随着材料技术的发展，多材料混合应用为轻量化部件的开发带来了新思路。然而，成本效益、生产效率、批量化生产技术等问题还尚待解决。本文介绍了Inpro公司基于产品仿真设计系统而设立的三个轻质材料和混合材料应用的项目研究进展。分别为：LEIKA（混合材料轻量化车身）、ReLei（电动汽车纤维增强复合材料轻量化结构开发）和SamPa（泡沫夹层材料制备）。
电动汽车的出现和强劲的市场态势给主机厂带来了许多挑战。一方面，消费者希望电动汽车的成本与传统燃油车相当；另一方面，主机厂则面临着汽车产品设计和生产工艺的重大革新。为了在降低生产成本的同事保持较好的客户体验，同时降低碳排放，混合材料部件的开发给汽车产品制造者带来了新思路。
LEIKA，ReLei和SamPa项目均涉及混合多材料结构的模拟设计，因此Inpro开发了一款专业的多材料设计仿真模拟软件，适用于不同的仿真系统，具体见图1。
2.1 LEIKA项目
LEIKA项目重点开发金属外壳+碳纤维增强复合材料内衬，以及碳纤维复合材料外壳+金属芯层的混合板材。在复合材料注射成型同时进行金属与塑料的复合，并采用一步成型的方式。研究团队基于该技术开发了混合材料汽车前地板结构件，具体见图2。
采用Inpro开发的模拟系统如下图3，对部件进行模拟优化。通过前地板结构件的碰撞实验，测试结果与模拟结果具有较高的一致性（如图4）。但是碰撞测试金针对前地板结构，并没有对整车进行测试，因此该结果仅可参考。
2.2 ReLei
碳纤维增强复合材料是目前较为理想的轻量化材料，但是碳纤维材料的生产需要消耗较高的能量，价格昂贵。因此，碳纤维材料的回收再利用显得尤为重要。碳纤维回收时长纤维将会被切断，材料的降级将是不可避免的，如图6。ReLei项目采用短切碳纤维毡增强聚合物发泡材料、有机增强垫片、以及注塑材料制备了后覆盖件。工艺过程如图7所示，先将回收的碳纤维毡放入模具，加热预成型，再注入聚合物，引发微发泡（MuCell）反应。
覆盖件产品可一次成型，如图8所示，是先将有机增强垫片和短切碳纤维毡放入模具；合模；有机增强垫片和短切碳纤维毡预成型；随后将加载气体的聚合物注入纤维毡以及图8中的棕色区域，最后拉开挡板，出发微发泡（MuCell）。
2.3 SamPa
SamPa项目的目标是制备具有A级表面的EPP（发泡聚丙烯）部件，如图9。发泡工艺的基本原理由来已久，但是对于型腔填充过程的模拟与控制尚未出现。对于发泡工艺的精确模拟可协助确定注射量、时间、密度的控制等。Inpro系统将CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）与DEM（Discrete Element Method，离散元方法）相结合，对型腔的填充进行模拟仿真，如图10，泡沫颗粒在填充过程中不仅相互碰撞，还将影响腔内的气流。颗粒越多，气流就越被阻挡。填充中期和填充完成后的模拟图见图11。该方法也适用于生产塑料与金属嵌件相结合的部件，用作结构件。
2.4 小结
以上三个项目的研究为汽车高性能轻质结构的开发提供了新的解决方案，同时也具有较低的碳排放。满足材料复杂结构设计的inpro模拟系统通过不同变量的映射可形成不同的仿真系统，从而辅助材料的设计，为新型轻质材料及部件的开发提供有力的支撑。
来源：German Federal Ministry of
Education and Research
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