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碳纖維應用對汽車制造成本的影響

發布時間：2017-06-02

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行內人普遍認識到，成本高是制約碳纖維復合材料（CFRP）在汽車中批量應用的一個重要因素，甚至有人認為，一旦使用碳纖維復合材料就會大幅提高制造成本，這也是CFRP在汽車應用普及中的最大障礙。毋庸置疑，碳纖維零部件原材料價格就比較高，目前碳纖維原絲市場每公斤價格在120元人民幣以上，是玻纖價格的10倍以上。另外，與碳纖維配套使用的環氧類樹脂等基體的價格也居高不下，但是原材料價格還不是碳纖維零部件價格昂貴的主要原因，復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提高汽車制造成本呢？事實上，一些CFRP企業已經在通過工藝改良積極降低生產成本，而且從另一個角度上說，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的量產化就是最明顯的例證。為了量產I3，寶馬與CFRP企業合資生產，并采用全新的汽車生產工序。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個部件進行接合的方式組裝骨架，對模具整體加熱，使成型品達到硬化。所謂RTM法即通過對碳纖維織物等進行預成型，制作產品形狀的預成型坯，將預成型坯固定在模具上，澆注熱硬化性環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，這種材料不僅生產效率高，而且其節拍時間與汽車的組裝線相同，具有能夠與其他工序同步的優點。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個部件聽起來似乎很多，但與利用鋼板制造框架相比，數量已經減少了約2/3。更高的生產和組裝效率為I3量產車減少了相當多的人力成本，這也成為碳纖維部件全面進入普及型汽車量產化的重要優勢。

與寶馬I3類似，為了實現碳纖維復合材料組件在普通量產車中的運用，Prodrive公司的解決方案是通過減少在部件組裝中進行的剪切、緊固、線程插入等步驟，實現更簡潔、強度更高的組裝件，尤其是在汽車內飾應用方面。

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立工序中采用優化過的工藝，可以采用直接鑄造的高質量復合材料板，使其相比傳統工藝制成的鉸接件成本低得多，此外由于節點減少，因此組件的機械強度反而更高。通過一個預先塑造好的模具件，采用塑料反向注塑工藝將結構復雜的組件進行覆蓋，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。而之前的復合組件的生產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，這不僅延長了整個生產過程的時間線，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。通過這樣一個新工藝制作一個組件的成本為傳統工藝的60%，但是最終兩者在外觀上完全相同，甚至新工藝還實現了更高的質量。

對此，Prodrive復合材料工程經理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，我們認為新的方法能夠使碳纖維復合材料組件離大眾市場更近。”目前，Prodrive公司已經開始利用這項工藝進行2款高端汽車的內飾組件生產。

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制造企業以及主機廠的密切配合，通過CFRP企業為汽車生產線的需求整合、二次開發形成更高的生產效率，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零部件供應商”的聯盟式產業化布局可以有效解決車用CFRP應用量產化的成本問題。但是不容忽視的是，目前國內不僅缺乏這類密切匹配的產業聯盟，也尚未形成實質性的研究、設計、開發、制造、裝備、檢測、應用評價等一條龍產業鏈，在CFRP部件的質量控制、裝配技術方面與國外的差距也相當大，仍有巨大的空間值得我們進一步研究和完善。

寶馬碳纖維

對于汽車制造商來說，在建立整體行業聯盟時，要謹慎認真地選擇一家碳纖維復合材料的生產加工商進行強強聯合、緊密合作，共同開發潛在需求構件的設計研發問題，這樣更有利于全套解決方案的制定和實施。而且這種選擇必須基于對CFRP企業技術層面全面考核的基礎之上，特別是對方在“產學研”的深度和硬件設施的配備方面。在CFRP行業深耕多年的無錫威盛新材料有限公司為了保持行業的領先性，先后與國內多家高校及科研院所建立了長期合作關系，擁有研發新型碳纖維復合材料和材料性能測試所需要的各種大型進口儀器和設備的優勢條件，這也是中國中車集團、上汽集團等軌道交通企業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展規劃的CFRP企業來說，在進一步改進生產工藝，提高合格率和制成率的同時，也有必要對可用于汽車輕量化發展的可快速成型、可一體化設計的汽車零部件進行優先開發。無錫威盛新材料有限公司在加強產學研合作的同時，就非常重視與碳纖維配套的樹脂體系研究，其研發中心的負責人稱：“我們對樹脂體系進行系統性的研究，主要目的是拓展碳纖維復合材料根據產品需要設計樹脂體系的范圍，便于生產出適用于汽車主機廠所需要的碳纖維復合材料結構件，并在一定程度上降低碳纖維復合材料的生產成本。”

總之，CFRP企業主動向汽車主機廠緊密靠攏的方式，有效降低了汽車生產方使用碳纖維部件的生產成本，這也將進一步推進CFRP在汽車領域的量產化應用。（文章來源：中國建材網）

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