多軸纖維增強型全塑制動踏板的大批量生產

自2016年以來，賓利Continental GT就采用了纖維增強塑料的制動踏板，這種制動踏板在近來的工藝開發設計中一直被作為相關安全部件的原型。

制動踏板通常都不屬于視覺亮點的那一類汽車部件，但如果你駕駛的是一輛保時捷Panamera G2或者是賓利Continental GT，那就另當別論了，這兩款車型采用了全塑的制動踏板，由位于德國達默的Boge橡膠與塑料集團進行生產制造，該全塑料制動踏板不僅造型美觀，而且在輕量化與高拉伸、高彎曲、抗扭強度之間實現了完美的平衡（圖1）。也正是由于這個原因，該塑料踏板被評為了2016年SPE汽車大獎車身內飾件類別的第一名。

圖1 全塑料制動踏板的重量只有鋼材踏板的一半左右，由于鑲塊采用多軸纖維層結構Tepex dynalite材料，該塑料踏板能夠滿足各類應用的高負載要求。

這款踏板產品能夠獲得SPE評審青睞的原因有幾點，其一是產品的輕量化，與相同設計的鋼材踏板相比，塑料踏板的重量可以減輕一半；第二個決定因素是其經濟高效的生產工藝，該工藝適合大規模批量化生產制造；另外，獲得特別認可的是其鑲塊由朗盛公司提供的先進多軸纖維層結構Tepex dynalite材料制成，而且踏板部件表面是排列非常規整的連續玻璃纖維，這些因素造就了塑料踏板高科技與動感十足的外觀，非常令人心馳神往。

全塑料制動踏板的生產過程從一塊復合材料鑲塊開始，該鑲塊利用連續纖維層多軸結構進行增強，這款名為Tepex dynalite的連續纖維增強復合材料是由朗盛的子公司Bond-Laminates開發并制造的。聚酰胺6（PA6）基體的注塑與包覆過程相結合，通過采用一次復合成型工藝來成型，這種工藝生產周期短，非常適合大規模的批量化生產。注塑成型材料采用的是Durethan DP BKV60 H2.0 EF，該材料是由60%短玻璃纖維增強而成的PA6。注塑成型的工藝過程使得一些踏板的功能部件能夠集成到一起，這些功能件包括用于踏板支架的導向件和接觸面，這樣就能降低整個部件的制造成本。另外，對于應力較高的區域，還可以選擇性地使用肋材對部件進行增強。針對慣用左手與右手駕駛的車輛，制動踏板被分別設計為兩種不同的版本，兩種情況下，負載的傳遞路徑都進行了優化以應對不同的扭轉方向。

根據組件要求而定制的纖維層

為了實現制動踏板注塑成型規?；可a的成本效益，就需要對連續纖維增強熱塑性半成品的生產工藝進行改良。之前該半成品的生產工藝只能在單個纖維層中實現0°和90°這兩個方向上的連續纖維對齊，但是由Bond-Laminates公司所開發的緯編增強制造工藝，不僅降低了該半成品的制造成本，提升了其效益，而且適用于大規模的批量化生產。

采用這種改良工藝，玻璃纖維層能夠以任何角度來進行排布，這樣就可以自由地根據負載路徑來決定纖維層的排布角度形成層壓結構，完全是按照組件的特定負載需求來精準定制的纖維層制造工藝。相比以往手動輔助的纖維層制造工藝，該新工藝具有強大的技術優勢，因此制造成本相對昂貴?；谶@種多軸熱塑性塑料半成品的新制造工藝，實現了連續生產的第一款輕量化部件就是制動踏板。

圖2 三種不同的層壓結構，右圖中顯示的結構是兩個單向纖維取向的頂層與底層，外加四個±45°取向的內纖維層，該結構最能滿足高拉伸、彎曲、和抗扭強度的要求，是制動踏板的最優化層壓結構。

朗盛公司的HiAnt客戶服務，為制動踏板的設計與構造方案提供多種不同的支持幫助。舉個例子，基于制動踏板指定的安裝空間和負載方向來進行拓撲定制，然后就可以對組件的幾何圖形與肋材模式的初步方案進行模擬計算。在這個基礎之上，Boge公司開發了踏板的整體設計。另外，材料制造商還可以預先利用數學分析法，來確定半成品的連續纖維層結構的可行性，并且通過逐步優化纖維層結構，來滿足踏板的最大斷裂載荷與抗彎強度的要求。采用這種分析方法可以發現，當同時加載了拉伸、彎曲和扭轉應力的混合負載時，僅僅只有0°和90°纖維層排布方向的層壓結構很快就會達到其承壓的極限，且需要較大的厚度配合。但如果采用“混合”多軸層壓結構的話，部件的機械性能就可以得到提升，這里的“混合”結構指的是纖維層排布方向不僅僅是0°和90°，還有+45°和-45°的纖維層取向（圖2）。

更加快速的模擬過程

通過懸垂仿真可以確定層壓結構中每一層連續纖維相對鑲塊的確切位置，了解纖維取向是至關重要的，因為只有基于這一點，才能通過結構分析來準確計算出連續纖維增強部件的機械性能，并針對特定的負載情況進行定制化的組件設計。為此，朗盛公司利用Abaqus與Hyperform程序開發了一款簡化的基于有限元素的仿真工具，該全新的仿真工具在此次的設計中被第一次使用。盡管這款簡化的仿真工具沒有涵蓋所有的成型工藝過程，比如鑲塊的熱處理就沒有納入仿真過程，但是該簡化版的模擬已經完全足夠，可以測試出不同層壓結構在最終成型后的機械性能。采用這種模擬仿真找到最佳的復合物結構后，接下來就可以進行完整的成型過程模擬分析，該模擬則是一項非常耗時又耗力的工作。

圖3 通過快速懸垂仿真創建的鑲塊胚料幾何形狀，與最終確定的胚料幾何形狀。

因為簡化版的計算軟件主要提供關于纖維位置與角度的信息，所以相比完整的懸垂仿真來說，這個模擬仿真過程要快得多，可以幫助大大縮短部件的研發時間。該簡化模擬仿真工具的應用非常廣，可以應用于所有類型的織物和織物層，也適用于不同幾何結構的部件。仿真工具可以表現出成型過程中諸如纖維裂縫或褶皺問題的初步征兆，另外，采用這種方法可以非?？焖俚卮_定出合適的鑲塊胚料的幾何形狀（圖3）。

有機片材的兩步法工藝

根據所施加載荷與特定懸垂過程量身制定鑲塊幾何形狀，加上適合的纖維層取向，光是這兩點還無法保證整個生產過程的可靠性與成本效益。一些邊緣設計細節和成型半徑大小同樣會對生產過程起到至關重要的影響，這些細節包括局部的纖維體積含量、是否容易脫模、空腔容量、熔體澆注以及可能發生的模具沉積等。

眾所周知，有兩種不同的有機片材的處理工藝，分別是一步處理與兩步處理工藝（圖4），無論采用何種方法，第一步都是先將有機片材加熱至成型所需的溫度，再將加熱后的有機片送入成型模具中，通過閉合模具使得有機片成型。與兩步處理過程不同的是，一步處理方法（圖4上半部分）中的有機片材不會完全填滿成型模具的腔體，而是會留有一部分區域，在模具閉合后迅速填充短纖維增強熔體。盡管兩步處理過程需要用到兩個模具，而且工藝鏈相對要長得多，但是該工藝過程對制動踏板的生產來說是絕對有利的，其主要原因是該踏板部件對于表面質量與邊緣設計的特定要求。

圖5顯示了兩種不同處理工藝所獲得的表面質量的差異，從圖中可以看出，通過一步處理法獲得的材質，纖維束之間呈現低基材填充的狀態，這是由于在重新固化過程中低基材壓力所造成的。在一步法的處理工藝過程中，有機片材的成型模具型芯已經加入了肋材部分，當有機片被壓縮到最終的部件壁厚時，聚合物基材并沒有完全被包覆在織物中，而是沿著最小的流動阻力路徑去到連通的肋材部分，最終表面成型所必需的基材壓力并沒有達到或保持，這也導致了肋材區域正向流的形成，從而造成纖維層在整個肋材寬度上的變形。

兼具質量與成本效益

為了將一步法潛在的成本效益與兩步法卓越的部件質量相結合，Boge公司將這兩種工藝進行組合，并開發出了一種新的工藝。在新的工藝方法中，每個模具都有兩個腔體，這借鑒了兩步法中兩個單獨腔體的用法，不同的是，新工藝將原先兩個單獨的腔體做進了一個模具，這樣一來就可以像一步法中實現的那樣，在每次模具閉合實施壓緊動作后都能夠生產制造出一個已經安裝有肋材的部件。該新工藝的出發點其實是兩步法，但是重新調整安排了工藝步驟。這種組合方法中有一個很關鍵的因素，那就是在成型腔體中最終成型的有機片材的邊緣設計，如果成型的有機片材不需要后續的邊緣修剪處理，那就可以在其仍然很燙的時候從成型腔體轉移入注塑腔體用于進一步的處理。

圖5 不同工藝的選擇對部件表面的影響。

圖6的模具示意圖描述了新的組合過程，模具的左半部分顯示，塑化有機片材被送入成型腔體中，在模具閉合動作期間，有機片材被制成U型的形狀，并被壓縮成最終的壁厚，在完全封閉的腔體內達到基材壓力，隨后U型體冷卻至模具溫度并固化。在這種情況下，成型腔體的溫度尤為重要，因為該溫度不僅影響有機片的成型，而且也決定了脫模后連續纖維片的溫度，該纖維片的表面會在之后的注塑成型步驟中與熔體相撞擊。

圖6 經特殊開發的有機片材工藝步驟示意圖。

在模具打開期間，U型體自動脫模并移入相鄰的腔體中，與此同時，下一個經加熱的有機片材被送入成型腔體。當模具再次閉合，短纖維增強熱塑性熔體與U型體碰撞并且牢固地粘結在一起，這個時候又一個連續纖維體在相鄰的那個成型腔體中成型。模具下一次打開時，又一個經加熱的有機片材被送入成型腔體，而剛剛成型的連續纖維體被轉移入第二個腔體中，在這個腔體中剛剛制造出的最終部件則已經被預先取出。由于新工藝流程的巧妙安排，兩步處理法中給成型鑲塊中間加熱的這個步驟就可以取消了，從而縮短了工藝鏈，并且整個工藝流程都是完全自動化的。

生產過程中的光學監控

Tepex dynalite材料已經越來越多地應用于汽車的輕量化設計中，許多量產車型中的部件已經采用了這種材料，比如說座椅靠背、電池外殼、汽車前端、信息娛樂系統支架，以及車身底部的防劃條和通道罩等等部件。為了滿足汽車行業對于高品質的要求，Bond-Laminates公司在其位于德國Brilon的工廠安裝了一套質量控制系統，這套系統是用光學方式對用于汽車制造的鑲塊生產進行監控。對于幾何形狀和纖維角度的偏差，或者是纖維波紋的過大，這些缺陷都能夠被系統檢測出。作為質量控制措施的一部分，系統還會進行邊界樣品的測試。聚酰胺鑲塊采用全自動工藝鏈的組合流程，可以重復制造出高質量的制動踏板。鑲塊的材料特性是恒定的，加上生產過程的持續監控，因此，部件就不需要再考慮額外的安全因素了。

總結與展望

這款制動踏板屬于汽車制造行業中的一個參考應用，其說明了基于連續纖維增強復合半成品的混合設計，特別是超輕量化的安全部件的設計，是可以在大規模量產中實施的。為這些部件專門開發的全自動組合工藝將熱塑性復合半成品的輕量化結構潛力與設計自由度相結合，并且通過注塑成型工藝開辟了功能整合的廣泛應用范圍。

Boge和朗盛公司還在繼續其研發工作，采用這種新工藝流程制造其它的輕量型承載部件，他們主要專注的應用領域有踏板軸承座、安全氣囊外殼、發動機油底殼，變速系統的應用，以及底盤、傳動系統和發動機艙的一些結構部件。超輕量化設計還為電動汽車的先進塑料部件提供了巨大的應用潛力。