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“在汽车设计领域掀起一场革命” 东丽设计出大量采用CFRP的EV概念车 |
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| http://cn.newmaker.com
10/19/2011 12:06:00 PM
日经BP社
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 东丽开发出了在车辆骨架等部分采用碳纤维强化树脂（CFRP）大幅减轻了车重的电动汽车（EV）概念车“TEEWAVE AR1”（图1）。TEEWAVE AR1为可进行上路行驶的车辆配置，各部件在制造时非常注重实用化。目标是“在汽车设计领域掀起一场革命”〔该公司代表董事副社长、首席技术官（CTO）田中千秋〕。
单体构造共用是前提
此次开发的是双座敞篷式EV。CFRP使用了约160kg，由此在确保与该型号普通车辆同等以上的刚性和碰撞安全性的同时，将钢板用量减少了约550kg。外径尺寸为长3975×宽1766×高1154mm，车辆重量为846kg（包括220kg的充电电池）。
CFRP包括母材（基体）采用热固性树脂的CFRTS（CarbonFiber Reinforced Thermosets），以及母材采用热可塑性树脂的CFRTP（CarbonFibe Reinforced Thermoplastics）两种。CFRTS将环氧树脂等浸渍在长纤维织物等中并使其硬化，虽然成形比较花费时间，但强度和刚性较高。
而CFRTP则在树脂中掺入了短纤维，虽然机械特性不及CFRTS，但通过冲压成形和射出成形，可在比较短的时间内进行加工。新开发的概念车根据应用部位和用途区分使用这两种CFRP，从而兼顾了性能的提高和重量的减轻（图2）。
图2：TEEWAVE AR1的设计思想
单体构造和能量吸收部件采用强度和刚性较高的CFRTS。机械特性要求不高的部件采用在材料成本和成形时间上具有优势的CFRTP。单体构造以可在多种车型上共用为前提。
乘员的空间——车内采用了CFRTS单体构造。采用CFRTS可将复杂形状一体成形。因此，该单体构造的部件数量只需三个即可，是钢板车辆的1/20。整个构造的重量约为45kg，控制在了钢板车辆的一半以下。
在车辆前后负责吸收碰撞能量的碰撞吸能盒（Crash Box）也采用CFRTS。与钢板材料相比，CFRTS碰撞吸能盒单位重量的能量吸收量高约2.5倍，由此可以减轻部件重量、强化碰撞安全性。
CFRTS单体构造可单体实现出色的强度和刚性，因此设想在多款车型上共用。有观点认为，可通过部件数量的削减和部件的共用，弥补作为CFRTS缺点的长成形时间以及作为整个CFRP课题的高材料成本。
目前，东丽正在积极开发的CFRTS成形法包括“高循环一体成形法”＊1。该成形法的周期目前约为10分钟，但已有望缩短至5分钟。东丽认为，如果以单体构造可在多种车型上共用为前提的话，周期缩短至3分钟就会被汽车厂商所接受。
＊1：高循环成形法将碳纤维织物剪成细小的部分，然后将其粘在一起制成经过冲压的“预成型坯”。将预成型坯装入模具内，把模具关闭后注入热固性树脂（主要是环氧树脂），形成复合材料。
而车顶和检修孔盖板（Access Panel）等板状部件则不要具备骨架部分那么高的机械特性，因此可采用CFRTP以低成本在短时间内成形（图1）。CFRTP制板状部件的周期在1分钟左右，缩短至汽车组装工序的生产节拍内。
能够熟练使用各向异性材料的设计人员较少
东丽将此次概念车的创意和构造设计委托给了英国Gordon Murray Design公司。该公司由曾经从事过Formula 1车辆设计的Gordon Murray创办，现在主要从事环保车的设计。开发费用约为3亿日元。
东丽为何不惜投入如此高的费用开发概念车呢？主要是因为CFRP拥有完全不同于钢和树脂等当前主流汽车材料的性质。其特点就是各向异性。尤其是采用长纤维的CFRTS，不同方向的强度等机械特性会大幅变化。虽然与纤维呈垂直方向时的强度较弱这点比较麻烦，但如果有效应用该性质，就可以实现原来所没有的崭新设计。东丽的田中称之为“革命”的就是这种发挥各向异性的设计。
但是，对于多年一直使用钢铁和树脂等各向同性材料的许多设计人员来说，各向异性材料CFRP尚有很多未知的部分。田中断言，“汽车厂商中几乎没有可以熟练使用各向异性材料的设计人员”。为此，材料厂商东丽有一种危机意识：如果不通过完整的汽车开发浅显易懂地向业界介绍CFRP的应用可行性，就无法扩大CFRP的应用范围。
现实情况是CFRP单位重量的机械特性优于钢和树脂，但在材料成本和成形时间方面却相距甚远。即使这种差距得到缩小，也很难想像会出现逆转超过钢和树脂。设计革命是CFRP普及的必需条件＊2。
＊2：今后，东丽将把TEEWAVE AR1放在汽车技术开发基地“汽车中心”（名古屋市），与汽车厂商的技术人员就CFRP的有效利用进行合作。
虽然尚未象可上路行驶的TEEWAVE AR1的完成度那样高，同样开展碳纤维业务的帝人和三菱化学控股集团也在开发大量采用CFRP的EV概念车。东丽拥有概念车后，争夺CFRP等轻量化材料“主角”的竞争将会更加激烈。（记者：高野 敦，《日经制造》）
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