幾十年的經(jīng)驗和傳統(tǒng)智慧告訴我們，纖維增強越長，所得到的復合材料的機械性能越高。雖然納米復合材料添加劑的引入在某種程度上挑戰(zhàn)了這一斷言，但設計用于注塑成型的超短（但不是納米級）碳纖維（USCF）增強熱塑性塑料（CFRTP）系列已被證明始終優(yōu)于短纖維和長纖維（玻璃或碳）熱塑性塑料。在復雜的幾何形狀中尤其如此，因為在精細的零件細節(jié)中很難實現(xiàn)良好的纖維穿透。事實上，這些化合物被稱為KyronMax，可從三菱化學先進材料公司（MitsubishiChemical Advanced Materials，MCAM）獲得。不僅優(yōu)于傳統(tǒng)的熱塑性復合材料，而且還優(yōu)于金屬。這方面的一個很好的例子是一系列的車頂結(jié)構(gòu)控制/ 支架，用于固定2021 吉普牧馬人運動型多用途車（SUV）和Gladiator皮卡的可拆卸軟頂或硬頂。

　　KyronMAX 產(chǎn)品線基于結(jié)構(gòu)性化合物制成，而此種化合物是利用注射成型工藝制成的、全球最強大的化合物之一。KyronMAX 化合物可用于取代結(jié)構(gòu)性部件中的鋼。由于不斷創(chuàng)新和研發(fā)其廣泛的產(chǎn)品系列，MCAM 打破了行業(yè)壁壘，其提供的材料的抗拉強度達60,000 psi（414 MPa）。

　　金屬置換應用，特別是汽車零部件領域的金屬置換應用已經(jīng)成為OEM 輕量化與可持續(xù)性項目的一部分。該公司表示：“我們對利用KyronMAX 化合物取代金屬所能實現(xiàn)的節(jié)約進行了研究，發(fā)現(xiàn)當開始減輕材料的重量時，可以大幅降低二氧化碳排放，因為不再需要太多的燃料來驅(qū)動汽車。”此外，KyronMAX 技術能夠利用注射成型工藝制成非常復雜的零部件，并且保留金屬部件的強度和機械性能以及其他好處。

　　對航空航天來說足夠強，對汽車來說足夠快

　　KyronMax 化合物最初是為航空航天開發(fā)的，后來擴展到高性能體育用品應用，其中高溫熱塑性基質(zhì)是一個優(yōu)勢，在復雜的幾何形狀中實現(xiàn)高纖維滲透的能力對于滿足低重量苛刻的機械要求至關重要。毫不奇怪，這些材料在汽車行業(yè)引起了人們的興趣，因為注塑成型工藝非常適合滿足該行業(yè)的高產(chǎn)量、高可重復性和可再現(xiàn)性（R&R）要求以及極具競爭力的成本目標。

　　設計結(jié)果

　　● 提供與壓鑄鋼相當?shù)臋C械性能，重量降低79%，成本降低38%。

　　● 滿足之后的兼容性（服務/ 售后更換）的鋼材美觀要求，同時采用耐候、彩色模壓配方改善劃痕和損壞，無需打磨和粉末涂層。

　　● 從離岸進口的金屬部件轉(zhuǎn)向近距離運輸?shù)膹秃喜考?，與基準鋼材相比，縮短了供應鏈，減少了制造和使用壽命的碳足跡。

　　復合支架的開發(fā)始于一次會議，會議討論了MCAM 在其產(chǎn)品組合中可能對當時的菲亞特克萊斯勒汽車公司（FCA，現(xiàn)為Stellantis）創(chuàng)新小組有用的新材料。經(jīng)過對KyronMax 產(chǎn)品線的討論，以及對幾種具有不同基體和纖維重量分數(shù)（fwf）的產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表的審查，F(xiàn)CA 的多個應用工程團隊在不同的車輛上進行了展示和討論，F(xiàn)CA 的創(chuàng)新小組決定進一步探索這些材料，并開始尋找可以評估化合物性能的應用。

　　吉普車頂支架最初是采用熔模壓鑄鋼生產(chǎn)的，被認為是一個不錯的選擇，因為這些部件是結(jié)構(gòu)性的，尺寸適中，但具有復雜的幾何形狀，這對實現(xiàn)良好的纖維穿透非常重要。此外，考慮到它們位于車頂頂部，如果能夠顯著減輕重量，那么將有助于降低車輛的重心（COG），這將改善用于崎嶇地形越野的車輛的操控性和穩(wěn)定性。然而，另一個考慮因素是鋼制支架是由一家離岸供應商生產(chǎn)的。

　　設計的機會

　　正如最初為2018-2021 年吉普牧馬人和Gladiator 設計的那樣，有三種類型的鋼制連接支架，尺寸大致相同，但幾何形狀不同，每種都有左側(cè)和右側(cè)版本：有兩個外板和兩個內(nèi)板，都安裝在前車頂交叉構(gòu)件上，對于JeepFreedom Panel 硬頂，用板材成型復合材料（SMC）成型，兩個額外的后連接支架安裝在后車頂交叉構(gòu)件上。

　　帶有軟頂?shù)能囕v僅使用前外置連接支架，而SMC 自由面板硬頂使用所有六個連接支架。鋼件采用粉末涂層，具有耐腐蝕、防紫外線和美觀性。在使用中，支架永久安裝在車輛上；面板可以通過啟動釋放手柄來拆卸，并且可以在重新接合手柄后重新安裝。

　　吉普工程團隊確定了每種型號連接支架在使用中的一系列關鍵載荷：舷外的X、Y和Z載荷，舷內(nèi)和后部的Z載荷，以及舷內(nèi)和舷外的非對稱載荷。為了通過CPN（克萊斯勒零件號）的完整電池驗證測試，CFRTP 連接支架需要通過與鋼制連接支架相同的測試，包括濕/ 熱和干/ 冷操作條件下的加速老化、評估噪音/ 振動的振動測試。振動/ 聲振粗糙度（NVH）、顏色匹配和連接支架必須表現(xiàn)出出色的尺寸穩(wěn)定性/ 零彎曲蠕變，以確保良好的車頂板密封。此外，不允許更改包裝或裝配線；復合材料連接支架必須在相同的封裝空間中提供類似鋼的性能，并以相同的方式組裝到車輛上。

　　另一個要求是復合連接支架需要在視覺上與基準鋼組件相匹配，以確保之后的兼容服務/ 售后更換。因此，候選材料需要滿足苛刻的機械要求，重量輕，提供A 級耐候性表面，并滿足OEM 的成本目標。

　　由吉普、MCAM 和工具制造商Maple Mold Technologies 組成的合作團隊開始研究復合連接支架的潛在設計。在針對各種連接支架的五套初始設計中，有兩套進行了原型設計和測試，其中包括Maple Mold 生產(chǎn)的四套原型工具。舷外原型工具可以注入多種設計進行測試。比較保守的兩種舷外設計在復合材料中有金屬插入，而另一種沒有。連接支架的設計進行了輕微的修改，以提供防錯漏功能，因此在裝配線上不會出現(xiàn)左側(cè)和右側(cè)的裝配錯誤。

　　在材料選擇中，對實驗設計（DOE）進行了重要的考慮。初步評估了26 種金屬和復合材料選擇，其中超過15種是高溫聚酰胺（PA）選擇，要么是聚酞胺（PPA），要么是PA9T。這兩個系列的特點是具有高耐熱性、耐化學性、耐濕性和耐磨性，同時具有出色的尺寸穩(wěn)定性和成型性。對于每個基體，評估了許多FWF和纖維類型和長度選項，包括USCF、短玻璃、長玻璃和長碳纖維。在兩套設計中，幾種不同的聚合物/ 纖維選擇從虛擬原型發(fā)展到物理原型。最后兩種復合材料/ 設計組合在啟動前四個月進入車輛驗證測試階段。

　　所有性能都以更小的質(zhì)量實現(xiàn)

　　綜合物理測試性能最好的復合配方是KyronMax S-4330，這是專門為該應用開發(fā)的新等級。該化合物是30%的USCF/PPA。有趣的是，全復合材料車頂連接支架的機械性能實際上優(yōu)于帶有金屬嵌套的版本。此外，30% 的USCF/PPA 在關鍵指標上也優(yōu)于50%的短玻璃和40% 的長碳纖維PPA。與短纖維或長纖維熱塑性塑料相比，KyronMax 化合物據(jù)說可以像純樹脂一樣成型，并具有各向同性（像金屬一樣）。

　　盡管嚴格的注射成型工藝，纖維長度據(jù)說是保留，而不是進一步減少。在生產(chǎn)工具上帶有直接閥口的熱流道可以最大限度地減少閥口殘留。此外，USCF 化合物以較低的殘余應力/ 內(nèi)應力退出模具，從而提供更好的針線/ 焊縫強度，減少翹曲以獲得更高的尺寸精度和更好的美觀性。

　　注射成型復合材料提供了相當?shù)牧慵姸?，質(zhì)量降低了79%（對于六個連接支架/硬頂版本），成本降低了38%，同時滿足或超過了Stellantis 對負載偏轉(zhuǎn)、扭矩和白車身扭矩保持的所有性能要求，確保了關閉密封的完整性。

　　此外，通過耐候性的彩色模具（MIC）配方，可以改善劃痕和損傷，該配方與基準鋼材美學相匹配，并在客戶可見的表面上選擇紋理。拋光和粉末涂層等精加工步驟被取消。

　　從進口的金屬部件轉(zhuǎn)向復合部件，縮短了供應鏈，減少了長距離運輸相對較重的部件的能源需求。因此，與基準鋼部件相比，復合材料連接支架的制造和使用碳足跡更低（每年減少1137 噸二氧化碳），有助于支持可持續(xù)發(fā)展目標。該應用被認為是第一個大批量結(jié)構(gòu)CFRTP MIC 和耐候性車身應用。

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