帝人量产CFRP材料六十秒冲压成型车身

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图1：车身框架采用热塑性CFRP材料制成的概念车

2011年3月9日，日本帝人（Teijin）有限公司宣布在世界上率先推出批量生产型碳纤维增强塑料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）技术。
帝人公司用热塑性树脂替代传统热固性树脂作为碳纤维复合材料基体，在此基础上衍生出三种中间材料（Intermediate Material），分别采用冲压成型和注塑成型工艺，显著缩短了加工循环时间，可在六十秒之内冲压成型车舱框架。公司同时还开发了CFRP材料焊融接合技术。为验证新开发的技术，帝人用CFRP材料试制了小型电动车车身。

图2：帝人集团东邦耐克丝株式会社Toho Tenax占据较大的碳纤维市场份额

这一突破解决了该领域最大的挑战，意味着量产型碳纤维材料在汽车及其他产品的实际应用方面业已取得新的跨越。作为占据全球50%以上市场份额的日本三大碳纤维公司之一（东丽公司Toray Industries, Inc.、帝人、三菱丽阳公司Mitsubishi Rayon Co.），帝人在业内的优势无疑再次得到凸显。
一、应用热塑性树脂
传统CFRP材料采用热固性树脂作为碳纤维复合材料基体，常见的碳纤维基体材料包括环氧树脂（Epoxy Resin）等。热固性树脂分子结构为体型，受到加热后硬化成型，此后再度受热则不会软化，溶解性较低。其优点在于耐热性和抗压形变特性较高，但机械性能较差，难以加工。热固性树脂碳纤维材料的零部件成型时间超过5分钟，而通常汽车大规模生产需要材料能够及时供应，因而热固性树脂碳纤维材料不能适应一分钟内快速成型的大批量生产需求。这也是为什么CFRP材料迄今为止基本局限于兰博基尼等高端豪华车应用的原因。
而热塑性树脂分子结构为线型，与前者相反，受热软化，冷却硬化，具有较高的机械加工性能，但耐热抗压性能较低，常见类型包括聚乙烯PE（Polyethylene）、聚氯乙烯PVC（Polyvinyl Chloride）、聚苯乙烯PS（Polystyrene）、聚酰胺PA（Polyamide）等。原先热塑性树脂用于碳纤维复合材料相对较少，不过其加工性使其应用在近年逐渐广泛化，诸如日本东丽等碳纤维巨头也推出了相关产品。帝人此次将热塑性树脂用于CFRP，除了在材料方面的雄厚实力作为保证之外，使用定位也是重要因素，这就涉及到下面的不同汽车零部件对各类性能的需求差异。

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图3：CFRP材料可增强车辆性能

图4：帝人试制的CFRP材料验证车

二、三种新式中间材料，由不同工艺加工
为适应批量生产面向汽车应用，帝人为CFRP批量生产开发出三款中间材料。根据零部件强度要求和成本定位，可选择不同的中间材料。
1、单向性中间材料：冲压成型加工，在固定方向上具有极高强度，适用于对某个特定方向具有较严格强度要求的部位。
2、等向性中间材料：冲压成型加工，在所有方向上具有相等的强度，形状自由度——延展性和柔韧性较高，性能优化较为平衡。
3、长纤维热塑性颗粒材料LFTP（Long Fibre Thermoplastic Pellet）：注塑成型加工，强度稍逊于冲压成形品，但依然保持较高水平，适用于制备外形较为复杂或存在不规则接缝部分的部件，并且能够使用现有注塑成型加工设备。
采用新中间材料之后，帝人的CFRP零部件冲压成型时间可缩短到1分钟以内。该技术流程也较传统加工方法更加简便。
三、焊融接合技术
帝人同时还开发出CFRP材料焊融接合技术，实现CFRP零部件之间以及与其他材料的接合。通常CFRP制件的结合方式为铆钉固定法和粘结法，包括帝人当前的电动验证车也采用了金属制成的铆钉打造试制车辆。但公司表示未来投入实际应用时将采用新开发的接合技术，采用不同于铆钉和粘结的焊融接合法。该技术还可将CFRP零部件固定到钢铁等金属材料。
热塑性树脂的应用和新接合技术的推出都将减少制造流程中的材料用量，提高材料的利用率。热塑性树脂的高加工特性可有效降低边角余料的形成，而受热软化的特性与焊融接合技术相结合，有利于实现边角料回收。

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图5：车身框架（白车身）以热塑性CFRP材料打造，该车身由20多个冲压成型和注塑成型的零部件构成

四、电动概念车
出于验证新开发CFRP材料的考虑，帝人集团着手了小型电动概念车试制工作，作为前沿技术验证平台。这是一款四座小型电动车，尺寸接近微型车，车舱框架（白车身）采用热塑性CFRP材料打造。车舱框架所采用的CFRP材料运用了聚丙烯PP及聚酰胺PA两种热塑性树脂，分别使用冲压成型和注塑成型工艺制造中间产品，而车身部件全部通过一次冲压工艺成形。
该车身由20多个冲压成型和注塑成型的零部件构成，总重量47千克。在车身打造完毕之后，帝人从市面上采购马达、悬挂和轮胎等产品为其配备，形成完整车辆并用于行驶测试。车辆的最高速度为60千米/时，巡航行程100千米。帝人将使用这款概念车向整车及零部件制造商推广新型CFRP材料，同时还将致力于建立合作关系，联合开发轻型化车辆。通过向市场提供CFRP材料零部件，帝人还计划建立新的碳纤维复合材料中下游业务模式。
五、新技术开发背景与展望
汽车排放法规日渐严格，减轻车体重量的需求也与日俱增，需要使用诸如CFRP之类的轻质材料。CFRP可用于制造多种零部件，取代传统的钢材或铝材。
帝人集团将汽车与航空作为主要目标市场，帝人复合材料创新中心与该集团碳纤维业务核心公司东邦耐克丝株式会社（Toho Tenax Co., Ltd．）合作开发CFRP材料，后者在碳纤维技术方面具有世界领先水平。
展望未来，帝人集团将加快先进复合材料业务拓展，作为集团长期增长战略的支柱之一。为达到这一目标，帝人集团将从今年4月1日开始成立新的业务集团，命名为碳纤维及复合材料业务集团（Carbon Fibers and Composites Business Group），将其现有碳纤维业务和复合材料业务工作团队进行高效整合。