复合材料的电池防碰撞护罩：新颖的材料、成型与切割

新颖而不是新型

为电池防护罩而选用的材料是Quadrant Plastic Composites AG提供的一种4.3mm厚的层压板，它组合了多层编织、定向的玻璃纤维毡与随机取向的50mm长短切玻璃纤维构成的芯材（图片来自Quadrant Plastic Composites AG）

由Quadrant Plastic Composites AG（简称“QPC”，位于瑞士Lenzburg，是三菱化学的一家子公司）提供的采用聚丙烯基体的3个商用级别的GMTex玻纤织物增强复合材料得到了评估。

最高性能等级的材料厚4.3mm，采用了多层编织、定向的玻璃纤维毡（4/1织法，0°/90°）及随机定向的50mm长短切玻璃纤维芯材。

通过将机织纤维与短切纤维结合在一起，提供了一种高抗冲、一致而均匀的层压材料，玻纤在树脂中的重量百分比达到61%。

中间级别的材料厚3mm，它将编织的玻璃纤维织物与多层短切玻璃纤维结合在一起，玻纤在树脂中的重量百分比为40%。

第三个级别厚1.8mm，在较薄的层压结构中组合了编织织物和短切玻璃纤维，玻纤在树脂中的重量百分比为40%。

虽然由织物增强的GMT并非新生事物，而且已经在汽车行业商业化应用了几十年，但这是通用汽车公司或成型商大陆结构塑料（帝人集团的子公司，位于美国密歇根州奥本山）第一次采用这些新一代的组合了织物与短切玻璃纤维毡的混合毡GMT复合材料来开展研究。

“两个较高性能等级的材料是有效的，3?数据传播范围狭窄，最厚的材料给了我们一个重要的安全系数，这就是我们想要的。”通用汽车公司先进材料电气化材料工程师 Kestutus Sonta 解释道，他是重新设计防护罩项目的材料负责人。

接下来，在作最后的整车碰撞试验之前，验证了小规模的测试结果，为增强信心，采用了全尺寸的部件进行验证。

为通过模拟评估SMC和GMT材料，一个未优化的C形设计被开发出来。

该模型被通用汽车公司用于快速地制成一副铝模具，以采用4.3mm厚级别的GMTex X103F61-4/1-0/90材料成型初步测试的部件，然后对这些部件进行台车试验。

它们按照设计好的速度从两层楼落下，以模拟30°偏离避障试验中的载荷。

碰撞的结构是一个大大简化的底盘，它由轨道、车轴和车轮、一个电池箱、一个仪表化但不供电的12V电池以及发动机舱部件组成，通过模拟来预测在严重的碰撞中对电池的损坏程度，而GMT防护罩一直都在同一个相对位置上，它们会用在一辆真正的汽车上。

在完成了多轮台车试验后，该团队记录的荷载与早期整车碰撞试验测得的数据非常相似，这使得概念以及材料/工艺组合得到了验证。

成型与切割

通用汽车公司与大陆结构塑料的团队紧密合作，进一步优化了C形防护罩的设计，然后将其用于制造生产用的模具、水枪夹具和用于检验成品部件的检查夹具。

“考虑到蓄电池的间隙、布线和安装，我们调整了最初的设计。”Sonta说道，“为确保加工成本低，部件的几何形状允许它能够被成型为一个长的C形截面槽，然后将其放到CNC夹具中，用水枪切割出6个生产用的部件。”他强调，这是一种为使用复合材料而得到优化的全新设计，而不是复合材料只作为配合的金属设计。

“我们还为改善那些深拉垂直壁的拔模角度、整合水切定位器以及平衡费用而修改了设计。”大陆结构塑料工程经理及该项目的加工负责人Dale Armstrong补充道，“成型很简单，但对水枪进行编程以创建我们在净形状部件中所需的所有形状则有些挑战。我们正在采用供应商从未想到的材料来做事情。”

QPC 供应的材料作为一种大约930mm×500mm的预切坯料，每一个成型周期使用一个坯料来成型出C形截面，由此切割成多个生产部件。

在大陆结构塑料位于美国俄亥俄州Conneaut的工厂中，该材料首先经过一个4级的红外线炉，然后被转送到临近的低吨位模压机上。

加热时，基于一种所谓“玻纤回弹”的现象，在此固结坯料中的短切玻璃纤维大约是其以前厚度的两倍——在这种情况下，进入模具中的坯料大约有9mm厚，并在成型中重新固结，每次循环时间大约是1min。

无需改性（通过阻燃剂或箔），部件即通过了FMVSS 302测试。

模压成型的材料：预热后的GMT料坯在成型前被放到模压机的模具中（图片来自大陆结构塑料）

准备脱模：成型的C形槽准备脱模，顶部显示的圆形“按钮”是为CNC夹具而成型的定位器（图片来自大陆结构塑料

CNC加工成最终的形状：将C形槽放入CNC夹具中，用水枪将其切割成6个单独的电池防碰撞护罩（图片来自大陆结构

这种GMT材料的一个有趣特点是，由于高含量的玻璃纤维和织物层，使其流动受限。

基于此，它没有采用技术模压成型，而是在低成型压力下得到热成型（或热压成型）。

“鉴于这种材料的特性，我们需要很小的压力来重新固结它。”Armstrong补充道。

由于成型压力低，材料流动小，因而模具上无剪切边。

通过保持部件和模具设计的简单性，一副套模很快即被制造出来，从而保证了项目的正常运行并降低了成本。

原型和早期预生产的部件在铝模中成型，但考虑到汽车的量产，通用汽车公司选用了P20钢来制造生产用模具，以延长使用寿命。

Laval International公司（加拿大安大略省Tecumseh）制造了此模具。

毫无遗漏的转移

最终的部件拥有一个平背和两个法兰，呈90°角脱落，尺寸大约是187mm×142 mm×161mm，标称壁厚4mm。

获得的最佳评价是，与性能相当的金属防护罩相比，该复合材料的设计减轻了75%的重量，降低了60%的成本。

尽管该项目进展很快，但该团队表示，工艺和设计都是按预期进行的，而且新的防护罩通过了完美的碰撞测试，为关键的安全系统提供了额外的保护。

“该项目表明，在供应商的帮助下我们可以非常灵活。”Sonta总结说，在项目实施过程中获得的核心概念已被转移到其他几个全球平台上。

来源：PT现代塑料