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[复合材料] 汽车CFRP:修补还是更换?

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发表于 2016-4-27 01:16:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
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汽车CFRP:修补还是更换?

汽车CFRP:修补还是更换?

        图1 McLaren 汽车有限公司的MP4-12C超级汽车拥有一个全CFRP的MonoCell硬壳式乘员舱/底盘构造(见分解图中间部分)。作为RTM工艺生产的一体式结构, 这一75kg重的“盆体”不仅为汽车带来了高刚性和高强度/重量比(净重只有1301kg),而且可在撞击事故中确保对乘员的安全保护(图片来自McLaren汽车有限公司)

        当更多的碳纤维复合材料被用于结构性汽车部件时,将如何来评定其撞击后的受损程度?又该如何对其进行修理?
        全球汽车行业所使用的碳纤维增强塑料(简称“CFRP”)的量仍然很低,目前主要局限于赛车、超级跑车和高级豪华车等应用领域。然而,出于对日益严格的燃油经济和碳排放标准的响应,汽车制造商与碳纤维供应商之间新近组成的一系列战略联盟却可以让我们相信,超轻量化的碳纤维复合材料不久将在量产乘用车上得到应用。与此同时,随着加工速率的提高以及原材料成本的下降,必将有更多的广泛采用了碳纤维的量产车行驶上路。然而,不可避免的交通事故却向汽车OEM、经销商和车身修理厂提出了两个极具挑战性的问题:他们将如何评定CFRP结构的受损程度?对于那些受损的结构部件,究竟是修理还是更换,他们又将如何作出决定?
        对于小产量的高端汽车而言,碳纤维复合材料已被用作车身板。那些受损的引擎盖、行李箱盖、顶板、挡泥板和门板等,通常是被拆除后更换。尽管成本不低,但却很少有经济上的诱惑力使人愿意去尝试对这类部件进行修补,并且这在高产量应用中是不可能改变的。然而,当CFRP被用于车底盘上更为重要的结构部件时,更换汽车结构的重要部件可能并不明智。但怎样才是合理的呢?可否找到一种较为经济的方法来修补/重建这些重要的结构件呢?在损坏严重的情况下,整辆车将被废弃,这对于车主和保险公司而言都是不愿接受的。那么,随着CFRP进入汽车的主流应用中,可能会出现怎样的修理策略呢?
       

汽车CFRP:修补还是更换?

汽车CFRP:修补还是更换?

        图2 CFRP还在McLaren MP4-12C的门槛板、方向盘、座椅、内饰装饰板、后扩散器、前扰流器以及外饰转向器上得到了广泛应用(图片来自McLaren汽车有限公司)

        来自赛车的启示
        Ian Thomson是新兴的CFRP零部件生产商Moldex复合材料私人有限公司(印度苏拉特)的技术主管,在为一级方程式赛车和耐用型运动赛车提供先进复合材料解决方案方面拥有超过25年的经验积累。作为撞击/吸能结构方面的专家,他已在其职业生涯中修补了许多受损的CFRP部件。“现在,人们对做这件事情似乎有些担心。”他说,“但是,在过去的许多年里,在1980年代以及在1990年代的早期,我曾与Williams、Ferrari和Sauber一起,制定了一种修理方案,并予以实施。当然,我们并没有让驾驶员们知道。”他笑道。
        Thomson介绍说,在一些非结构性的关键区域,可以发现许多严重的限制性损伤,例如,在与墙发生“轻微撞击”后,车轮被推向底盘中等如此之类的损伤。对此,该团队从目测检查开始,接着进行硬币敲击试验。“有时我们还采用超声波来检查脱胶问题。”他说,“然后,我们来回走动并逐个进行修补。通常,我们会将其装入袋中,并利用发热灯或者是采用硅加热毯来固化修补之处。就一级方程式赛车而言,我们已经拥有了所有的修补工具,可以在公司内部完成这项工作。”
        Thomson提到了一本受欢迎的书,这本介绍修补航空复合材料结构的书让他了解了航空工业的做法。然后,他借鉴了这些技术,使它们适用于赛车领域。因为当时用于汽车的碳纤维复合材料主要是单向层合材料,因此对于非结构性的关键区域,他们通常修补的厚度大约为1 mm,且修补区域会延伸到受损区域以外25 mm的范围。但是对于结构性区域,由于对车辆的悬架或驾驶员的安全起着关键作用,为格外保险,他们通常采用巨大的重复搭接修补方法,并进行验证负荷试验(对悬架搭接修补处,可以做一个简单的扭曲试验,或者做一个推/拉试验),然后将试验结果与这一阶段制好的每一个底盘的记录数据进行比对。“这有助于消除在赛车工程师和驾驶员中传言的所谓‘底盘变软’的说法——这种情况时常发生在铆接的铝制底盘上,而不是碳纤维的底盘。”他补充说。
        “我们通常会取下外表蒙皮,剥开背面,然后取出芯层,通过创建一个带坡度(坡度系数是1/7)的嵌接点而将一块好的修补层粘接在其中。”
       

汽车CFRP:修补还是更换?

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        图3 McLaren 竭尽全力地确保了MonoCell能够通过前端撞击防护罩(crash cans)、后端发动机架以及门结构而得到很好的保护。此图显示了MonoCell在经受多重高速撞击试验后仍完好无损。事实上,在连续3次与混凝土墙碰撞后,该“盆体”结构仍然保持完好(图片来自McLaren汽车有限公司)

        他们通常会使用与原部件同类型的预浸料,但必须具有更加灵活的固化窗口,以确保能在较低的温度下(大约80℃)发生交联反应。“我们携带了一块具有12个月常温寿命的3M预浸料,该材料原本是为军事领域修补子弹孔而开发的。同时,我们使用了一块3M的胶膜,用来将预浸料粘接到受损的部件中。”他回忆说:“如果受损程度很严重,我们就不得不另制造一个预固化的部件并将其粘接到其中,然后我们通常会为此而使用一种糊状粘接剂。”这是3M的另一种产品,被称作“9323粘接剂”,这种多功能的材料能够很好地粘接到大多数的基材上。“我们坚持修补这些汽车并确保它们能够运行起来,有时它们可以运行大约16093km,直到从重量上不再值得这样做为止。”他表示,针对道路汽车的修补策略,可能会根据受损部位的不同而有所区别。“虽然欧洲有许多车身修理厂都能够承接复合材料的修补工作,但如果损伤涉及到底盘,就应该将它送还给‘知道他们正在关注什么’的人。”他劝告说。
        Thomson还与一位欧洲负责结构工程的同事谈论了一个最新案例:在美国“12小时西百灵大赛”中,一辆参与竞赛的CFRP跑车底盘出现了问题,而附近正好有一家高质量的复合材料公司。这家美国复合材料公司的技术指导很有勇气,他指派当时的在场人员来处理这一问题,并对Thomson及其欧洲同事也充满信任。由于这家复合材料公司当时询问了一些很恰当的问题,因此令Thomson及其欧洲同事非常满意,这使该公司完成了对底盘的完美修理。虽然这是一个非常关键的部位,但因为是一个平点,因此修理起来相对比较容易。
       

汽车CFRP:修补还是更换?

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        图4 兰博基尼的新型Aventador LP700-4跑车采用了一体式的、全CFRP的硬壳式结构,其前后部分与刚性铝制下支架连接在一起。这种单体车身设计形成了一个可以保护F1方程式赛车乘员安全的凸形舱(图片来自兰博基尼汽车公司)

        McLaren和MonoCell
        当McLaren汽车有限公司(位于英国Woking)于2011年准备发布其大量采用CFRP的新型MP4-12C超级跑车时,这家汽车制造商作出了 “尽可能提供积极的和可承受的维修保养及备件供应” 的售后服务承诺。这是一件令人欣慰的事,因为这种中型发动机的双座汽车采用了一种一体式的、全CFRP材料的MonoCell结构。对于这种硬壳式构造的乘员舱,大多数的车身厂甚至不具备对其受损程度的评定能力,更不用说修理了。
        虽然MonoCell是一种可预见的构成形式,其上可安装一些关键组件,并可为底盘结构提供比金属底盘更强且更简单的解决方案,但它也很昂贵。因此,McLaren用于修理受撞乘员舱的第一道防线是避免此类情况的发生。这款车以前、后铝制抗冲结构为特色,模仿赛车的底盘结构。“我们竭尽全力来确保MonoCell能得到最佳保护,并且总会有一个‘牺牲元件’首先受到破坏。” McLaren 公司车身结构部门功能小组经理Claudio Santoni说。
        这家公司说,这些“螺栓紧固/螺栓松开”的结构不仅能够吸收大量的冲击能量,而且修理或更换也都很方便且相对便宜。“这款车采用了极高水平的模块化设计。” Santoni介绍说。他声称,使同样的MonoCell车以多重高速度撞击到一面混凝土墙上的试验已证明了他们的策略:甚至经过3次撞击后,乘员舱仍未受到损坏,所有的损坏都被限制到了MonoCell周围的金属结构上。“如果我们针对一个铝制驾驶舱做此试验,它可能已经发生了弯曲和破裂。”他说,“当你将其重新拉直后,焊缝就变得非常脆弱,从而带来了极大的安全隐患。我们现在的做法是采取了一种不同的理念,而且我们相信这比铝结构或钢结构的汽车具有更加明显的优势,因为它们的修理更加频繁,而未被察觉的弱点会给运行带来风险。”
       

汽车CFRP:修补还是更换?

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        图5 一辆Ferrari 一级方程式赛车的底盘部件有多处得到了修理。此图显示出的条状和圆形修补块均采用了碳纤维织物预浸料进行修补(图片来自兰博基尼汽车公司)

        Santoni补充说,在汽车开发过程中的道路事故试验,也表明了McLaren的策略是正确的。在对“牺牲元件”更换后,汽车立即可以重返道路。基于20多年来制造碳纤维超级跑车和运动车底盘所积累的经验,McLaren团队总结说,大多数常见的底盘损伤形式是由石块撞击底板引起的,而在McLaren维修网以外的那些出于好意但又没有得到过培训的机修工们,通常会将一个汽车千斤顶放在错误的位置上,从而导致底板的损坏。
        遇到此类情况,在经过仔细的肉眼检查后,如有必要,可以做超声波检查,然后McLaren会将受损车交给其维修服务网中得到过培训的机修工去完成简单的修理,这可在室温下采取灌注技术来完成。而更加复杂的修理则由设计MonoCell的工程团队来处理。在一个严重事故中,当受损之处足以影响到底盘时,汽车很可能已经受到了严重撞击,并存在其他的损伤。针对这种情况,Santoni表示,在重建独特的MonoCell部分方面(并固定其他的CFRP汽车结构),McLaren技术中心的团队成员拥有大量的经验,因此在这些对撞击性能没有决定影响的部分上面进行修补是可能的。但如果存在任何不确定性,该公司就会更换MonoCell而不是冒险去修理它。Santoni补充道:“碳纤维底盘生产的工业化带给我们的恰恰是:为我们的质量控制而采取的这种‘无风险’决策能力。”
        无边界的出诊医生
        当兰博基尼汽车公司为其2011年发布的配有中型火箭发动机的最新双座车Aventador LP700-4制造预制件时,这家公司竭尽全力对以前的重量和结构刚性基准进行了改进。达到这些目标的关键是使用了比之前的Murciélago车型更多的碳纤维复合材料,同时还得到了来自波音公司和位于美国华盛顿州的兰博基尼先进复合材料结构实验室(简称“ACSL”)的援助,这两家公司均位于美国华盛顿州西雅图。
        与MP4-12C一样,Aventador车也采用了前后连接到刚性铝制下支架上的一体化全CFRP硬壳式构造。但兰博基尼汽车公司却采用了与其英国的竞争者完全不同的设计和制造方法。这种单体的车身设计包封了一个完整的乘员舱,包括:A柱和B柱、车顶以及后部隔离壁,它们形成了一个凸形舱,以保护F1方程式赛车的乘员安全。虽然其性能完美,但整个底盘重量却只有147kg。该车型的制造也在垂直车身板、后发动机装饰盖和后通气孔等处广泛使用了CFRP。
        由于早期就已认识到了如此广泛地使用碳纤维复合材料将给维修带来挑战,因此兰博基尼汽车公司与波音公司和ACSL合作开发了一种评定Aventador车的CFRP部件受损程度的策略,然后为客户提供一块专门的维修场地。兰博基尼先进复合材料研究中心(简称“ACRC”)的维修负责人Casper Steenbergen说:“针对一辆受到撞击的汽车,为了确定是否对其受损部件进行修理或者更换,我们准备了一套完整的策略。当然,我们需要做大量的FEA分析,以此来确定可能影响汽车安全行驶的受损更为严重的区域。”
        作为航空材料及结构件的助理教授,ACSL 负责人Paolo Feraboli博士介绍说,这套用于复合材料修理的策略主要基于从合作研究工作(起始于2008年)中积累的经验和专业知识。作为以前波音公司的签约工程师兼科学家,Feraboli介绍说,几年前,波音公司就在西雅图设立了实验工厂,用来培训兰博基尼的工程师和ACSL成员,以使他们学会碳纤维复合材料的复杂修理工作。然后,ACSL用其学到的知识来为兰博基尼自己的ACRC提供支持,从而为这些车辆开发了一套维修策略并建立了一个全球维修网。ACSL不断地为兰博基尼提供支持,以帮助其不断地开发出依靠更简单的工艺实现快速修理的新方法。
        客户首先需要将其受损的Aventador车拖到最近的兰博基尼经销店或修理车间,在此对汽车进行检查。接着,一份准备好的损坏报告(含有文字和图片资料)会连同一份快速索赔申请,通过兰博基尼的网站通道被提交上来。来自兰博基尼ACRC几个部门的专家们将会审查这些信息并设法评定损坏程度。一旦他们怀疑有更严重的损坏,他们就会派送一名来自专业从事非破坏性检验的外部公司的技术人员去做一次细致的检查。这名技术人员会带上便携式超声波检测仪器和温度记录仪器,用以检查隐藏在汽车关键区域上的损伤。
        之后,含有各种测试结果的第二份报告将被送回到ACRC,在此将通过对照原来的报告对其进行仔细审核。如果ACRC的多学科团队确定损伤已经出现在关键的底盘部件上,其中的一位既懂得碳纤维复合材料技术,又懂得车辆工程技术的受过专业培训的技师,就会被派往现场执行修理工作。这家汽车制造商将这一技术精湛的团队称作是它的“飞行出诊医生”,目前,在全球仅有4名这样的人才。同时该公司声称,一年365天、每周7天、每天24小时,他们能够随叫随到,去往任何地方对复合材料结构受损的Aventador车进行维修。
        当配带好所有必要的工具和材料在现场进行先进复合材料的修理工作时,技师通常愿意作相对直观的修补,或者以更为复杂的共板(从一大块碳纤维复合材料上切割)以对受损区域进行加强。由于这款车组合使用了许多CFRP形式,包括应用在A级或非A级部件上的预浸料和RTM/编织物,因此,技师会准备好所有可能需要的材料,以确保无论何种损坏都能得到修理。
        显然,Steenbergen说,每一位飞行出诊医生的工具箱中都包含有一个热接合器,可以连接到两个不同的加热毯上,每个加热毯都有其自己的控制系统,从而可同时准备好两种固化周期完全不同的材料。
        根据受损程度,修理可能需要1~14天的时间。Steenbergen介绍说,到目前为止,只出现过一次如此严重的意外事故从而要求这样的维修服务。当然,采取如此这样的修理策略,远比更换一个关键的底盘部件或废弃一辆汽车要便宜得多。
        修理粘接的结构
        由于碳纤维复合材料元件通常会与多个金属部件相结合,而且由于采用粘接剂的粘接对于将复合材料部件固定到白车身上是一种经济的且可承受载荷的方法,因此维修可能会存在问题。但是,按照克莱斯勒集团公司SRT工程部门Viper项目经理 Mike Shinedling的说法,情况未必如此。例如,被用于早期Dodge Viper车型上的三层碳纤维增强SMC挡泥板支架,就是采用了亚什兰公司的Pliogrip结构粘接剂而得到粘接的,然后将其铆接在一起(在粘接剂固化过程中,用机械紧固件固定该部件)并粘接到汽车的钢空间结构上。但是当一辆Viper车上的该结构部件受损后,克莱斯勒经销店的技师就会对该部件进行加热,然后取下它,对安装这一部件的区域进行清洁处理,并采用另一级别的Pliogrip粘接剂固定安装上一个新的挡泥板支架组装件。
        “通过采用现代新型粘接剂,使得对粘接接合面的加热和分离不成问题,因而部件是可使用的。” Shinedling说,“对于我们而言,粘接是将各种结构连接在一起以分散部件载荷与功能的更为有效的方法。而且它可提供一种屏障,因而也可消除电腐蚀问题。”他坦承,对于现场的维修技师而言,要在维修或者是更换碳纤维复合材料部件方面作出一个合理判断,却并不总是那么容易。但他补充说:“正如金属部件一样,任何时候更换都是最好的方法。”
        机遇与挑战
        当然,目前众所关注的一大问题是,对于将于2013年发布的宝马i3和i8电动汽车,德国宝马汽车公司将如何对其CFRP的底盘部件制定修理方案?虽然宝马没有对此作出说明,但在此技术平台上10万辆的目标产能却已进入议事日程,这显然比前述的各种超级跑车的订单量要大得多,而且能以少一个数量级的成本进行生产,这就意味着如果宝马公司想让客户满意,就需要以更高成本效益的维修策略确保更多的受损部件可以得到修理。显然,复合材料行业再次面临着发展的机遇和挑战,即与汽车制造商合作,共同制造复合材料(特别是碳纤维复合材料)密集的汽车,而其中的一个现实问题,就是帮助汽车制造商开发出简单、低成本的方法,用以现场评定结构部件的受损程度并对其进行维修。
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