盘点高性能复合材料与自动化技术如何推动电动汽车的轻量化革命

盘点高性能复合材料与自动化技术如何推动电动汽车的轻量化革命

电动汽车的轻量化革命正在通过高性能复合材料与自动化技术的结合得以实现。从自动纤维铺放到大型格式增材制造，这些先进技术不仅提升了制造效率与成本效益，更为电动汽车的性能优化开辟了新路径。

电动汽车中的复合材料：一场轻量化的革命

复合材料通常由增强纤维和聚合物基体组成，成为现代电动汽车设计中的关键要素。它们的高比强度使其与钢和铝等传统材料相比能够显著减轻重量，从而直接有助于提高能源效率和延长续航里程。

这对电动汽车尤为重要，因为电池重量是影响性能的主要因素。通过减轻汽车的整体质量，复合材料使电动汽车能够单次充电行驶更远的距离，解决了潜在电动汽车买家的关键担忧之一。

在电动汽车设计中使用了几种类型纤维增强复合材料，每种都有其独特的性能和优势：

• 碳纤维：以其卓越的比强度而闻名，碳纤维是电动汽车的理想材料。其轻质特性可显著减轻车辆重量，同时提供优异的强度和刚度。
• 玻璃纤维：另一种常用的复合材料，玻璃纤维既轻又坚固。它比碳纤维更经济实惠，仍能为电动汽车带来减重优势。
• 凯夫拉尔纤维：因其在防弹背心中的应用而闻名，凯夫拉尔纤维是一种坚固轻便的材料，可用于电动汽车设计，以增加强度和抗冲击性。

除了减重和结构应用外，复合材料在电动汽车的能量收集方面也展现出巨大潜力。能量收集涉及将环境能量转换为可用的电能，这可以减少对车辆电池的依赖，提高整体能源效率。

复合材料可用于各种类型的能量收集器：

• 压电能量收集器：这些设备利用压电材料，当受到机械应力时会产生电荷。
• 电磁能量收集器：这些设备将环境电磁能量转换为可用的电能。具有高电导率的复合材料非常适合这一应用。
• 热电能量收集器：这些设备将热能转换为电能。具有良好的热稳定性的复合材料适用于从废气或环境热等来源收集能量。

研究表明，在铜基体中加入碳纳米管可使铜导线的电流容量增加多达14%，从而实现更高效、功率密度更高的电动机。这凸显了复合材料提升电动汽车关键部件性能的潜力。

通过设计具有特定热性能的复合材料，对于管理电动汽车电池的温度至关重要。通过有效调节电池温度，复合材料有助于提高电池效率、使用寿命和整体车辆性能。

复合材料还具有介电性能，这意味着它们可以作为电绝缘体。这在电动汽车中至关重要，有助于保护敏感的电子元件并确保安全。

此外，复合材料在吸收和分散撞击能量方面表现出色，有助于提高碰撞安全性和乘客安全。

具体而言，与铝和钛等其他高性能材料相比，玻璃纤维增强复合材料（GRC）具有成本优势，使其成为电动汽车电池外壳和结构部件的有吸引力的选择。

为了进一步增强其性能，可以通过添加聚氨酯涂层和聚酰胺纤维等来改性复合材料，以增加耐磨性。这使得可以制造出更加耐用和使用寿命更长的部件。

自动化技术：推动效率与创新

电动汽车行业越来越多地采用自动化技术来提升复合材料部件的制造过程。这些技术不仅提高了生产效率，降低了成本11，还能够制造复杂的设计和优化的结构。

1. 自动纤维铺放技术（AFP）

AFP是一种精密的制造工艺，通过机器人臂或龙门系统，由高级软件引导，在模具或芯模上精确地自动铺放连续纤维增强材料。这种技术在电动汽车制造中提供了几个好处：

• 精度高：AFP系统可以以极高的精度放置纤维，确保一致的厚度和纤维取向，这对于保持公差和实现所需的机械性能至关重要。
• 能够处理复杂性：AFP在轻松创建复杂几何形状方面表现出色，允许生产出传统方法难以或无法制造的复杂部件。
• 材料效率高：AFP通过仅在需要的地方精确放置材料，最小化材料浪费。
• 速度快：与手动铺放工艺相比，AFP显著缩短了生产时间，使其适合大规模生产。

从技术角度来看，AFP允许工程师以新的方式应用经典层压理论。通过操纵层压板每一层的纤维取向，工程师可以定制材料的各向异性特性，以承受特定的应力分布。这使得可以制造出高度优化的复合材料部件，性能得到增强。

AFP正在电动汽车行业用于制造各种部件，包括：

• 底盘部件：AFP允许制造更轻、更刚性的底盘结构，提升车辆操控性和安全性。
• 电池外壳：AFP能够制造坚固轻便的电池外壳，确保保护并有助于电动汽车的整体能效。
• 车身面板：AFP允许制造具有不同厚度和材料组成的空气动力学轻质车身面板，使其在优化强度和抗冲击性的同时有助于燃油效率。
• 电机套筒：AFP允许使用热塑性材料制造高强度电机套筒，同时减轻重量，允许高转速电机，提高速度效率和性能。

2. 纤维缠绕技术

纤维缠绕技术是另一种广泛用于制造复合材料部件的自动化工艺，特别是那些具有圆柱形或管状形状的部件。这种技术涉及将浸渍树脂的连续纤维束缠绕到旋转的芯模上。纤维以精确的几何图案铺设，以创建一个结构化的旋转体。纤维缠绕技术在电动汽车制造中提供了几个优点：

• 高强度和刚度：纤维缠绕技术允许精确控制纤维取向，从而在期望的方向上制造出具有优异强度和刚度的结构。
• 轻质：该工艺制造出轻质部件，有助于整体车辆减重和提高能效。
• 耐腐蚀：纤维缠绕结构具有高度的耐腐蚀性，确保长期耐用性。
• 成本效益高：纤维缠绕技术是一种相对经济的制造工艺，特别是对于大规模生产。

纤维缠绕技术适用于制造圆柱形复合材料结构，如管道、压缩气体气瓶或大卷筒。该工艺可以使用湿式缠绕，即纤维在缠绕过程中浸渍树脂，或干式缠绕，即使用预浸纤维。在电动汽车行业，纤维缠绕技术用于制造诸如：

• 驱动轴：纤维缠绕技术可以制造轻质且坚固的驱动轴，具有优化的纤维取向，以高效传递扭矩。
• 压力容器：纤维缠绕技术适用于制造电动汽车各种系统中使用的压力容器，如氢气储存罐。
• 电机套筒：纤维缠绕技术可以制造能够承受高张力和热量的电机套筒，使其适用于电动汽车电机应用。

3. 大型格式增材制造（LFAM）

LFAM是一种新兴技术，结合了增材和减材制造技术，使用热塑性材料生产大型部件。该过程涉及一层一层地沉积熔融的热塑性材料，然后进行机加工以达到最终形状和表面光洁度。LFAM在电动汽车制造中提供了几个好处：

• 大型部件生产：LFAM可以生产出大型复杂部件，这些部件使用传统方法难以或无法制造。
• 材料效率高：LFAM通过仅在需要的地方沉积材料，最小化材料浪费。
• 设计自由度大：LFAM允许创建复杂的设计和几何形状，提供了更大的设计自由度。
• 交货时间缩短：与传统制造方法相比，LFAM可以显著缩短交货时间。

尽管LFAM在电动汽车行业仍是一项相对较新的技术，但它有潜力用于制造诸如：

• 车身面板：LFAM可以生产具有复杂形状和集成特征的大型车身面板。
• 内饰部件：LFAM可以制造具有复杂设计的定制内饰部件。
• 模具和工装：LFAM可用于生产复合材料部件制造用的模具和工装，缩短交货时间和降低成本。

4. 大型格式连续纤维3D打印

大型格式连续纤维3D打印是电动汽车行业正在兴起的另一项技术。该工艺涉及在3D打印过程中将碳或玻璃等连续纤维集成到聚合物基体中。该技术提供了几个优点：

• 强度和刚度提高：连续纤维增强显著提高了3D打印部件的强度和刚度，使其适用于结构应用。
• 轻质：该工艺制造出轻质部件，有助于整体车辆减重。
• 设计灵活性大：大型格式连续纤维3D打印允许创建复杂的几何形状和定制设计。

在电动汽车行业，大型格式连续纤维3D打印可用于制造诸如：

• 结构部件：该技术可以生产电动汽车的轻质高强度结构部件，如底盘部件和车身面板。
• 电池外壳：大型格式连续纤维3D打印可以制造具有优化强度和重量的定制电池外壳。
• 内饰部件：该技术可以生产具有集成特征的复杂轻质内饰部件。

挑战与未来展望

尽管复合材料和自动化技术在电动汽车制造中提供了显著的优势，但也需要解决一些挑战：

• 成本：复合材料可能比传统材料更昂贵，自动化技术的初始投资可能很大。这可能对更广泛的采用构成障碍，特别是对于较小的电动汽车制造商。
• 生产可扩展性：扩大生产规模以满足不断增长的电动汽车需求可能具有挑战性。这需要在基础设施、员工培训和工艺优化方面进行大量投资。
• 材料开发：需要持续的研究和开发，以创造具有改进性能和更低的新的复合材料。这包括探索新的纤维类型、树脂系统和制造工艺。
• 回收利用：由于涉及的材料组合复杂，复合材料的回收利用可能具有挑战性。需要开发更可持续和高效的回收方法，以减少环境影响。

自动化技术的局限性：当前的自动化技术，尽管先进，仍然存在局限性。例如，LFAM是一项相对较新的技术，材料选择有限，而大型格式连续纤维3D打印可能比其他方法更慢、更昂贵。

尽管存在这些挑战，但复合材料和自动化技术在电动汽车行业的未来前景光明。对轻质、高效和高性能电动汽车的需求不断增长，正在推动复合材料和制造工艺的创新。自动化技术正变得越来越复杂和经济实惠，使电动汽车制造商更容易获得。

结束语

复合材料和自动化技术正在改变电动汽车行业，实现更轻、更高效和更安全的车辆生产。AFP、纤维缠绕技术、LFAM和大型格式连续纤维3D打印是为制造过程增加价值的关键自动化技术。随着电动汽车行业的不断增长，复合材料和自动化技术将在推动创新和可持续发展方面发挥越来越重要的作用。

本文原文来自复材网