車體制造新紀元BMW i系車型碳纖維技術

>文 吳中元

車體制造新紀元BMW i系車型碳纖維技術

>文 吳中元

車型輕量化技術是每個汽車制造商都不會忽視的研發重點，但真正敢于將前沿科技應用于大批量生產的量產車型，就不是每個制造商都有的魄力了。此時，革命性的車型往往會加速眾多先進科技走入量產領域，比如BMW集團最新的i系電驅動車型。

BMW i3是BMW向市場推出的第一款電驅動量產車型，為城市內的交通提供了一種新的、注重可持續發展的選擇。為了實現它至今為止獨一無二的車體結構設計方案，不僅需要運用先進的輕質材料，而且還要采用創新的生產工藝。

BMW i3創新的車體架構由兩部分構成：一個部分是由鋁合金材料制成的、驅動車輛的“Drive模塊”，其中集成了驅動系統、底盤、蓄電池、結構功能組件和防碰撞功能組件。另一個部分是碳纖維強化塑料（CFRP）制成、構成車廂主體的“Life模塊”。由于采用了革命性的設計方案并使用了碳纖維強化塑料，與一般的汽車制造相比，BMW i3的生產時間縮短了一半。這種工藝并不需要很大的投資，因為取消了一般整車廠的沖壓車間以及傳統的涂裝車間，并且Life模塊和Drive模塊的生產還可以同時進行。在BMW i系車型中的碳纖維強化塑料材料的使用規模，在目前全球汽車業中是絕無僅有的。

對于使用電驅動系統的車輛而言，輕量化車身設計具有非常重要的意義，因為除了蓄電池容量之外，車身重量也是限制續航里程的一個重要因素。車身重量越輕，續航里程也就越大。因此，為了抵消配備電氣組件所帶來的額外重量，BMW i系車型都必須采用這種輕量化車身設計和創新的材料。BMW i3的Life模塊主要由碳纖維強化塑料（CFRP）制成，這種創新的材料是由一家合資企業——SGL汽車碳纖維(SGL ACF)公司生產的。

位于美國莫斯湖的SGL ACF公司，利用碳纖維原絲和熱塑性聚丙烯腈紡織纖維生產出碳纖維材料。這種碳纖維的直徑僅有7微米（人的頭發絲直徑大約為50微米）。然后，為了應用于汽車行業，將大約50 000根這種單纖維整合成“粗紗”，并將其纏繞起來用于下一步加工。

另一個合資企業位于德國瓦科斯多夫的創新工業園，在這里將莫斯湖工廠生產的纖維束按照工業標準加工成輕質的編織物。然后將不同纖維方向的編織物組合成多層的、不同朝向的碳纖維疊層，再進行裁剪。這就構成了在蘭茨胡特和萊比錫的BMW工廠生產碳纖維強化塑料部件和組件所需的原材料。同時，碳纖維強化塑料下腳料在瓦科斯多夫工廠經過再加工，重新用于BMW i系車型的生產。目前，BMW i3所使用的碳纖維中大約10%來自回收材料。

在德國蘭茨胡特和萊比錫的BMW創新和生產中心，將瓦科斯多夫工廠提供的碳纖維疊層加工成BMW i3和BMW i8的車身零件。首先，用一種加熱工具使裁剪下來的碳纖維編織物具有穩定的三維形狀。然后，多個這種預制的預成型坯件就可以組裝成一個較大的部件。這樣就可以生產出大面積的車身部件，這是用鋁合金材料或鋼板很難實現的。在預制和預成型之后，下一個工藝步驟就是利用樹脂模塑（RTM）工藝在高壓下進行樹脂固化。此時，在高壓下將液態樹脂注射到預成型坯件中。首先使碳纖維與樹脂連接起來，然后進行固化，從而使這種材料具有足夠的剛性和優異的性能。經過十年間的不斷研發，BMW專家已經成功地將碳纖維強化塑料部件的生產流程實現了自動化，從而使這種部件的大規模生產既經濟、質量可靠，又工藝穩定。

在萊比錫工廠新建的車身制造車間，將碳纖維強化塑料復合組件拼合起來，這樣就制造出Life模塊的基本結構。由于BMW i3 Life模塊的碳纖維強化塑料結構幾何融合性高，其車身部件的數量只相當于普通鋼制車身的三分之一，整個基本架構由大約150個碳纖維強化塑料組件組成。在使用碳纖維強化塑料制造車身時，既沒有擰緊螺絲或鉚接時所發出的噪聲，也沒有焊接時飛濺的火星，一切連接只使用最先進的黏合技術，并且實現了100%的自動化。BMW研發的獨一無二的車身連接工藝，可以將各個部件在不接觸的情況下精確拼合，以此保證最佳的車身剛性。

BMW i3是第一款完全采用塑料蒙皮的BMW車型。塑料件比鋼板的重量輕了一半，同時是一種不受侵蝕的表面材料，其生產也非常節能。此外，這種材料對于輕微損壞也并不敏感，對于一款城市中行走的車型，特別是電動車來說，這無疑是絕佳的選擇。

BMW i系車型碳纖維技術