绘画碳纤维:耗时,劳动密集型任务

光和强大的碳纤维复合材料对节能汽车的承诺在未来,但要实现这一承诺,将需要多年的新材料开发和组装汽车的新方法。

7月22日,二千零一十四
罗伯特·勋伯格

作为汽车制造商提高使用轻质铝和碳纤维改善燃油经济性,表面处理和涂装的过程正在改变。在第1部分中,在里面烟草花叶病毒春天的问题,PPG工业公司讨论了增加汽车中铝的使用所需的新的预处理步骤。在第2部分中,BASF讨论了涂覆碳纤维的挑战。

昂贵的,半钢的重量一样强烈,碳纤维日益成为汽车制造商的首选材料。

可形成复杂形状,高科技材料被用于赛车车身壁板和内部组件,高端跑车,还有电动汽车。从雪佛兰的Corvette Stingray到兰博基尼Aventador,性能车广泛使用碳纤维来提高车辆的功率重量比。

从工程师到设计师再到环境监管者,碳纤维拥有答案很多汽车制造商面临的最大挑战。然而,成本过高,而且公司也不能使用几十年前将涂料涂到材料上的方法。

“许多汽车制造商已经与涂料界接触,他们的愿望是利用今天所用的方法来油漆车辆,但是要结合所有这些复合材料,“保罗·兰伯特说,BASF北美涂料解决方案的技术经理。“这就是挑战。今天,没有人成功的满足这个挑战。”“

碳纤维和白色车身

碳纤维更接近于织物,而不是汽车制造商习惯于涂装的金属面板。想象一下,一件毛衣要像金属板一样光滑,需要多少层油漆,你了解了挑战的范围。

宝马避免在碳纤维面板上涂i3

i3紧凑型电动汽车,德国汽车制造商宝马公司希望使用彩色碳纤维车身面板来减轻重量,同时仍然提供防撞保护。而不是解决油漆面板的挑战,宝马找到了另一种方法。

i3使用铝制框架,工人们在其上粘贴碳纤维外壳结构。不是治疗,启动,砂磨,并喷涂这些表面,宝马附着薄,在碳纤维顶部预涂热塑性板,创造平滑的,彩色表面。

“由于该工艺不涉及启动过程,因此用水量减少了70%,绘画,以及整个身体的干燥,与传统模型一样,“宝马一位官员说。“相反,保险杠,前方,后方,宝马i3的侧部可以简单地单独涂装,节省资源。”“

也,避免车身浸渍过程从每辆车上减去约22磅的重量,据宝马官员。电动汽车,重量决定了汽车一次充电能行驶多远,因此,减肥意味着增加里程。比2多一点,600磅,i3约为1,比钢制的福特福克斯电动车轻1000磅。

汽车制造商想要的是什么”白色身体–这个短语可以追溯到汽车工业的最早时期,那时成品车壳被建造和油漆成与装配厂分开的设施。

在今天的大多数汽车厂,半成品汽车进入油漆车间,大部分外部金属板焊接在一起。制造商把部分组装汽车的身体浸入预处理和电泳涂漆浴在发送之前他们的油漆展位机器人应用薄层底漆,油漆,给车辆平滑的抛光,这是客户所期望的。表面油漆店专业人士称这些类。

白车身工艺对碳纤维不起作用。

“目前的碳纤维基片仍然非常粗糙和不均匀。它们往往是多孔的,有凹坑和空隙,还有表面的纤维,“Lamberty说。“有些纤维没有完全用树脂覆盖,起到微芯的作用。所有这些衬底缺陷导致油漆涂层缺陷。”“

手册,昂贵的涂装工艺

即使面板是光滑的,碳纤维提供了额外的挑战。大多数汽车油漆店使用静电系统,通过车身面板运行温和的电流,产生电磁荷。电荷会吸引有雾的油漆分子,创建甚至覆盖层和超范围小于重力驱动的流程。用碳纤维,Lamberty说:这种材料导电性不均匀,因此,静电系统可能导致油漆结块在部分面板上携带更多的电荷。

“你可以得到不同厚度的涂层。它导致非常粗糙和不可接受的外观,“他解释说。兰伯蒂说,涂料公司和碳纤维生产商正在探索新技术,以减轻这种挑战,如使用导电底漆和额外的打磨步骤。

更大的问题,虽然,也就是说,汽车制造商在使用碳纤维时,现在必须将汽车涂装过程的很大一部分从装配线上拿走。制造商们花费了数十亿美金来使油漆工艺尽可能的快速和无瑕疵。

兰伯蒂补充说,“他们现在喷涂碳纤维的方法实际上并不可行。太贵了。”“

现在,主要的解决方案是费力的。汽车制造商将碳纤维板从装配线上取下,就像汽车售后市场画家,应用底漆,用沙子打磨表面,然后涂上一层底漆。重复这个过程,直到他们得到一个面板光滑如一块金属板,然后他们画它。

在表面的粗糙度和电导率挑战之间,碳纤维不仅比钢贵,它需要重复的手工整理,将人力成本加入等式。这种手工作业可以小批量进行,昂贵的跑车,但是对于生产100台的工厂来说,这太耗时太昂贵了,每年000或更多的车辆。

电镀和多材料面板

问题在准备碳纤维板之前开始油漆摊位。汽车制造商用电镀(e-.)车辆薄层锌和其他材料,以防止生锈和腐蚀。用于电子涂层的固化工艺对于复合材料车身面板来说可能太热,造成需要更多砂子的表面变形,素数,和油漆台阶。

在某些情况下,碳纤维本身可以经得起更高的热量,但是其他复合材料不能。

兰伯特解释说,“有各种类型的碳纤维复合材料和加强材料。并非每种碳纤维增强塑料(CFRP)在高温下都具有足够的耐力。例如,碳纤维增强聚氨酯在高温下开始失去硬度,并会下垂,弯曲,扭曲。“

轻质材料和燃油经济性

尽管制造业面临挑战,对碳纤维的兴趣继续增强。根据联邦燃油经济性规定,到2025年平均每加仑54.5mpg,所有主要汽车制造商都表示,削减汽车重量将是未来十多年的优先事项。在2012年发表的一项研究由麻省理工学院的斯隆汽车实验室发现,生产商需要车辆的平均重量降低27%,添加更多的混合动力和电动汽车舰队符合新标准。

例如,3,215磅的丰田凯美瑞是最畅销的汽车在该国。减掉27%的体重可以减掉868磅。没有广泛使用碳纤维复合材料,这可能是不可能的。福特今年晚些时候将推出新的2015F-150皮卡,车辆用钢铝车身壁板,发动机排量减少了23%。和rails框架重量减少了更换标准钢比白班,高强度钢合金。总的F-150节食法使福特省了700磅。

“他们将不得不使用碳纤维或类似的事情,不管他们发明什么,“保罗·兰伯特说,BASF北美涂料解决方案的技术经理。

然而,甚至碳纤维车身面板本身也会太重。

“他们将在车辆前方使用混合基板,“Lamberty说。“他们将使用碳纤维无论他们需要的结构方面,然后他们将使用其他轻型基质别处。”“

碳和复合材料已经耐腐蚀,所以今天的面板经常跳过e-coating。但是,回到白色身体概念,兰伯蒂说,汽车制造商希望通过所有过程发送整个车身,不管使用的主要材料是什么。

“有很好的理由。即使与碳纤维复合材料,他们仍然使用金属,“Lamberty说。

金属制片和镶片可以在成型过程中嵌入到碳纤维面板中,创建锚以将面板连接到框架,例如,或者添加用于门放置的金属铰链。

“对于任何暴露的金属部件,他们想要防腐,所以他们想要所有的东西都涂上电子涂层,“兰伯蒂注意到。

寻找解决方案

降低电子涂覆工艺的温度可以允许轻质CFRP和其他增强复合材料在没有翘曲的情况下通过浴缸和烤箱。Lamberty说巴斯夫和其他人在汽车涂料世界致力于发明新的化学反应提供金属零件所需的耐腐蚀复合材料虽然操作足够冷静不要伤害。

冷水浴可以解决一个问题,但也会产生其他问题。汽车车身结构中使用的一些粘接技术依靠高温处理来完全固化它们的连接。用钢,在大多数植物中,这种现象可能发生在电子涂装或烘干步骤中。与电子涂层温度一样,油漆烘烤会变形、扭曲一些复合材料。所以,如果汽车制造商转向更低的温度和更短的烘箱时间,一些粘合剂也需要更换。

一旦公司解决了温度问题,表面粗糙度的挑战,空斑,还有杂散的纤维会吸走底漆和油漆。此外,碳纤维太贵了,不能广泛使用。估计各不相同,但2009年的一项研究从福特把价格溢价超过10钢铁价格。落基山研究所的一份2011年的报告(RMI)环保组织显示大约三次成本溢价(RMI福特的研究显示类似的差价,但它的报告说明了简化的制造工艺节省了成本。

朗伯蒂说,许多不同的群体——涂料生产商,材料专家,汽车制造商,模具公司-正在努力开发所需的技术,以获得碳纤维成本效益和适合传统的汽车组装。

“我们都在为这一个共同努力。我们正在寻找模具内涂层,以适用于与碳纤维形成的零件,“Lamberty说。“我们还在制定涂层,以尽量减少芯吸和孔隙率的基板的影响。这肯定是技术结合的产物——不仅是基材层,还有每一层的涂料化学。”“

巴斯夫涂料
www.basf-.ings.com

关于作者:Robert Schoenberger是TMV的编辑,可以通过rschoenberger@gie.net或330.523.5381。