碳纖維材料助力電動車輕量化

“ 為電動車減負。”

還記得之前在有關(guān)Rivian的一些介紹信息中提到過，Rivian的電池包是用碳纖維材料封裝的（可能是考慮到越野屬性，需要確保足夠的強度）。

最近威廉姆斯先進工程公司（Williams Advanced Engineering，威廉姆斯旗下的技術(shù)服務公司）開發(fā)了一組碳纖維相關(guān)的技術(shù)，可大幅降低碳纖維材料在汽車行業(yè)領(lǐng)域使用的成本，他們還特別提到電動車領(lǐng)域的應用。巧合的是Rivian也恰好在英國有一支技術(shù)團隊，是原來邁凱倫的工程團隊。不知道這些從邁凱倫出來的團隊和這項技術(shù)有沒有關(guān)系。
 

CFRP材料
 

威廉姆斯的這組技術(shù)被稱為“223”和“Racetrak”（名字聽起來咋趕腳就是出自賽車技術(shù)呢？），可實現(xiàn)與現(xiàn)有復合材料解決方案相當?shù)男阅?，卻在成本方面能夠達到主流應用的接受范圍。
 

這些不僅僅是制造方面的創(chuàng)新，也是端到端的全生命周期的解決方案，可以解決碳纖維增強聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer，以下簡稱CFRP）的制造、使用和再循環(huán)的各個方面，以及為車輛設(shè)計和制造提供一種新的方法。
 

CFRP是一種具有巨大潛力的材料。它有著很高的強度重量比，出色的剛度、抗疲勞性和耐環(huán)境性使其成為各行業(yè)和應用中非常重視的技術(shù)。特別是在汽車行業(yè)中，輕量化被視為滿足日益嚴苛的燃油經(jīng)濟性和排放目標所需的主要途徑之一，對于電動車輕量化來講更是有意義（除此之外，還有望拓展到鐵路車廂、風力渦輪機等應用領(lǐng)域）。
 

但仍有許多因素阻礙了CFRP的大規(guī)模應用。其中最主要的是成本，傳統(tǒng)復合材料的生產(chǎn)方法涉及昂貴的材料和漫長的加工時間，且廢品率還相對較高（通常約30％），以及用傳統(tǒng)工藝很難在產(chǎn)品生命周期結(jié)束時找到回收價值。
 

正因為這些問題使CRFP的應用主要局限于小眾應用。例如，在汽車領(lǐng)域，采用傳統(tǒng)復合技術(shù)生產(chǎn)的白車身通常比鋼結(jié)構(gòu)輕約60％，但成本卻是20倍。所以我們也只能偶爾在一些高端小眾的車型上看到該技術(shù)的采用（比如早期寶馬i3，后來寶馬也燒不起了）。
 

威廉姆斯的創(chuàng)新技術(shù)就旨在解決這些挑戰(zhàn)，釋放CFRP的優(yōu)勢。
 

223工藝

先說說223，它的核心是將機織干纖維增強片與單獨制備的樹脂基質(zhì)整合在一起的完全不同工藝（目前還比較保密）。

223工藝被認為是從二維創(chuàng)建三維復合結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟有效的手段。它適用于盒狀幾何形狀，例如用于電動車的電池外殼，或甚至可能是用于車身外板。

223非常適合當前由許多單獨組件組裝的結(jié)構(gòu)。一個很好的例子是汽車白車身，它通常由大約300個沖壓件組成（同時需要600種不同的工具）；一般來說大件（例如前/后備箱蓋、頂蓋或側(cè)圍這類大件的外板）一般需要四道沖壓工序。如果使用223，就可以減少沖壓的工序，可在一臺壓機上完成。這會大大降低成本，要知道在四大工藝中沖壓的模具和壓機是最昂貴的。

這與等效的鋁合金材料相比，可以減重25-30％。而與傳統(tǒng)的復合材料解決方案相比，可以以更低的成本實現(xiàn)更大批量的生產(chǎn)。

Racetrak

Racetrak是用于創(chuàng)建連接兩個或多點的高強度的結(jié)構(gòu)件（這個在沖壓件上不屬于大件，很多主機廠車型一多會把部分外包出去）。該技術(shù)可以讓例如像碳纖維這種單向材料的連續(xù)循環(huán)提供極高的環(huán)向強度。當與高水平的自動化相結(jié)合時，可以實現(xiàn)比傳統(tǒng)復合材料替代品輕得多的經(jīng)濟實惠的組件。

在用于汽車領(lǐng)域的情況下，會比鋁板輕40％左右、比鋼板輕60％，而且還相比鋁板更具有成本競爭力，此工藝可實現(xiàn)每年50萬套。

老實說，這部分更詳細的技術(shù)解釋，我沒肯動，需要進一步學習下。

之前Munro說到model 3的fit&finish的問題時就聊到過一些鋁制車身和碳纖維車身的問題。說到目前鋁制車身的sweet point在7萬臺/年（稍微明白一點沖壓的就知道，鋁板粘性高，沖出來毛刺會比較多。而且也由于粘性高，沖壓速度上要比鋼板低很多，良品率較低），而碳纖維的話也就是5萬臺/年。一旦超出這個量最好還是用回鋼板。不知道這套技術(shù)是否會為電動車的輕量化帶來一定的飛躍。

上圖是威廉姆斯公開的采用了223與Racetrak工藝的電動車平臺概念。