汽车复合材料制品全自动智能化技术装备新动向

2017-3-6作者:任明伟来源:原创

【摘要】介绍了机械总院先进制造技术研究中心车用复合材料研发团队围绕轻质高强复合材料在线模压成形、碳纤维复合材料湿法模压成形、复合材料胶接连接等基复合材料先进成形技术与装备开展的研究,并形成了包括结构设计、有限元分析、材料配方、先进工艺、高端装备等在内的成套技术,填补国内空白。

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轻质高强复合材料短流程成形成套技术,在国内属于空白,其中的高效复合设备国际上只有德国科倍隆(Corperion)、日本JSW、美国CW&P公司等少数几家公司掌握。

近年来,机械科学研究总院先进制造技术研究中心车用复合材料研发团队瞄准高性能树脂基复合材料批量制造和应用开展研究,在国家重点研发计划智能农机专项、863项目、高档数控机床与基础制造装备专项(04专项)、江苏省产业前瞻项目、北京市科委新能源汽车项目、科研院所专项、机械总院基金等重大科研项目的支持下,围绕轻质高强复合材料在线模压成形、碳纤维复合材料湿法模压成形、复合材料胶接连接等基复合材料先进成形技术与装备开展研究,形成了包括结构设计、有限元分析、材料配方、先进工艺、高端装备等在内的成套技术。

研究团队近年来持续跟踪国际前沿技术,并独立自主研究高性能复合材料柔性复合技术,以“研制新材料提高制品性能、突破短流程工艺降低成本、开发成套装备提升制造水平”三位一体的总体攻关思路,开发长纤维复合材料短流程在线模压成套设备,生产效率1~3件/分钟,实现了纤维长度在15~60mm范围内可调,长度分布率大于80%,制品中纤维含量在30~60%范围内可控,产能≥500kg/h,目前已建成投产成套设备4台套,涵盖1000吨级、2500吨级、3000吨级、4000吨级生产范围。

开发的轻质高强复合材料短流程成形成套技术,实现汽车复合材料制品的全自动智能化制造,而成套设备成本只有国外的1/4,成套技术主要特点:(1)实现了从化工原材料到制品的直接成形,无半成品过程,能耗降低30%以上,材料成本降低20%,生产效率40~60秒/件(SMC工艺为7~8分钟/件、GMT工艺为4~5分钟/件),解决了汽车高性能复合材料“成本高、效率低”的制约瓶颈问题;(2)制品中纤维长度在15~60mm范围内可控可调,纤维分布误差<±1%,整体模压成形,可实现复杂结构、不等厚结构、金属件嵌套结构的制品一次成形,通过更换模具即可满足汽车上20多个部件的批量制造需要,制品的力学性能提高30%以上,特别是抗冲击性能提高40%以上;(3)自动化:利用人机智能界面、信息化远端控制等技术,实现全线工艺流程在PLC界面实时控制,有效控制复合材料制造装备在复杂工况和运行状态下的动态行为,优化运行参数,串联各工序工艺管控参数,实现实时、动态、柔性化、快速化连续生产,满足汽车复合材料部件高效、高一致性、高性能生产要求。

目前,轻质高强复合材料短流程成形装备及成套技术已经在国内多个汽车制品上获得应用,采用该技术制造长安汽车后防撞横梁总成,在满足碰撞性能的前提下,将5个零部件集成为1个部件,成形时间60秒/件,与金属件相比减重48.7%。利用该技术实现了上汽荣威RX5电池盒、底护板,现代瑞纳后防撞梁,起亚K3隔音板,东风裕隆底护板等部件的批量化制造与装车应用,从2014年至今已供货达21万件,新增产值达到2500余万元,预计今后1~2内产值将新增产值20000~30000万元。轻质高强复合材料短流程成形装备及成套技术形成技术规范5项,申报专利17项(发明13项),获得授权专利5项,软件著作权3项,发表中英文科技论文8篇。

研发团队开发的长纤维复合材料在线模压成套技术,已在山东和江苏2个生产基地获得产业化应用(图1)。目前已有一汽红旗EV电池盖、东风裕隆底护板、长安C204防撞梁、上海大众蓄电池托盘、奇瑞小蚂蚁电池盖、奇瑞M1A电池盖等多个产品获得批产(图2)。特别是本团队开发的长纤维复合材料电池盖模压成形技术,攻克了热塑性复合材料翘曲变形、阻燃等关键问题,形成具有竞争力的核心技术,相关技术处于国内领先地位。

图1 长纤维复合材料在线模压成套设备

图2典型制品:防撞梁(左)、底护板(中)、蓄电池托盘(右)

图3 轻量化电池包壳体系列产品服务一汽、奇瑞车型

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