隨著制造商尋求降低復(fù)合材料部件的成本，設(shè)計人員努力盡可能高效地使用構(gòu)成材料，同時實現(xiàn)自動化生產(chǎn)和多種功能的集成。對于汽車應(yīng)用而言，由于需要短循環(huán)時間，因此這一挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻。

二次成型或者說是包覆模壓成型工藝，即在連續(xù)纖維預(yù)制件頂部注塑成型熱塑性復(fù)合材料，多年來一直被認(rèn)為是一種可能的解決方案。“這種方法已經(jīng)達(dá)到了新的水平，現(xiàn)在實現(xiàn)了熱塑性復(fù)合材料BIW白車身結(jié)構(gòu)的全自動生產(chǎn)?！蔽鞲窭颯GL Carbon公司輕量化應(yīng)用中心負(fù)責(zé)人Christoph Ebel 博士解釋道。
這一進步得益于“骨架”設(shè)計方法，該方法已經(jīng)開發(fā)了好幾年。正如MAI Skelett 項目首次展示的那樣，該工藝涉及使用單向（UD）碳纖維熱塑性塑料，通過兩步法75 秒工藝進行熱成型和包覆模壓， 從而生產(chǎn)出超過以往所有版本要求的結(jié)構(gòu)屋頂構(gòu)件。它還集成了附件夾子，并改變了從脆性到延性失效模式的碰撞行為，以提高BIW 剩余強度。
在寶馬公司的領(lǐng)導(dǎo)下，項目的重點是實現(xiàn)一個特定的目標(biāo)：擋風(fēng)玻璃框架——位于玻璃擋風(fēng)玻璃上方的兩根A 柱之間。其設(shè)計基于目前寶馬i3 的結(jié)構(gòu)，包括所有的功能和空間要求。
擋風(fēng)玻璃框架不僅作為屋頂?shù)臋M向結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 還提供其他功能：剛度，同時降低噪音、振動和粗糙度（NVH）；強度（屋頂壓力測試），有助于滿足碰撞要求；一種用于內(nèi)部部件的固定裝置（例如， 遮陽板、內(nèi)飾，用于照明的燈線束等），以及與擋風(fēng)玻璃、天窗和外部屋頂板連接的支架。
骨架設(shè)計的擋風(fēng)玻璃框架在零件的角落處包含四個UD 纖維增強拉擠桿，封裝在包覆成型的框架中，以提供扭轉(zhuǎn)剛度和復(fù)雜形狀的功能附件。拉擠型材不是全部在一個平面上，而是排列在不同的高度：兩個靠近60 毫米高的部分的底部，兩個靠近頂部。
對于MAI Skelett 擋風(fēng)玻璃框架，最終確定了 10×10 毫米見方的橫截面。目標(biāo)是使用較便宜、較粗的碳纖維束。然而，所選擇的50K 絲束纖維具有無數(shù)長絲的緊密堆積，這使得樹脂浸漬更加困難。

SGL 熱塑性塑料產(chǎn)品經(jīng)理Veronika Bühler 說：“總的來說，這一挑戰(zhàn)可以通過優(yōu)化的纖維引導(dǎo)和擴散來克服，以達(dá)到最佳浸漬和高達(dá)50% 體積的纖維體積含量?！蔽鞲窭颯GL 已經(jīng)掌握了這項技術(shù)，現(xiàn)在提供拉擠成型作為其熱塑性工具箱的一部分。
除拉擠增強材料外，還在MAI Skelett 項目中研究了熱塑性樹脂。測試各種類型的聚酰胺6（PA6 或尼龍6）以確定所需的粘度和流變性，以優(yōu)化拉擠成型質(zhì)量和速度。
SGL 通過其熱塑性工具箱為該項目提供了一系列材料，其中包括UD 帶、有機片、短纖維和長纖維增強復(fù)合材料的短切纖維，以及現(xiàn)在的UD 增強拉擠成型，均基于SIGRAFIL 50K 碳纖維，適用于上漿聚丙烯（PP）和聚酰胺基質(zhì)，包括PA6 或原位PA6。為了實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的最佳性能，必須協(xié)調(diào)纖維、施膠和基質(zhì)。
擋風(fēng)玻璃框架制造的另一個重要方面，是熱塑性半成品在成型過程中和成型后的熱成型能力。這關(guān)系到在包覆成型期間是否能夠進一步實現(xiàn)形狀的功能化以及熔合。兩者都是MAI Skelett 項目設(shè)計中的重要因素。

熱成型和包覆成型
MAI Skelett 擋風(fēng)玻璃框架的生產(chǎn)始于碳纖維/ PA6 拉擠型材。然后必須對它們進行修改，以適應(yīng)組件的形狀以及在不同點處的負(fù)載引入。選擇熱成型來做到這一點，首要關(guān)注的是碳纖維的高強度和剛度只能通過盡可能保持直線來實現(xiàn)。當(dāng)拉擠棒在基質(zhì)流動方向上拉伸，然后在棒的末端變平并彎曲時，實現(xiàn)了這一點。
該方法的第二步是將熱成型拉擠型材放置在紅外加熱器下，使其在不到50 秒內(nèi)達(dá)到溫度，然后使用為此目的開發(fā)的自動處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到注塑模具中。項目中的所有部件均在現(xiàn)有的注塑機上生產(chǎn)。然后將纖維增強的化合物包覆成型到型材上和
周圍。在包覆成型期間，在模具和工藝中都需要精確度，以便將四個熱成型拉擠棒保持在適當(dāng)位置。兩步法，預(yù)成型拉擠成型的熱成型和包覆成型
的總循環(huán)時間約為75 秒。由于熱塑性基體在包覆成型之前會重新熔化，因此可以在非常短的循環(huán)時間內(nèi)將預(yù)制和熱成型棒材成型并粘合到成品部件中。通常，熱塑性塑料的可熔性也能夠與均勻的金屬部件連接。由于熱塑性熱成型和注塑成型工藝具有出色的再現(xiàn)性和工藝控制，這是大批量生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

延展性失效
評估了使用玻璃和碳纖維的相容模塑化合物的PPA 和PA6 型材，以探索該組件的更具延展性的失效模式。雖然更具延展性的失效模式減少了擋風(fēng)玻璃框架的承載能力，但從整體上改善了BIW 的結(jié)構(gòu)完整性。
分析方法包括實體建模、鋼筋建模（ 幾何建模，其中拉擠成型作為鋼筋加強包覆成型）和使用殼單元建模，以及這些的各種組合。軟件包括FE 解算器ABAQUS（ 達(dá)索系統(tǒng)）和由 Sandia National Laboratories 開發(fā)的Dakota 參數(shù)求解器。OptiStruct 用于拓?fù)鋬?yōu)化。
雖然寶馬沒有在其最終項目報告中指定首選材料組合，但它確實得出結(jié)論，最終模擬和測試結(jié)果表明骨架組件超出了當(dāng)前碳纖維增強塑料（CFRP） 部件的所有要求，除了扭轉(zhuǎn)剛度，被確定不是擋風(fēng)玻璃框架的關(guān)鍵設(shè)計驅(qū)動因素。
與當(dāng)前的CFRP 部件相比，骨架設(shè)計超過了碰撞載荷情況下的載荷水平和能量吸收。它還成功地實現(xiàn)了更具延展性的失效模式，這不僅進一步提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的碰撞性能，而且進一步提高了對碰撞性能的理解以及它與整個BIW 結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

未來的骨架設(shè)計應(yīng)用
在MAI Skelett 最終報告中，寶馬指出，它已經(jīng)確定了其他六種車輛部件，這些零部件可以從使用骨架設(shè)計方法顯著降低制造、材料和工裝成本中受益。SGL Carbon 建議在汽車和航天座椅結(jié)構(gòu)、儀表盤、機器人手臂、X 射線工作臺等方面進行應(yīng)用。
然而，骨架設(shè)計方法得到了進一步的發(fā)展，擴展到后續(xù)的MAI Multiskelett 項目中的多軸受力構(gòu)件。它研究了軸承部件和拉擠型材相交的區(qū)域，也研究了高荷載引入?yún)^(qū)域，特別是幾個主要荷載路徑相交的大型結(jié)構(gòu)部件。與之前的Skelett 項目一樣， 對組件設(shè)計和低成本的串行生產(chǎn)線進行了研究。

骨架設(shè)計如何進一步優(yōu)化現(xiàn)有復(fù)合材料部件的一個例子是2017 年由SGL 和汽車技術(shù)專家

加工工藝的主要挑戰(zhàn)是找到最優(yōu)的配置矩陣和纖維材料，纖維長度、層結(jié)構(gòu)和過程技術(shù)，以滿足更加廣泛的需求。
整體設(shè)計是一種排他性的安裝結(jié)構(gòu)，SGL 集團不僅共享其材料和過程的專業(yè)知識，同時也在提供了其在大組件生產(chǎn)的經(jīng)驗。最優(yōu)混合材料以及生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)在單獨的輕量級和應(yīng)用中心（LAC）， 輕量級的解決方案都是設(shè)計用于大規(guī)模生產(chǎn)。
“將來，這部件可以用包覆成型熱塑性型材的設(shè)計取代。”Ebel 說，“這將省略有機片的切割、鋪設(shè)和修剪操作。此外，橫梁也將過時，因為我們將其整合為拉擠型材并包覆它們以實現(xiàn)儀表板設(shè)計。這種包覆成型的部件還可以提供更大的空間和靈活性，以容納所需的附加元件以及用于連接這些元件或電纜等的螺釘和夾子?！?br /> Ebel 承認(rèn)這將是一項巨大的設(shè)計變更?！暗档土顺杀静⑹拐麄€組件更加高效?！?br /> 他指出，設(shè)計一種幾乎沒有浪費的工藝是有可能的，因為型材完全按照所需的長度切割，而且在這些步驟中或在過度成型前的熱成型過程中不會損失碳纖維增強材料。座椅也是骨架設(shè)計的主要候選?！霸趶?fù)合材料中，它們通常由織物或帶制成，并且仍然是片狀結(jié)構(gòu)。但是我們可以通過整合底部的輪廓和增加剛度來減小平面區(qū)域的厚度。拉擠型材不是唯一可以構(gòu)建的有效UD 產(chǎn)品。
“我們正在輕量級應(yīng)用中心吸引了很多公司?！?/p>

Bertrand（t德國Ehningen）開發(fā)的電動汽車碳載體前部內(nèi)部。集成了所有主要功能和裝飾組件。在傳統(tǒng)儀表板中，碳載體基于熱成型有機薄片作為承載“骨架”以增加剛度。
“碳載體”結(jié)合輕量級碳纖維復(fù)合材料和集成功能的“完美的案例”用于“創(chuàng)新型材料混合的汽車行業(yè)”。在輕型結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，碳纖維增強塑料（CFRP） 扮演了重要的角色。整體設(shè)計，是基于在Bertrandt創(chuàng)建的基礎(chǔ)功能包的基礎(chǔ)上開發(fā)模型的前汽車內(nèi)飾及可轉(zhuǎn)換電力驅(qū)動車。模型包括所有主要功能和裝飾組件的傳統(tǒng)儀器面板。結(jié)構(gòu)組件也被重新設(shè)計， 使車內(nèi)感覺更自由、光明和浮動的印象。

Ebel 說，“骨架設(shè)計作為一個額外的創(chuàng)新概念引起了很多人的興趣，并且被我們的訪客看作是非常有前景的?！痹撝行囊呀?jīng)建立了自己的設(shè)計能力，可以幫助公司整合創(chuàng)新的想法，如骨架概念，為未來的材料高效組件開辟新的設(shè)計空間。
“在很多應(yīng)用中，我們可以使用類似擋風(fēng)玻璃框架的設(shè)計。”布勒說，“對于碳纖維行業(yè)來說，從準(zhǔn)各向同性鋪層發(fā)展是很重要的，這使得碳纖維的強度和剛度有了很大的提高。相反，我們必須開發(fā)更有效的材料形式，把每一種材料只放在需要的地方。這是這個行業(yè)未來所需要的?！?br /> （來源：榮 格）