? 汽車制造商奧迪汽車公司（也是整個(gè)SMiLE項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者）及其母公司大眾汽車公司

? 德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院車輛系統(tǒng)技術(shù)研究所

? 弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所（是前、后承載地板項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者）

? 弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所

? 熱塑性復(fù)合材料供應(yīng)商巴斯夫

? 機(jī)器制造商迪芬巴赫

? 工裝模具制造商Frimo

 

   對(duì)于前、后承載地板以及它們所屬的較大的白車身結(jié)構(gòu)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是，在減重降本的同時(shí)，能吸收更高的沖擊能量。

 

   因此，他們決定采用熱塑性復(fù)合材料和金屬嵌件來(lái)生產(chǎn)后承載地板。

 

   該團(tuán)隊(duì)想要添加后備箱功能以及第二排安全帶連接結(jié)構(gòu)，但他們還想利用承載地板來(lái)吸收大量的碰撞能量。

 

   通常情況下，汽車制造商主要是依靠金屬承載地板側(cè)面的金屬型材來(lái)管理乘用車的后碰撞能量，因此，考慮到熱塑性復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，研究人員們想要知道：復(fù)合材料承載地板的整個(gè)寬度和長(zhǎng)度是否可以被用來(lái)管理碰撞載荷，以及是否能夠吸收更高的碰撞能量。

 

   研究人員們審視了常見的汽車熱塑性復(fù)合材料，聚丙烯（PP）和聚酰胺6（PA6）等基體材料都進(jìn)入了他們的視野，但由于溫度原因，他們放棄了PP，因?yàn)楹蟪休d地板會(huì)隨白車身一起經(jīng)過高溫電泳涂裝防銹處理。

 

   由于需要連續(xù)纖維增強(qiáng)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的剛性和強(qiáng)度，因此他們主要將目標(biāo)集中在織物增強(qiáng)的有機(jī)板材（一種玻璃纖維氈熱塑性（GMT）復(fù)合材料形式）和單向（UD）熱塑性預(yù)浸帶。

 

   基于多種原因，他們選擇用預(yù)浸帶作進(jìn)一步的原型開發(fā)。

 

   研究人員們知道，后承載地板的幾何形狀會(huì)很復(fù)雜，因此，他們使用了自動(dòng)化的鋪帶機(jī)（ATL），這樣，就可以按任意方向鋪放UD帶，使得制成窗口/孔的用料要比使用有機(jī)板的少，以減少?gòu)U料，降低重量和成本，并允許最有效地將纖維應(yīng)用到部件的局部和整個(gè)范圍內(nèi)。

 

   而且，由于通過ATL鋪放的纖維在疊層的每一層中都是平的或平行的，而不像織物那樣是編織的，因而無(wú)波動(dòng)及后續(xù)在剛性和強(qiáng)度方面的損失。

 

   不過，UD 帶的確有其局限性：它們相對(duì)較貴，懸垂性較差，幾乎沒有流動(dòng)，因而難以填充復(fù)雜的形狀。

 

   通過有選擇性地使用不連續(xù)的/短切的直接長(zhǎng)纖維熱塑性（D-LFT）復(fù)合材料，這些問題迎刃而解，因?yàn)樗鼈兪强闪鲃?dòng)的，允許實(shí)現(xiàn)高度的功能集成/部件整合，而且在沒有纖維橋接的情況下更容易形成復(fù)雜的肋，又能吸收大量的沖擊能量。

 

   采用D-LFT，還易于嵌入金屬附件，尤其是需要對(duì)嵌件預(yù)鉆孔以便復(fù)合材料流過而包覆在金屬周圍時(shí)，這樣，通過機(jī)械連鎖就可以實(shí)現(xiàn)牢固的結(jié)合。

 

   此外，D-LFT比帶材或有機(jī)板便宜，更容易在厚的部分成型。

 

   由于配混是在壓機(jī)旁邊完成的，因此D-LFT簡(jiǎn)化了材料的庫(kù)存管理，為開發(fā)項(xiàng)目提供了高度的靈活性，從而可以快速改變材料特性，包括纖維長(zhǎng)度和類型、纖維體積百分含量（FVF）以及基體材料。

 

   在制作過程中，對(duì)材料/工藝的設(shè)置是可控的，從而可以實(shí)現(xiàn)高度的重復(fù)性和再現(xiàn)性（R&R）——這也就是為什么近20年來(lái)汽車行業(yè)已將這種工藝用于中、大批量的生產(chǎn)中。

 

   由于研究人員們希望后承載地板薄而輕，并能夠在吸收高沖擊載荷的同時(shí)還抗屈曲，他們采用了玻璃纖維增強(qiáng)的和碳纖維增強(qiáng)的帶材以及D-LFT，按不同的纖維重量百分比（FWFs），通過對(duì)小型部件的測(cè)試來(lái)進(jìn)行模擬和初步開發(fā)，以評(píng)估機(jī)械性能和填充性能。

 

   雖然與玻璃纖維的復(fù)合材料相比，碳纖維的復(fù)合材料生產(chǎn)出了更薄、更輕且更剛性的結(jié)構(gòu)，但由于成本問題，再加上前承載地板已經(jīng)使用了碳纖維增強(qiáng)材料，因此研究人員們?cè)跀U(kuò)大到全尺寸部件的過程中，選用玻璃纖維來(lái)增強(qiáng)后承載地板。

 

   由巴斯夫提供的含40%玻纖重量百分比的Ultramid B3K PA6 D-LFT 以及8層含60%玻纖重量百分比的Ultratape B3WG12 PA6 在此得到了應(yīng)用。

 

   在經(jīng)過大量的模擬之后，一個(gè)1.3m×1.3m的后承載地板最終被設(shè)計(jì)出來(lái)，它包括：一個(gè)由UD帶制成的薄殼、近凈形狀的結(jié)構(gòu)，被預(yù)固結(jié)成層壓交織板，其上擁有較厚的D-LFT擠壓區(qū)；同樣由UD帶制成的帶有深槽（50mm高，115mm寬）的大型波紋板，沿部件的縱軸成型，從而能以較小的重量和厚度實(shí)現(xiàn)高剛性。此外，兩個(gè)窗口在鋪帶過程中即已形成，從而允許D-LFT穿透層壓板直至需要它的位置。