熊飞：面向制造的设计，是实现碳纤维复合材料量产应用的关键

自宝马率先将碳纤维复合材料大量用于i3和i8等量产车型以来,全球汽车行业掀起了一股碳纤维复合材料应用的热潮,中国也不例外。

然而,时至今日,在中国,真正的量产化应用却微乎其微,除前途K50大量使用了碳纤维复合材料的车身外覆盖件外,几乎没有哪家整车企业将这种材料用于量产车型。

那么,是什么阻碍了碳纤维复合材料量产化应用的步伐?

众所周知,多年来,碳纤维价格高、碳纤维复合材料部件的生产效率难以满足汽车行业大批量生产的要求,这些,一直是整车企业不愿使用这种材料的主要原因,但事实真的完全如此吗?

作为碳纤维复合材料汽车部件的专业生产企业,苏州华特时代碳纤维有限公司(以下简称“苏州华特”)总经理熊飞博士以其亲身实践,揭示了另一个重要原因,他指出,不能面向制造、面向人机工程的设计,才是导致当前碳纤维复合材料汽车部件生产成本居高、最终动摇整车企业量产化应用信心的根本所在。

虽然碳纤维价格较高,但事实上,在碳纤维部件的最终成本构成中,材料成本仅占25%,另外的75%是工艺成本,也就是说,工艺成本几乎是材料成本的3倍,而这其中,相当一部分是由不合理的设计引起的。

他举例说,传统的钢制引擎盖,通常包括内板和外板,两者之间有加强板、铰链、撑杆和锁扣等,同时还含有NVH包和隔热设施,这种设计,对于钢部件的生产方式而言,几乎不存在任何问题,但如果将其套用到碳纤维复合材料上,就会带来工艺的复杂性和可制造性的挑战,增加不必要的工艺步骤和生产难度,引发应用碳纤维复合材料的性价比问题,结果,不仅令碳纤维复合材料的固有优势不能发挥出来,还放大了其生产效率低下的缺点,产品的一次性合格率也明显降低,最终导致生产成本增加,市场局面难以打开。

因此,熊飞博士特别强调了DFM(面向制造的设计)的重要性。

他表示,任何一种新技术、新材料,都不可能十全十美,都有其局限性,碳纤维复合材料包括铝合金也同样如此。

虽然“将合适的材料用到合适的地方”很重要,但同样重要的是,一定要用合适的工艺来做(Right Material in Right Place with Right process,简称“3R”)。

只有遵循材料固有属性的设计,才具备工艺可制造性,才能最大程度地发挥出材料的固有优势,从而以最佳的结构、最好的性能、最高的效率和最低的成本实现替代应用。

“设计是源头!不管设计合理与否,只要整车厂设计出来了,制造端就必须无条件地想办法制造出来,这个过程,可能会付出昂贵的代价,成本很高,最终的结果,就是整车企业认为碳纤维复合材料不好而放弃使用,从而进入‘碳纤维复合材料叫好不叫座’的怪圈。”熊飞博士不无感慨地说道。

作为留学归国人士,他曾服务于国内多家整车企业,担任过研究院副院长、总工程师等职务,因而对汽车的设计开发非常熟悉。

与此同时,作为现任苏州华特总经理,他也亲历了许多碳纤维复合材料部件的开发和试制,对这种材料的工程化应用理解得更加透彻。

这种从甲方到乙方的身份转变,让熊飞博士对当前汽车产业链在新材料(包括碳纤维,也包括铝合金)的替代应用中存在的“设计与制造脱节”的问题感触颇深。

他强调,产品设计,技术路线是否清晰?工程化怎样?这些,决定了在大批量的生产中工人操作和质量控制是否方便并有保障。

优秀的设计、优秀的工程化,就是只要按照操作步骤、生产流程来做,不管是谁都可以生产出满足要求的产品,它对产品全生命周期的各个环节都有着周全的考虑,甚至包括后续的维修、部件更换乃至回收。

显然,这对产品设计工程师提出了很高的要求,他们必须既懂汽车,也懂材料,还要熟悉每种材料的生产制造性。

熊飞博士称这类人才为“复合型人才”。

遗憾的是,正是复合型人才的缺失,才导致了当前碳纤维复合材料汽车部件的设计难以做到面向制造(DFM)、面向成本(DFC)以及面向人机工程(Human Engineering)。

然而,还有一个原因也不容忽视,这就是产品技术路线的顶层决策。

目前,大多数的整车企业在尝试使用碳纤维时,普遍的做法是拿出一款成熟车型中的某个部件作替代应用。

这样做的弊端是,由于该碳纤维部件的设计独立于原先的整车设计,在产品的全生命链上与原整车上其他部件的设计脱节,从而带来了很多工程挑战。

出于谨慎,产品设计工程师不敢或者不能结合碳纤维的特性来对原有设计进行大胆的合理变动,结果,产品虽然可以做出来,却未能真正发挥碳纤维的优势,还增加了生产难度和成本。

因此,熊飞博士特别强调,战略决策非常重要,如果战略没有定好,或者技术路线不清晰,做起来就很费劲,就会出现这样那样的问题,导致产品难以成功。

在此方面,北京长城华冠汽车科技股份有限公司(以下简称“长城华冠”)为行业作出了很好的示范。

由其设计并由其旗下前途汽车(苏州)有限公司(以下简称“前途汽车”)制造的前途K50全电动汽车,大胆地采用了各种先进的轻量化材料:车身结构由铝合金制成,车身覆盖件大量使用了碳纤维复合材料,轮毂为锻铝合金,仪表盘横梁支架和座椅骨架由镁合金铸造而成,因而整辆车不仅轻质,风阻系数小,散热性好,还具有优良的NVH性能,令乘坐更加舒适。

得益于明确的战略决策和清晰的产品定位,这款车的设计人员大胆地摒弃了传统设计的惯性思维,结合每种材料的独有特性进行了开拓性的统筹设计,从而令“从设计到制造”的整个流程较为顺畅,成本得到了控制,生产效率得到了保障——这,正是前途K50带给我们的一点启示。

不可否认,作为各种先进轻量化材料的集大成者,前途K50是成功的,比如,其碳纤维复合材料的车顶,将传统金属车顶的左右A柱、左右上边梁、顶盖、顶盖横梁和纵梁等全部集成为一体,仅需一副模具,一次即可成型,不仅减少了零部件数量,节省了模具成本,简化了后续诸多的工艺步骤,弥补了生产效率偏低的缺点,同时减少了多重工序带来的公差叠加,提高了产品尺寸的一致性,此外还降低了对仓储空间和物流周转空间的需求,从而令复合材料集成化的优势得以充分发挥。

熊飞博士说道:

▶ 目前我们接触到的很多企业都想做碳纤维的汽车部件,却苦于不够了解而无从下手,不知道在哪些地方使用才最适合,以及应该怎样来做。一旦尝到了甜头,相信他们就会在量产车型上大量使用。因此,我认为未来1～2年是碳纤维的市场培育期。

▶ 通过前途K50以及我们的其他碳纤维产品,我们希望能够帮助他们更多地了解碳纤维,让他们知道:采用碳纤维,原来很多部件还可以这样来做。

由熊飞博士领导的苏州华特不仅为前途K50提供碳纤维复合材料的部件,同时也面向整个汽车行业,提供从设计优化到产品制造的一条龙服务。

值得一提的是,自2018年公司成立以来,熊飞博士领导的团队已针对前途K50上的碳纤维部件进行了优化,从而令生产效率更高,工艺成本进一步降低。

熊飞博士坦言,这种“双赢”结果,得益于长城华冠及前途汽车给予的充分信任,从而令其团队在部件优化上拥有了较大的自主性,真正做到了“专业的人做专业的事”,这是确保碳纤维复合材料成功应用的另一关键所在。

诚然,这也是前途K50带给我们的又一重要启示。

“目前我们对碳纤维的应用,还远远没有发挥出它的优势,还需要我们静下心来深入研究。由于碳纤维的各向异性特点,再加上涉及多种原材料,比如纤维、树脂等,因而与钢相比,应用碳纤维复合材料面临的挑战要大得多——产品的尺寸精度、性能稳定性和外观质量等都很难控制。因此,对碳纤维复合材料的应用,需要具有开拓意识的企业、企业领导和工程师。”熊飞博士深有感触地说道。

他表示,目前苏州华特正在尝试一些新的挑战性应用,包括用碳纤维复合材料取代锻铝来制作控制臂,以减轻重量并提高疲劳耐久性;用碳纤维复合材料对金属车身结构作局部增强;通过碳纤维与铝合金一体成型的方式,来解决铝合金车身结构上的接头问题。

与此同时,苏州华特还在积极地开展另外两项极具战略意义的业务:

▶ 一是与原材料供应商合作,共同开发真正适合汽车行业通用(非订制)的满足人机工程要求且价格合理的材料,熊飞博士认为,面向制造、面向人机工程的设计,也离不开材料的改进,比如:预浸料能否常温保存,工人操作时材料能否不粘手,成型过程中能否最大程度地减少材料在模具表面的残留,成型后产品是否易于脱模,如此等等,都是影响效率和成本的重要因素;

▶ 二是对回收材料的再利用,比如将复合材料生产中产生的废弃料回收,制成碳纤维的SMC,用在汽车上对承载要求不高或需要局部增强的地方,以提高材料利用率及降低成本。

提到技术路线,熊飞博士表示,无论长纤还是短纤,热固还是热塑,苏州华特都会开展深入的应用性研究。

通过这些技术研发,公司将不断改进技术方案来提高效率、降低成本。

未来,随着苏州工厂订单的增加,公司还计划新建一个工厂,届时,这些改进的技术方案将直接被移植过去。

苏州华特时代碳纤维有限公司是一家专业从事碳纤维复合材料汽车零部件的研发、生产、销售及提供碳纤维复合材料设计、分析、成型等各方面的技术服务,同时具备以碳纤维复合材料为主的复合材料产品设计、研发、工程服务的高新技术企业。也是具备复合材料产品大批量、自动化制造能力的工业4.0制造企业。公司服务领域以汽车行业为主,并在航空、航天、军工和交通等领域同步拓展。

华特碳纤是国内第一个大批量使用碳纤维的复材供应商,提供前途汽车K50的全车身外覆盖件,CFRP共计46.67kg,年产量2000辆,意味着碳纤维在汽车上外覆盖件的大批量轻量化应用。但是,CFRP的大批量推广应用面临成本高、循环时间长、回收性难等挑战,后期与艾达索公司的合作以上问题能够得到完全解决;如使用艾达索公司开发的CMP预浸料(150℃条件5min即可模压成型复合材料部件,力学性能300Mpa以上模量30Gpa,固化后制品可在设定条件下实现热固性环氧树脂完全降解,纤维跟树脂分离)碳纤维材料循环利用,得到98%以上的利用率从而达到降低成本和循环使用的环保回收要求。