòu)的，而真空袋成型方法中真空袋的作用可以認(rèn)為是起到陽模的作用，且在成型結(jié)束之后，只需要把真空袋拆掉就可以，完全不存在零件無法脫模的問題。故HRT車隊的碳纖維單體殼車身僅僅需要上下兩幅陰模即可成型，這便大大節(jié)省了制造模具的所需花銷。

當(dāng)然，真空袋成型方法的缺點(diǎn)也很明顯。

首先，由于真空壓力多只能達(dá)到0.1Mpa，所以這一成型工藝僅僅適用于1.5mm以下的碳纖維材料以及蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

其次，由于采用真空袋來充當(dāng)陽模，所以零件內(nèi)表面的質(zhì)量真心不敢恭維。

但對于HRT賽車而言，這些都不是問題。其一，1.5mm以下的碳纖維材料已經(jīng)足夠造車之用。其二，零件的內(nèi)表面并非A面，不會影響外觀。更何況，零件內(nèi)表面的質(zhì)量完全取決于鋪設(shè)預(yù)浸布和真空袋時的手工質(zhì)量，只要多加細(xì)心，便會大有改觀。

具體來說，哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊的碳纖維單體殼車身在成型過程中對于模具內(nèi)部材料的鋪設(shè)分為三層。第一層是預(yù)浸布，第二層則是經(jīng)過隨型處理的蜂窩鋁材料，第三層還是預(yù)浸布。三層材料之外，是外層的真空袋。

而為了保證成型的真空度，HRT車隊在進(jìn)行碳纖維單體殼車身成型時又在模具的外表面覆蓋了一層真空袋。所以當(dāng)模具放入烘烤爐進(jìn)行成型的時候，看上去就像是一只正在烤制的叫花雞。成型之后，上下模具拆開，HRT車隊的碳纖維單體殼也就大功告成。

小結(jié)：

車云菌以哈爾濱工業(yè)大學(xué)HRT車隊為背景，通過四期文章，對碳纖維單體殼車身的結(jié)構(gòu)特性、設(shè)計難點(diǎn)及制造工藝進(jìn)行了解讀。雖然時至今日，該技術(shù)還無法完全在民用車中得到普及，但我們有理由相信，隨著福特GT、寶馬7系等車型的接連試水，距離其技術(shù)下放的時刻已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。