上世紀(jì)九十年代，汽車制造商開始使用注塑成型工藝，以短切玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料替代金屬，來(lái)生產(chǎn)油門踏板。
而制動(dòng)踏板，也就是人們俗稱的“腳剎”，卻因?yàn)榕c汽車的安全性有著更為密切的關(guān)系，對(duì)自身的強(qiáng)度、剛度、扭轉(zhuǎn)載荷有著更高的要求，彼時(shí)尚未實(shí)現(xiàn)從金屬向復(fù)合材料的轉(zhuǎn)變。
來(lái)自德國(guó)的汽車一級(jí)供應(yīng)商Boge Rubber & Plastics Group（以下簡(jiǎn)稱Boge）宣稱推出了世界上首個(gè)量產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料汽車制動(dòng)踏板，滿足了汽車廠對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。
這款創(chuàng)新的制動(dòng)踏板采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方案，混合使用了三種不同的復(fù)合材料，引入了與眾不同的生產(chǎn)工藝。
Boge公司專業(yè)從事汽車減振、傳動(dòng)、底盤、輕量化模塊以及踏板箱（包括制動(dòng)、離合、油門）相關(guān)零部件的研發(fā)和生產(chǎn)。自2008年起，公司開始使用連續(xù)纖維有機(jī)板和短切玻纖，利用復(fù)合模塑工藝（overmoulding）生產(chǎn)汽車零部件。2018年，又引入了熱塑性單向帶，并通過(guò)工藝的創(chuàng)新縮短了生產(chǎn)周期、降低了成本、擴(kuò)大了業(yè)務(wù)量。
“2015年的某一天，老板跟我說(shuō)，這些創(chuàng)新都很不錯(cuò)，但是如果能尋找到更大的應(yīng)用市場(chǎng)，把用量提升上去就更好了。”Boge公司全球創(chuàng)新中心總經(jīng)理Daniel Häffelin博士工程師表示，“于是，我們的工程師團(tuán)隊(duì)一起做了頭腦風(fēng)暴，最后把目光聚焦到汽車制動(dòng)踏板這一細(xì)分產(chǎn)品上了。”
想要說(shuō)服汽車制造商采用新的產(chǎn)品，必須充分證明它的經(jīng)濟(jì)性。“我們認(rèn)為現(xiàn)有工藝已經(jīng)把生產(chǎn)周期壓得夠短了，進(jìn)一步下調(diào)的空間有限，所以唯一的出路就是通過(guò)提高纖維的使用效率來(lái)降低成本。”
然而，簡(jiǎn)單地減少用量，把制動(dòng)踏板做得更小、更薄顯然行不通，因?yàn)橹苿?dòng)踏板對(duì)形狀和尺寸有嚴(yán)格的要求，更不用說(shuō)對(duì)它關(guān)系著汽車的整體安全性能。因此，研究的方向鎖定在如何對(duì)纖維取向進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，從而減少部件的壁厚和非關(guān)鍵區(qū)域的纖維用量上。
“想要減少纖維用量，還要保持足夠的強(qiáng)度和剛度，在運(yùn)動(dòng)和醫(yī)療市場(chǎng)上的通常做法是引入拾-放設(shè)備（Pick-and-Place），但是那樣做太貴了。”Boge公司首席執(zhí)行官Torsten Bremer博士表示，“于是，我們不得不嘗試尋找新的工藝路徑。”
“當(dāng)時(shí)我們已經(jīng)開始和一些汽車廠家合作研發(fā)全復(fù)合材料制動(dòng)踏板。”Boge公司執(zhí)行副總裁Burkhard Tiemann回憶說(shuō)，“我們?cè)?015年向他們做出了承諾，3年后我們做出了第一批產(chǎn)品。”
三種材料的混合使用
Boge公司針對(duì)制動(dòng)踏板的不同位置分別使用了三種不同的材料。
1. 殼結(jié)構(gòu)是踏板的主要承重結(jié)構(gòu)，需耐受最高3000牛頓的壓力，同時(shí)還需要保證它足夠輕薄、性價(jià)比足夠高。為此，Boge公司選用了德國(guó)朗盛公司生產(chǎn)的連續(xù)玻纖有機(jī)板。
2. 對(duì)于有機(jī)板上需要局部增強(qiáng)的部分，Boge公司使用了美國(guó)塞拉尼斯公司提供的單向玻纖帶，并遵照汽車廠商對(duì)特定溫濕度條件下材料應(yīng)變曲線的要求，通過(guò)有限元分析的方法計(jì)算出鋪放的路徑。
3. 另外，為實(shí)現(xiàn)踏板中的功能性幾何形狀，Boge公司使用了由多個(gè)供應(yīng)商提供的短切玻纖，利用復(fù)合模塑工藝形成加強(qiáng)筋和其他輔助結(jié)構(gòu)。
與上述3種增強(qiáng)材料配合使用的基體材料，是已在汽車行業(yè)中廣泛采用的黑色尼龍6。如果汽車廠商另有要求，Boge公司亦可在復(fù)合模塑工藝過(guò)程中使用尼龍6,6作為替代。
通過(guò)混合使用三種不同形態(tài)的玻纖增強(qiáng)材料，Boge公司實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維取向的精確控制，既滿足了制動(dòng)踏板的性能要求，又避免了材料的浪費(fèi)、減少了壁厚、縮短了生產(chǎn)周期、降低了部件成本。
工藝流程
通過(guò)與德國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)線制造商M.A.i. GmbH & Co. KG的合作，Boge公司為這款全熱塑性復(fù)合材料制動(dòng)踏板設(shè)計(jì)了一套三步走的工藝路線，實(shí)現(xiàn)了1）1分鐘快速成型；2）高度自動(dòng)化；3）個(gè)性訂制化。
生產(chǎn)開始前，工作車間里先備好兩堆經(jīng)過(guò)預(yù)成型的有機(jī)板和四卷單向玻纖帶。
1. 生產(chǎn)開始時(shí)，機(jī)器人拾取一片有機(jī)板，將其移至工作臺(tái)上；同時(shí)，將單向玻纖帶裁至所需長(zhǎng)度，置于傳送帶之上。接著，輪轉(zhuǎn)式拾放設(shè)備（Pick-and-Place）依次拾取四條單向帶，在此過(guò)程中由監(jiān)控?cái)z像頭檢查每條單向帶的質(zhì)量、尺寸和位置是否符合要求。然后，設(shè)備按照程序中寫入的位置依次將單向帶貼到有機(jī)板表面，并用激光進(jìn)行多點(diǎn)焊接，防止單向帶發(fā)生位移。
此過(guò)程不間斷，直至設(shè)計(jì)方案中所有單向帶全部貼至有機(jī)板上的正確位置。整個(gè)過(guò)程完全通過(guò)數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)，客戶的個(gè)性化需求可以通過(guò)調(diào)整程序充分滿足。所有環(huán)節(jié)都在攝像頭及傳感器的監(jiān)控下完成，確保生產(chǎn)過(guò)程與設(shè)計(jì)方案完全一致。
2. 而后，為保證生產(chǎn)效率，經(jīng)過(guò)局部增強(qiáng)的有機(jī)板被送入紅外加熱爐進(jìn)行預(yù)加熱。在此過(guò)程中，單向帶和有機(jī)板中的特殊抗氧化成分會(huì)保護(hù)樹脂系統(tǒng)免于熱損傷。進(jìn)而，完成預(yù)熱的有機(jī)板被快速送入預(yù)成型腔，在高壓條件下彎折成U型，并保證較高的表面質(zhì)量。同樣地，這個(gè)過(guò)程也全程受到質(zhì)量監(jiān)控。
3. 最后，溫?zé)岬念A(yù)制件被轉(zhuǎn)入注塑模具，與短切玻纖增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料進(jìn)行復(fù)合模塑，生成包括加強(qiáng)筋在內(nèi)的輔助幾何結(jié)構(gòu)。完成脫模后，進(jìn)行快速的修剪和檢查，但無(wú)需噴漆或表面處理。
未來(lái)市場(chǎng)
該全熱塑性復(fù)合材料制動(dòng)踏板，尺寸為350 × 90 × 60毫米。與早先的設(shè)計(jì)方案相比，有機(jī)板用量減少了33%，名義壁厚從3毫米降至2毫米。
它的重量約為金屬踏板的一半，強(qiáng)度與后者相近，甚至高于后者，有助于提升駕駛者的駕駛體驗(yàn)；它的生產(chǎn)成本與鋁制踏板近似、略高于鋼制踏板。
另外，每個(gè)踏板都擁有自己的專屬身份二維碼，便于日后溯源。
2018年，這款全熱塑性復(fù)合材料汽車制動(dòng)踏板進(jìn)入量產(chǎn)階段，單個(gè)部件的生產(chǎn)周期約為1分鐘，現(xiàn)有生產(chǎn)線的年產(chǎn)量可達(dá)到100萬(wàn)件。
“隨著汽車行業(yè)逐漸向電動(dòng)方向發(fā)展，制動(dòng)踏板的設(shè)計(jì)也將因?yàn)殡姎饣傻囊笞兊酶訌?fù)雜，這將賦予復(fù)合材料更大的競(jìng)爭(zhēng)力。” Häffelin博士表示。
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