隨著制造商尋求降低復合材料部件的成本，設計人員努力盡可能高效地使用構成材料，同時實現自動化生產和多種功能的集成。對于汽車應用而言，由于需要短循環時間，因此這一挑戰更加嚴峻。
碳纖維車身的加工
寶馬 i3 上科技含量最高的要數碳纖維增強復合材料 （CFRP）車身，這種材料是由寶馬公司和西格里公司（SGL） 聯合開發的，以基于聚丙烯腈的熱塑性紡織纖維為原材料， 在一定的壓力和溫度下，轉化成極其細長的碳纖維絲線，其中每條碳纖維的直徑僅有 0.007 毫米，最后再經過相應的氧化和碳化處理，形成車身材料。
最初加工出的碳纖維細絲是以線束的形式呈現的，而每條線束都含有上萬條絲，所以還需要對它們進行纏繞在線軸上的后續處理，為之后的裝運工作做好一切準備。值得一提的是，西格里工廠生產碳纖維的整個過程非常環保，因為他們所消耗的電能全部來自哥倫比亞河的水利發電能量。
碳纖維材料被運往寶馬在德國瓦爾斯多夫的零部件加工廠，然后根據需要紡織成各種各樣的結構和樣式；再接著工作人員把這些半成品送往萊比錫和蘭茨胡特的碳纖維增強復 合材料沖壓車間，完成碳纖維軟性板材（類似坐墊、地毯） 的制造。通過各種加工機械，碳纖維板材被切割成各種不同的大小和形狀，然后再利用熱處理或塑料粉末高壓粘合技術， 把這些板件加工出立體構型。加工成型階段，每一次三個形狀完全相同的碳纖維板件要重疊在一起，這樣可以有效地降低在最終的樹脂傳遞成型過程中材料發生撕裂的可能性。
樹脂傳遞成型則是把高溫高壓的復合樹脂注射入模腔， 浸透增強纖維材料、固化、脫模成型的技術，比傳統高耗時的烘箱固化技術要先進很多。
在過去的十多年時間里，寶馬公司一直致力于碳纖維增強復合材料產品和創新技術的研發，工程師們已經把產品的生產周期降低了一半以上，制造和原材料成本也減少了 30%—40%。工程師又有了進一步縮減碳纖維增強復合材料生產制造周期的新想法，但在 i3 的實際生產過程中也碰到了不少難題，可工程師沒有為之擔心，因為他們知道這是最終的成功所必須經歷的經驗積累階段。
寶馬的樹脂傳遞成型技術允許加工那些尺寸較小的部件， 比如說車身側圍，再把它們粘結成一個更大的組分，最終在 模具中結合成整體車身；這種技術把零部件的總數降低到傳統鋼制車身使用總量的三分之一。
在樹脂傳遞成型階段之后，利用水激光切割技術完成碳纖維增強復合材料部件上的嵌入空和邊緣剪裁加工；接著在最新的全自動化車身車間中，所有部件進行過表面磨砂處理， 增加粘附性后，結合為一個穩固整體。
除了車頂使用了可回收再利用的碳纖維增強復合材料， i3 外圍全部采用樹脂塑料，這也是寶馬運用這種材料的首款 汽車。相同體積大小下，塑料板材的重量只有鋼板的一般， 而且四分之一的樹脂材料還是可再生或可循環使用的。因為加工設備存在一定的差異，車身外圍塑料板材由三種不同的熱塑性注射成型加工工藝完成，其中最先進的是外圍塑料結構和基底結構同時注射成型和結合成整體的工藝。
二次成型的骨架設計
二次成型或者說是包覆模壓成型工藝，即在連續纖維預制件頂部注塑成型熱塑性復合材料，多年來一直被認為是一種可能的解決方案。“這種方法已經達到了新的水平，現在實現了熱塑性復合材料 BIW 白車身結構的全自動生產。”西格里 SGL Carbon 公司輕量化應用中心負責人 Christoph Ebel 博士解釋道。
這一進步得益于“骨架”設計方法，該方法已經開發了好幾年。正如 MAI Skelett 項目首次展示的那樣，該工藝涉及使用單向（UD）碳纖維熱塑性塑料，通過兩步法 75 秒工藝進行熱成型和包覆模壓，從而生產出超過以往所有版本要求的結構屋頂構件。它還集成了附件夾子，并改變了從脆性到延性失效模式的碰撞行為，以提高 BIW 剩余強度。
為期 17 個月的 MAI Skelett 項目得到了德國聯邦教育和研究部（BMBF）的支持，并由碳纖維復合材料聯盟（Carbon Composites e.V.）的區域部門 MAI Carbon 完成。
在寶馬公司的領導下，項目的重點是實現一個特定的演示：擋風玻璃框架，位于玻璃擋風玻璃上方的兩根 A 柱之間。 其設計基于目前寶馬 i3 的結構，包括所有的功能和空間要求。 擋風玻璃框架不僅作為屋頂的橫向結構構件，還提供其他功能：剛度，同時降低噪音、振動和粗糙度（NVH）；強度（屋頂壓力測試），有助于滿足碰撞要求；一種用于內部部件的固定裝置（例如，遮陽板、內飾，用于照明的燈線束等）， 以及與擋風玻璃、天窗和外部屋頂板連接的支架。
骨架設計的擋風玻璃框架在零件的角落處包含四個 UD 纖維增強拉擠桿，封裝在包覆成型的框架中，以提供扭轉剛度和復雜形狀的功能附件。拉擠型材不是全部在一個平面上， 而是排列在不同的高度：兩個靠近 60 毫米高的部分的底部， 兩個靠近頂部。
對于 MAI Skelett 擋風玻璃框架，最終確定了 10×10 毫 米見方的橫截面。目標是使用較便宜、較粗的碳纖維束。然而， 所選擇的 50K 絲束纖維具有無數長絲的緊密堆積，這使得樹 脂浸漬更加困難。SGL 熱塑性塑料產品經理 Veronika Bühler 說：“總的來說，這一挑戰可以通過優化的纖維引導和擴散來克服，以達到最佳浸漬和高達 50％體積的纖維體積含量。” 西格里 SGL 已經掌握了這項技術，現在提供拉擠成型作為其熱塑性工具箱的一部分。“我們已經對半成品有廣泛的了解， 因為我們的熱塑性膠帶也是基于拉擠成型的。因此，我們能夠快速調整我們目前使用的拉擠成型技術，以創建我們自己的型材。該工藝包括纖維體積、孔隙率和尺寸精度的質量測試。 由于自動化和機器人處理，后者非常重要。例如，由于拉擠型材中的殘余應力，不會出現曲率。”
除拉擠增強材料外，還在 MAI Skelett 項目中研究了熱塑 性樹脂。測試各種類型的聚酰胺 6（PA6 或尼龍 6）以確定所需的粘度和流變性，以優化拉擠成型質量和速度。SGL 通過其熱塑性工具箱為該項目提供了一系列材料，其中包括 UD 帶、有機片、短纖維和長纖維增強復合材料的短切纖維，以 及現在的 UD 增強拉擠成型，均基于 SIGRAFIL 50K 碳纖維， 適用于上漿聚丙烯（PP）和聚酰胺基質，包括 PA6 或原位 PA6。為了實現復合材料結構的最佳性能，必須協調纖維、 施膠和基質。
她還解釋了原位 PA6：“這是當你與己內酰胺單體或單 個單體與催化劑和活化劑反應時，它們在復合材料部件成型過程中聚合（形成長長的聚合物鏈）。”換句話說，己內酰胺在原位聚合成聚酰胺。Buhler 指出，聚酰胺作為一個聚合 物基團包括 PA66 和 PA12，以及某些類型的 PPA 作為額外的 基質選擇。
擋風玻璃框架制造的另一個重要方面，是熱塑性半成品 在成型過程中和成型后的熱成型能力。這關系到在包覆成型期間是否能夠進一步實現形狀的功能化以及熔合。兩者都是 MAI Skelett 項目設計中的重要因素。
熱成型和包覆成型
MAI Skelett 擋風玻璃框架的生產始于碳纖維 / PA6 拉擠型材。然后必須對它們進行修改，以適應組件的形狀以及在不同點處的負載引入。選擇熱成型來做到這一點，首要關注的是碳纖維的高強度和剛度只能通過盡可能保持直線來實現。 當拉擠棒在基質流動方向上拉伸，然后在棒的末端變平并彎曲時，實現了這一點。
該方法的第二步是將熱成型拉擠型材放置在紅外加熱器 下，使其在不到 50 秒內達到溫度，然后使用為此目的開發的自動處理系統轉移到注塑模具中。項目中的所有部件均在現有的注塑機上生產。
然后將纖維增強的化合物包覆成型到型材上和周圍。在包覆成型期間，在模具和工藝中都需要精確度，以便將四個熱成型拉擠棒保持在適當位置。
兩步法，預成型拉擠成型的熱成型和包覆成型的總循環時間約為 75 秒。由于熱塑性基體在包覆成型之前會重新熔化， 因此可以在非常短的循環時間內將預制和熱成型棒材成型并粘合到成品部件中。通常，熱塑性塑料的可熔性也能夠與均勻的金屬部件連接。由于熱塑性熱成型和注塑成型工藝具有出色的再現性和工藝控制，這是大批量生產的關鍵因素。
延展性失效
評估了使用玻璃和碳纖維的相容模塑化合物的 PPA 和 PA6 型材，以探索該組件的更具延展性的失效模式。雖然更 具延展性的失效模式減少了擋風玻璃框架的承載能力，但從 整體上改善了 BIW 的結構完整性。
分析方法包括實體建模、鋼筋建模（幾何建模，其中拉 擠成型作為鋼筋加強包覆成型）和使用殼單元建模，以及這 些的各種組合。軟件包括 FE 解算器 ABAQUS（達索系統） 和由 Sandia National Laboratories 開發的 Dakota 參數求解器。 OptiStruct 用于拓撲優化。
雖然寶馬沒有在其最終項目報告中指定首選材料組合， 但它確實得出結論，最終模擬和測試結果表明骨架組件超出 了當前碳纖維增強塑料（CFRP）部件的所有要求，除了扭轉 剛度，被確定不是擋風玻璃框架的關鍵設計驅動因素。與 當前的 CFRP 部件相比，骨架設計超過了碰撞載荷情況下 的載荷水平和能量吸收。它還成功地實現了更具延展性的 失效模式，這不僅進一步提高了復合材料結構的碰撞性能， 而且進一步提高了對碰撞性能的理解以及它與整個 BIW 結 構的關系。
未來的骨架設計應用
在 MAI Skelett 最終報告中，寶馬指出，它已經確定了其 他六種車輛部件，這些零部件可以從使用骨架設計方法顯著 降低制造、材料和工裝成本中受益。SGL Carbon 建議在汽車 和航天座椅結構、儀表盤、機器人手臂、x 射線工作臺等方 面進行應用。
然而，骨架設計方法得到了進一步的發展，擴展到后續 的 MAI Multiskelett 項目中的多軸受力構件。它研究了軸承部 件和拉擠型材相交的區域，也研究了高荷載引入區域，特別 是幾個主要荷載路徑相交的大型結構部件。與之前的 Skelett 項目一樣，對組件設計和低成本的串行生產線進行了研究。
骨架設計如何進一步優化現有復合材料部件的一個例子是 2017 年 由 SGL 和汽車技術專家 Bertrandt（德國 Ehningen）開發的電動汽車碳載體前部內部。集成了所有主 要功能和裝飾組件。在傳統儀表板中，碳載體基于熱成型有 機薄片作為承載“骨架”以增加剛度。
“碳載體”結合輕量級碳纖維復合材料和集成功能的“完 美的案例”用于“創新型材料混合的汽車行業”。在輕型結 構領域，碳纖維增強塑料（CFRP）扮演了重要的角色。整體 設計，是基于在 Bertrandt 創建的基礎功能包的基礎上開發模 型的前汽車內飾及可轉換電力驅動車。模型包括所有主要功 能和裝飾組件的傳統儀器面板。結構組件也被重新設計，使 車內感覺更自由、光明和浮動的印象。
“既然設計碳載體，我們確保現在或在不久的將來其組 件，技術和組裝概念可以用于大規模生產。尤其是電動車，減少體重意味著更大的行動范圍。”Michael Hage CAE 開發 主管如是說。加工工藝的主要挑戰是找到最優的配置矩陣和 纖維材料，纖維長度、層結構和過程技術，以滿足更加廣泛 的需求。整體設計是一種排他性的安裝結構，SGL 集團不僅 共享其材料和過程的專業知識，同時也在提供了其在大組件 生產的經驗。最優混合材料以及生產技術開發在單獨的輕量 級和應用中心（LAC）， 輕量級的解決方案都是設計用于大 規模生產。
“將來，這部件可以用包覆成型熱塑性型材的設計取 代。”Ebel 說，“這將省略有機片的切割、鋪設和修剪操作。 此外，橫梁也將過時，因為我們將其整合為拉擠型材并包覆 它們以實現儀表板設計。這種包覆成型的部件還可以提供更 大的空間和靈活性，以容納所需的附加元件以及用于連接這 些元件或電纜等的螺釘和夾子。”
由 SGL 和 Bertrandt 開發的電動汽車的碳載體前置內部。
Ebel 承認這將是一項巨大的設計變更。“但它降低了成本并使整個組件更加高效。”他指出，設計一種幾乎沒有浪費的工藝是有可能的，因為型材完全按照所需的長度切割， 而且在這些步驟中或在過度成型前的熱成型過程中不會損失碳纖維增強材料。座椅也是骨架設計的主要候選。“在復合材料中，它們通常由織物或帶制成，并且仍然是片狀結構。 但是我們可以通過整合底部的輪廓和增加剛度來減小平面區域的厚度。拉擠型材不是唯一可以構建的有效 UD 產品。
“我們正在輕量級應用中心吸引了很多公司。”Ebel 說， “骨架設計作為一個額外的創新概念引起了很多人的興趣， 并且被我們的訪客看作是非常有前景的。”該中心已經建立了自己的設計能力，可以幫助公司整合創新的想法，如骨架概念，為未來的材料高效組件開辟新的設計空間。
“在很多應用中，我們可以使用類似擋風玻璃框架的設 計。”布勒說，“對于碳纖維行業來說，從準各向同性鋪層發展是很重要的，這使得碳纖維的強度和剛度有了很大的提高。相反，我們必須開發更有效的材料形式，把每一種材料只放在需要的地方。這是這個行業未來所需要的。”（文章來源于網絡）
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