UniFORM工藝：造就循環(huán)時間短，加工成本低的高性能CFRP電動汽車電池外殼

CpK Interior Products Inc. (Corbyville, Ontario, Canada) 是汽車制造商 Stellantis (Hoofddorp, 荷蘭) 的一個部門，專門從事儀表板等汽車內(nèi)飾部件的材料和制造。該公司最近將復合材料電池外殼添加到其產(chǎn)品列表中，此前該公司開發(fā)了一種制造高質(zhì)量、高復雜性的盒子和托盤的工藝，該工藝具有低周期時間和低工具成本?！拔覀兪谴怪闭系模饕铝τ谄噧?nèi)飾應用的材料開發(fā)，”CpK 內(nèi)飾產(chǎn)品研發(fā)主管解釋道。該公司在密歇根州安大略/底特律地區(qū)經(jīng)營著四家工廠，每家工廠都服務于塑料或復合汽車零部件制造過程中的一個步驟。位于安大略省貝爾維爾的樹脂復合工廠生產(chǎn)塑料，如柔性聚氯乙烯 (PVC)、熱塑性聚氨酯 (TPU) 和其他熱塑性塑料。該設施還充當研發(fā) (R&D) 中心，包括新產(chǎn)品領域和新材料的工作，例如天然纖維復合材料和石墨烯增強復合材料。Belleville 的材料被運往安大略省霍普港，在那里它們被制造成塑料部件或與纖維增強材料結(jié)合使用公司的加工能力制造復合部件：注塑成型、樹脂傳遞模塑 (RTM)、熱成型等。在 OEM 交付之前，零件在安大略省圭爾夫的工廠完成并組裝。

電動汽車電池盒：循環(huán)時間更短，質(zhì)量更高

現(xiàn)在，該公司憑借其當前的專業(yè)知識和地理位置，正在進入復合電池外殼的世界。Farrar 解釋說：“安大略省的電動汽車 [EV] 電池供應鏈正在增長，需要輕質(zhì)外殼。我們想抓住這個機會，成為供應鏈的一部分?！盋pK Interior Products 研發(fā)和可持續(xù)發(fā)展負責人指出，許多公司都在研究復合電池外殼，因為與金屬相比具有已知的優(yōu)勢：重量更輕、控制熱管理或控制熱失控問題的能力更強、無 腐蝕等等。CpK Interior Products 希望將其制造低成本、高質(zhì)量塑料和零件的經(jīng)驗與復合材料在此類應用中的優(yōu)勢相結(jié)合。

在CpK Interior的電池外殼設計中，碳纖維復合材料將用于頂部和底部托盤以及電池隔板。

2019 年，CpK 內(nèi)飾產(chǎn)品團隊首先比較了各種加工方法的周期時間、零件質(zhì)量、可能的零件復雜性和模具成本：濕法壓縮成型 (WCM)、高壓樹脂傳遞成型 (HP-RTM) 和預浸料 高壓滅菌。

HP-RTM 和熱壓罐加工生產(chǎn)出高質(zhì)量和高度復雜的零件，但周期時間和模具成本相對較高，而 WCM 能夠以較低的模具成本快速生產(chǎn)零件，但相對質(zhì)量和復雜性較低。

因此，CpK Interior Products 著手開發(fā)一種制造電池外殼的方法，該方法具有熱壓罐或 HP-RTM 加工的質(zhì)量和復雜性，但循環(huán)時間和加工成本比 WCM 更低。

該項目與多個行業(yè)合作伙伴合作，涉及材料開發(fā)和測試以及工藝設計。從研發(fā)實驗室開始，由此產(chǎn)生的流程稱為 UniFORM，“將 WCM 與專有工具設計相結(jié)合，我們在工具中使用真空袋，使我們能夠以極短的周期時間生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，”相關(guān)人員說。

他解釋說：“它的工作方式是我們將織物放入工具中，涂上液態(tài)樹脂，然后關(guān)閉工具。工具保持在樹脂的固化溫度，我們抽真空，零件就成型了?！痹摴に囎罱K成為真空輔助 HP-RTM 和 WCM 的混合體，三個關(guān)鍵要素是真空輔助工具、高溫固化和快速固化樹脂。根據(jù)零件設計的復雜性，演示了需要或不需要預成型的過程。

相關(guān)人員指出，到目前為止，已經(jīng)對多種碳纖維類型進行了測試并確認了其可行性，并且?guī)追N材料的循環(huán)時間都小于一分鐘?；厥詹牧虾托奔y材料也進行了測試，導致循環(huán)時間更長，長達三分半鐘。

第一個電池盒原型

為了測試其新技術(shù)，該公司于 2021 年進入了一家專注于電池外殼設計的北美 OEM。根據(jù)要求的規(guī)格，外殼具有碳纖維/環(huán)氧樹脂頂部和底部托盤，并包括金屬和注塑成型的塑料內(nèi)框架組件。

在復合托盤上，首先使用有限元分析 (FEA) 建模來分析與鋼或鋁相比的抗沖擊性、抗壓性和結(jié)構(gòu)剛度等特性。CpK 內(nèi)飾產(chǎn)品模型通過了每個 OEM 要求。

該公司希望首次研發(fā)工作能夠帶來新的機會，將其研究、材料開發(fā)、制造和組裝能力用于電動汽車電池市場。

最終，使用 UniFORM 技術(shù)構(gòu)建了工具和原型?！拔覀儨y試了在沒有任何預制件的情況下生產(chǎn)電池盒的可能性，只需原材料，”Reddy 說。每個托盤的生產(chǎn)周期為 2 分鐘，纖維體積為 50%。最終重量為每個托盤 44 磅——與 324 磅的鋼制版本相比，重量減輕了 86.4%，與 110 磅的鋁制版本相比，重量減輕了 60%。整體零件厚度為 3 毫米，尺寸為 2,061 毫米 x 1,361 毫米?！拔覀兎浅３晒Γ彼f。

CpK Interior Products繼續(xù)進行內(nèi)部測試——關(guān)于電磁干擾（EMI）屏蔽和其他特性——以產(chǎn)生關(guān)于其能力的完整數(shù)據(jù)集，以提供給潛在客戶。

相關(guān)人員說，最終目標是利用CpK Interior的每一項能力-研發(fā)、設計工程、材料開發(fā)、制造和組裝-以滿足汽車市場對輕量化、高質(zhì)量復合電池外殼的需求，價格和周期時間符合實際。

編譯：賽奧碳纖維
文章來源：CompositesWorld