xFK in 3D纤维丝束布置工艺有助于降低轻量化零部件的制造成本

要想使未来的汽车实现更低的能耗，首先要做到的就是有效、系统性地对零部件进行减重。今天，人们在不同车辆和车身结构设计中已经能够看到这一发展趋势。宝马公司在i3和i8系列新能源汽车中所使用的CFK碳纤维增强材料座舱便是其中的成功案例。此举被视为汽车工业的一次革命，但是高昂的成本也带来了一些麻烦。宝马公司为CFK碳纤维增强材料的生产和研发过程付出了高达数百亿欧元的成本。

另外，昂贵的碳纤维材料在加工时的边角余料浪费也使得该材料很难提升厂商的效益。也正因为如此，宝马公司在其新型7系列轿车中重新采用了复合材料的车架结构：以钢为主，结合铝材和锰合金;只有在为数不多的地方采用了CFK碳纤维增强材料。

日前，资深工程师Peter Fassbaender先生与AMC技术咨询公司的Rainer Kurek先生决定另辟蹊径，他们开发了具有专利的xFK in 3D工艺。这是一种利用玻璃纤维、碳纤维或玄武岩纤维增强塑料制造三维曲面构件的技术。操作者可根据结构件的承载情况和载荷合成的情况，在X、Y、Z平面内任意地布置上述纤维材料。这样做的优点是：可按照受力方向、应力方向布置纤维，最大限度地较少物料消耗。

最少的边角余料浪费

xFK in 3D工艺也适于非对称体的结构件，同时这种工艺能够明显的减少所使用的工具数量，减少使用者的硬件成本。“xFK in 3D工艺的最大优点是，将纤维材料布置到真正需要它的地方，绝不浪费。” Rainer Kurek先生解释道，“因此，零部件对纤维的消耗就明显减少了。” Peter Fassbaender先生给出的数据是：与传统的RTM树脂传递模塑工艺技术相比，xFK in 3D工艺可以节约40%的材料。

目前xFK in 3D工艺的试验样件已经在小批量的汽车制造中开始使用了。“我们的市场战略是首先从零部件制造(如轴类、支架类和支撑件类等)开始。并开展对赛车中小型化、小批量结构件的生产制造和其他高端产品的制造。多家对纤维材料有所了解的零部件制造商已经意识到这一工艺背后蕴藏着的潜力。”Rainer Kurek先生说。

简单且经济

相较之下，利用xFK in 3D工艺生产结构件显得更加简单、经济。将所需长度和强度的无捻纤维粗纱，通过手动或用机器人控制的铺设装置卷绕成零部件。纤维重复地、理想地铺设在应力方向上，所使用的纤维数量正好是零件受力所需的数量。纤维卷绕的中心留有一个空腔，因此零部件成品的重量非常轻。

转折点、折返点的卷绕也无需在纤维织物上按照全金属材料的加工方法钻出孔洞。“纤维织物上的孔洞破坏了织物的结构。卷绕工艺唯一的弱点是折返点处一层层重叠的纤维，那里会产生剪切应力，但也比因钻孔而破坏纤维的强度更可取。”Peter Fassbaender先生说。

在混合制造的零部件中，可以用正确的纤维增强技术减少结构件之间连接点的数量，省去了粘接的工艺过程。对部件的改动和变型也都因非封闭的连接形式而更省时，也更容易处理。在许多情况下，也可以省去使用造价昂贵的模具。

“利用这一工艺，纤维材料的机械特性值都能很好地‘转移’到所制造的结构件中。纤维材料的物理特性也能直接反映在产品中。xFK in 3D工艺在轻量化设计制造中展现了更好的经济性和环保特性。”斯图加特大学的塑料检验研究所领导人、ICT霍伦霍夫化工材料技术研究所的材料技术专家Peter Eyerer教授说。

节约资金的加工方案

“当有多种材料可供选用时，最便宜的也许不是承载能力最好的、或者不是重量最轻的。因而在决策时，起决定作用的就将是：‘要省钱还是减重’。”Rainer Kurek先生说。

与RTM树脂传递模塑工艺技术相比较，在汽车工业领域中，xFK in 3D工艺的投资相对较少。得益于这一工艺的日趋成熟、在制造过程中有许多可以参照的标准，因此对操作者而言，使用难度并不大。“在纤维卷绕方面我们已经有了比较成熟的技术方案，原则上讲，卷绕过程的自动化不会太复杂。”Voith公司领导人Lars Herbeck博士说道。