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从i3到iX看宝马汽车碳纤维应用的十年之路

以下文章来源于轻量化共同体 ,作者轻量化产业联盟


一、结论


1、BMW iX的碳纤维策略(Carbon Cage)并未采用BMW i系列(i3&i8)的全碳纤维车身(Carbon Life Module),而是在7系(Carbon Core)的基础上,从Core“进化?”到Cage——加大侧围碳纤维的面积(B柱+门槛),但减少了碳纤维的数量(由16个变为8个);
2、BMW iX的2个A柱碳纤维管采用与i3&i8&7系相同的RTM工艺,2个顶盖横梁由7系的湿法模压改为热塑性注塑,2个侧围外板和2个尾部流水槽采用大面积的RTM(外观件);
2、BMW iX的A柱碳纤维管和顶盖横梁,在焊装车间安装,随车过电泳;侧围外板和尾部流水槽不随车过电泳,在涂装之后和总装之前安装;
3、重点关注:热塑性顶盖横梁,轻量化+功能集成,生产节拍快,可随车电泳(PA6/CF的成本是个大问题);

4、插播一个新闻:SGL cuts jobs as BMW moves away from carbon fiber(iX will not rely as heavily on carbon fiber as the i3)。


二、车型基本信息


宝马批量应用碳纤维的车型主要是i3、i8、7 series和iX,这些车型的基本信息如下,供参考,其中把iX和X5放在一起,尺寸做个对照,话说iX比X5重了300+kg,电动化确实给轻量化带来了更大的压力和动力。


条目
BMW iX
BMW X5
BMW i3
BMW i8
BMW 7 series
上市时间
2022
2020
2013-2020
2013-2020
2017-2021
售价
84
70
30
200
75
 (mm)
4955
4930
4020
4689
5273
 (mm)
1967
2004
1775
1942
1902
 (mm)
1698
1776
1600
1282
1498
轴距 (mm)
3000
2975
2570
2800
3210
重量 (kg)
2558
2240
1487
1485
2179
电机位置
AWD
AWD
RWD
AWD
AWD
电机功率 (kW)
385
/
125
105
/
电量 (kWh)
111.5
/
42.2
11.6
/
NEDC纯电续航
/
/
340
50
/
WLTP纯电续航
630
/
/
/
/
CLTC纯电续航
665
/
/
/
/


三、iX的Carbon Cage

宝马iX是全新的纯电专属平台,如果说宝马iX3是在X3的基础上”油改电“而来的,那么iX无论是在车身还是底盘,与X5是截然不同的。下图分别是iX和X5的车身结构&选材,供参考。底盘就不放了,对平台架构感兴趣的,可以仔细研究一下iX和X5的通用化策略。


iX碳纤维的定义是“Carbon Cage”,事实上是7系“Carbon Core”的延续。从iX的白车身材料分布图中,可以看出,iX的碳纤维一共7个部件,分别应用在顶盖横梁、A柱上边梁、侧围加强件和尾部加强件,其中外观可视的是侧围&尾部加强件。熟悉宝马汽车碳纤维在i3、i8及7系应用的人会发现,iX的碳纤维应用策略与i3&i8是不同的,而是与7系策略有一些类似(如下图),我们逐件看一下。

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1、A柱上边梁碳纤维管

A柱碳纤维管采用3D编织工艺预成型,包裹热塑性泡沫(水压支撑),然后通过RTM工艺成型。这种工艺在i3、i8和7系上均有应用。按照宝马的节拍,一台RTM设备,每天可生产>250件(5min/件),年产>75000件。目前真正批量生产的车型中,采用此方案的车型并不多。

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2、顶盖横梁

iX的前后顶盖横梁采用热塑性注塑的工艺,在轻量化和满足性能要求的前提下,进一步集成了线束和天线等电子电器部件,以及集成了一些安装功能的支架。

具体材料和工艺,可以参考之前i3的一个验证项目,连续纤维骨架是50K UD的碳纤维,树脂基体是PA6,注塑料是回收的碳纤维增强PA6。iX是否完全采用相同的材料,还不是很确定。值得注意的一点是,这两个顶盖横梁是可以过涂装的(200℃/30min+150℃/40min)。总之,相较于A柱碳纤维管RTM工艺,CF/PA6的注塑工艺,可以把生产节拍缩短到1min,又可以随车电泳,是要重点关注的。另外,值得一提的是,这两个件的左右两端是金属嵌件,直接和车身焊接在一起。

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3、侧围外板和尾部流水槽

无论相较于i3&i8,还是7系,iX都减少了碳纤维部件的数量,但是我理解iX还是希望更大程度的发挥BMW i系列更加激进的碳纤维亮点,于是在侧围外板(B柱+门槛梁)和尾部流水槽采用可外观可见的碳纤维部件,开门上车和开后背门的时候,肉眼可视的六边形碳纤维编织纹理,确实比较吸人眼球。当然,相较于7系,侧门外板面积更大,轻量化的效果和性能提升的结果,应该会更明显。但是无论是材料成本还是工艺成本更进一步提高了。7系的门槛加强板采用碳纤维湿法模压工艺,iX的侧围外板采用RTM工艺,其中碳纤维的编织方向是根据碰撞受力来设计的。连接方面,这四个件通过双组分的胶水与车身连接,需要红外加热固化,这在一定程度上也影响了厂内的生产节拍。

图片
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4、制造工艺

如下图所示,8个碳纤维部件中,A柱碳纤维管、顶盖横梁是焊装车间装配,之后随整车电泳;电泳之后,回到一个单独的”焊装“车间,拆下开闭件,安装碳纤维侧围外板和尾部流水槽,涂胶+红外加热固化,最终直接进入总装车间。

图片

四、BMW十年碳纤维之路回顾


1、BMW碳纤维的起源


宝马汽车的碳纤维应用研究始于1999年,真正的批量生产则是从i3开始(2013年量产交付)。自此,开启在i3、i8和7系上,开始了carbon lifemodule和carbon core的原创、应用和引领。碳纤维的批量应用,也进一步加强了宝马汽车在”高科技“、”轻量化“方面的品牌力。


值得一提的是,2011年,也就是BMW i3的概念设计之初,宝马集团投资了SGL(西格里集团是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一,涵盖了从原丝到碳纤维、织物和预浸料、再到CFRP部件成品在内的完整业务链)。目前,宝马集团在SGL的占比是18%,大众集团是7%。


图片


2、i3和i8的Life-Drive


图片

• i3整备质量1487kg,其中Life Module白车身138kg、Drive Module车架82kg。Life Module中碳纤维68kg,包括34个部件,其中15个RTM部件(含两个编织泡沫夹心型材)和19个模压部件。


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• i8整备质量1485kg,其中Life Module白车身168kg、 Drive Module车架59kg。Life Module中碳纤维包括42个部件,其中14个RTM部件(含三个编织泡沫夹心型材)、5个回收碳纤维和23个模压部件。


图片

• 此外,i8的双翼门也采用了碳纤维内板,单个门5个部件,包括3个模压件和2个RTM件。


图片

• i3的制造工艺


传统的汽车制造四个工艺,包括冲压、焊装、涂装和总装,而i3是没有冲压和涂装车间的,这主要是由于i3的外观件全部为塑料件,碳纤维的白车身车体也不需要经过防腐;清洗、电泳、喷漆和烤漆。这在一定程度上,确实降低了产线的投资,比较适合小批量的试制和生产,比如i8、兰博基尼、前途K50等碳纤维车身。不得不说,宝马i3从2013年量产,到现在将近10年,全球销量二十几万台,也是碳纤维在汽车行业的奇迹。


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3、7系的Carbon Core


7系的碳纤维零部件16个,4种工艺,分别包括湿法模压、RTM、碳纤维和钢板直接模压和碳纤维SMC。7系是在传统冲、焊、涂、总的基础上,采用碳纤维的,适当调整了焊接产线和涂装工艺(温度和时间控制)。事实上,相较于i3,7系的碳纤维应用是更有借鉴意义的,即如何通过材料&工艺设计、连接&涂装工艺设计来实现碳纤维零部件在车身的应用,在不大面积调整制造工艺的情况下,满足生产节拍,实现轻量化和性能提升。


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图片


五、小结


十年前的i3,确实给汽车行业/碳纤维行业带来了很大的期待,但十年的发展,碳纤维在汽车行业的应用依然是“理想很丰满,现实很骨感”,纯碳纤维的白车身几乎全部是跑车才会有的选择;五年前7系,Carbon Core又给大家带来一些启发和借鉴,但碳纤维加强件,依然无法在普通乘用车上普及,哪怕是一个类似于“镁合金方向盘”的成熟案例都没有;今年的iX,命名为Carbon Cage,其实寓意要比7系的Carbon Core更要宏大,宝马曾经说过,when a bodygets a name, it must be someting special,也许碳纤维给宝马带来的,更多的是special。下一步碳纤维复合材料该怎么发展,需要汽车行业和材料行业的人们,不断的努力探索和尝试,通过一点点努力,实现从0到1,从1到10,最终实现真正的大批量生产。


文章来源:轻量化共同体



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