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碳纖維應(yīng)用對汽車制造成本的影響

發(fā)布時(shí)間：2017-06-02

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行內(nèi)人普遍認(rèn)識到，成本高是制約碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在汽車中批量應(yīng)用的一個(gè)重要因素，甚至有人認(rèn)為，一旦使用碳纖維復(fù)合材料就會(huì)大幅提高制造成本，這也是CFRP在汽車應(yīng)用普及中的最大障礙。毋庸置疑，碳纖維零部件原材料價(jià)格就比較高，目前碳纖維原絲市場每公斤價(jià)格在120元人民幣以上，是玻纖價(jià)格的10倍以上。另外，與碳纖維配套使用的環(huán)氧類樹脂等基體的價(jià)格也居高不下，但是原材料價(jià)格還不是碳纖維零部件價(jià)格昂貴的主要原因，復(fù)雜的制造工藝才是其決定性因素。那么，是不是使用碳纖維組件一定會(huì)提高汽車制造成本呢？事實(shí)上，一些CFRP企業(yè)已經(jīng)在通過工藝改良積極降低生產(chǎn)成本，而且從另一個(gè)角度上說，在部件加工、組裝等程序方面，使用碳纖維組件本身就是在有效降低汽車制造的成本。

寶馬i3汽車

寶馬I3的量產(chǎn)化就是最明顯的例證。為了量產(chǎn)I3，寶馬與CFRP企業(yè)合資生產(chǎn)，并采用全新的汽車生產(chǎn)工序。通常的汽車組裝線是利用焊接的方式接合沖壓成型的鋼板，而I3則使用RTM法對約150個(gè)部件進(jìn)行接合的方式組裝骨架，對模具整體加熱，使成型品達(dá)到硬化。所謂RTM法即通過對碳纖維織物等進(jìn)行預(yù)成型，制作產(chǎn)品形狀的預(yù)成型坯，將預(yù)成型坯固定在模具上，澆注熱硬化性環(huán)氧樹脂等材料的成型方法。I3的RTM法成型周期約為10分鐘，1分鐘即可成型，這種材料不僅生產(chǎn)效率高，而且其節(jié)拍時(shí)間與汽車的組裝線相同，具有能夠與其他工序同步的優(yōu)點(diǎn)。更重要的是，其骨架的組裝完全不借助焊接，組裝線上也不再有焊接工序。約150個(gè)部件聽起來似乎很多，但與利用鋼板制造框架相比，數(shù)量已經(jīng)減少了約2/3。更高的生產(chǎn)和組裝效率為I3量產(chǎn)車減少了相當(dāng)多的人力成本，這也成為碳纖維部件全面進(jìn)入普及型汽車量產(chǎn)化的重要優(yōu)勢。

與寶馬I3類似，為了實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料組件在普通量產(chǎn)車中的運(yùn)用，Prodrive公司的解決方案是通過減少在部件組裝中進(jìn)行的剪切、緊固、線程插入等步驟，實(shí)現(xiàn)更簡潔、強(qiáng)度更高的組裝件，尤其是在汽車內(nèi)飾應(yīng)用方面。

可供借鑒的方法有很多，比如在螺紋緊固件的插入和固定這類獨(dú)立工序中采用優(yōu)化過的工藝，可以采用直接鑄造的高質(zhì)量復(fù)合材料板，使其相比傳統(tǒng)工藝制成的鉸接件成本低得多，此外由于節(jié)點(diǎn)減少，因此組件的機(jī)械強(qiáng)度反而更高。通過一個(gè)預(yù)先塑造好的模具件，采用塑料反向注塑工藝將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的組件進(jìn)行覆蓋，從而最后得到成品，相比分步驟地逐漸鉸接來說，這樣的工藝要利落的多。而之前的復(fù)合組件的生產(chǎn)過程中則需要許多人工操作的介入，包括鉸合過程和手工修飾工序，這不僅延長了整個(gè)生產(chǎn)過程的時(shí)間線，還必須付出較為客觀的人工成本。如果通過前面所述的自動(dòng)化工序，這些冗余的人工工序都可以簡化或者取消。通過這樣一個(gè)新工藝制作一個(gè)組件的成本為傳統(tǒng)工藝的60%，但是最終兩者在外觀上完全相同，甚至新工藝還實(shí)現(xiàn)了更高的質(zhì)量。

對此，Prodrive復(fù)合材料工程經(jīng)理Gary White明確表示：“我們希望減少部件在組裝過程中的成本，不僅僅指的是組件本身，還包括組裝工藝。從更宏觀地角度來說，我們認(rèn)為新的方法能夠使碳纖維復(fù)合材料組件離大眾市場更近。”目前，Prodrive公司已經(jīng)開始利用這項(xiàng)工藝進(jìn)行2款高端汽車的內(nèi)飾組件生產(chǎn)。

不論是寶馬I3還是Prodrive，它們之所以能有效降低碳纖維部件的使用成本，主要靠的還是與CFRP制造企業(yè)以及主機(jī)廠的密切配合，通過CFRP企業(yè)為汽車生產(chǎn)線的需求整合、二次開發(fā)形成更高的生產(chǎn)效率，減少人工成本，從而降低汽車的整體制造成本。簡單地說，“汽車制造商CFRP零部件供應(yīng)商”的聯(lián)盟式產(chǎn)業(yè)化布局可以有效解決車用CFRP應(yīng)用量產(chǎn)化的成本問題。但是不容忽視的是，目前國內(nèi)不僅缺乏這類密切匹配的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，也尚未形成實(shí)質(zhì)性的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、裝備、檢測、應(yīng)用評價(jià)等一條龍產(chǎn)業(yè)鏈，在CFRP部件的質(zhì)量控制、裝配技術(shù)方面與國外的差距也相當(dāng)大，仍有巨大的空間值得我們進(jìn)一步研究和完善。

寶馬碳纖維

對于汽車制造商來說，在建立整體行業(yè)聯(lián)盟時(shí)，要謹(jǐn)慎認(rèn)真地選擇一家碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)加工商進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合、緊密合作，共同開發(fā)潛在需求構(gòu)件的設(shè)計(jì)研發(fā)問題，這樣更有利于全套解決方案的制定和實(shí)施。而且這種選擇必須基于對CFRP企業(yè)技術(shù)層面全面考核的基礎(chǔ)之上，特別是對方在“產(chǎn)學(xué)研”的深度和硬件設(shè)施的配備方面。在CFRP行業(yè)深耕多年的無錫威盛新材料有限公司為了保持行業(yè)的領(lǐng)先性，先后與國內(nèi)多家高校及科研院所建立了長期合作關(guān)系，擁有研發(fā)新型碳纖維復(fù)合材料和材料性能測試所需要的各種大型進(jìn)口儀器和設(shè)備的優(yōu)勢條件，這也是中國中車集團(tuán)、上汽集團(tuán)等軌道交通企業(yè)及汽車制造商將其選定為合作對象的重要原因。

對于有車用碳纖維零部件發(fā)展規(guī)劃的CFRP企業(yè)來說，在進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高合格率和制成率的同時(shí)，也有必要對可用于汽車輕量化發(fā)展的可快速成型、可一體化設(shè)計(jì)的汽車零部件進(jìn)行優(yōu)先開發(fā)。無錫威盛新材料有限公司在加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作的同時(shí)，就非常重視與碳纖維配套的樹脂體系研究，其研發(fā)中心的負(fù)責(zé)人稱：“我們對樹脂體系進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，主要目的是拓展碳纖維復(fù)合材料根據(jù)產(chǎn)品需要設(shè)計(jì)樹脂體系的范圍，便于生產(chǎn)出適用于汽車主機(jī)廠所需要的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，并在一定程度上降低碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成本。”

總之，CFRP企業(yè)主動(dòng)向汽車主機(jī)廠緊密靠攏的方式，有效降低了汽車生產(chǎn)方使用碳纖維部件的生產(chǎn)成本，這也將進(jìn)一步推進(jìn)CFRP在汽車領(lǐng)域的量產(chǎn)化應(yīng)用。（文章來源：中國建材網(wǎng)）

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