Fibratech开发出先进制造技术使碳纤维车轮的成本下降37%

波兰-德国车轮制造商Fibratech正在进行电动汽车用碳纤维车轮的低成本化制造，从而为汽车提供铝车轮真正的大规模替代品，为成为最大的一级车轮供应商之一铺平道路。

自20世纪60年代初，锻造铝车轮应用于乘用车领域以来，该行业的重量没有明显的减轻。众所周知，复合材料为进一步减轻车轮重量提供了最大的潜力。此外，只有少数公司已经使用高压釜甚至RTM技术开发出安全（测试）的碳纤维轮辋。

为什么我们在街上看不到碳纤维车轮？答案非常简单而务实：因为它的价格。不幸的是，目前的碳纤维车轮制造商无法大幅降低其产品销售价格，因为其生产成本很高，约为每台950欧元（图1）。当然，在确定最终价格之前，应该考虑一些利润和设备折旧。当产品相对昂贵时（尤其是与铝解决方案相比），它最终会处于“需求层次”的顶端，也就意味着价格高和数量少。

图1 碳纤维车轮中的成本组成

Fibratech于2017年由空客集团的两位工程师Michael Sobolewski和Claus Georg Bayreuther创立。他们确定了一个崇高的目标，即开发一种每一位汽车用户都能使用的碳纤维车轮技术。该公司强调了这一挑战的独特性，旨在提供车轮重量和成本之间的平衡。为了实现这一目标，这家初创公司必须专注于轮辋的两个主要成本组成部分：材料成本和劳动力成本。

材料成本

首要成本即材料的成本包括夹层泡沫、树脂系统和碳纤维材料。经过几次测试，Fibratech决定使用Rohacell作为唯一能够承受苛刻注射和热加工条件（在RTM注射和使用期间）的材料。为了降低材料成本，该团队开发了一种特殊技术，该技术基于对一大块未加工的泡沫进行切片和成型。这种方法有助于降低成本，但也提供了车轮设计的自由度（确保使用更高的泡沫体积）（图2）。

图2 Fibratech公司开发的碳纤维车轮

对于热量和强度要求较低的应用（但仍必须维持非常硬的车轮使用条件），Fibratech使用一种名为Rohacryl的新型材料，这种材料可用于大众运输或商用车辆，包括货车和电动货车等送货卡车。

关于环氧树脂体系，车轮是一种对热要求很高的部件，必须承受高达200°C的温度。这种温度可能出现在车辆的快速制动过程中，这会由于摩擦而产生较高的制动盘温度。­Fibratech根据Evonik和日本Kaneka子部件制备了自己的配方，提供了所需的极限强度、疲劳和冲击性能，上述性能对此类悬架元件非常重要。这种独特的环氧树脂体系具有很高的机械性能和热性能。而碳纤维成本的进一步潜在降低可能与生产规模有关

劳动力成本

劳动力成本是碳纤维车轮成本的另外一个关键组成部分，可分为以下几个阶段：碳纤维的预成型、精加工和涂层。由于车轮形状通常相当复杂，因此，Fibratech专注于难以用使用铸铝技术制造的空气动力学形状结构，并由于积极的气流影响而进一步降低能耗（图3）。

图3：Fibratech碳纤维车轮结构

Fibratech技术的预成型阶段使用独特、易于自动化的工艺，包括：1）、严格按照模具形状对编织材料进行振动冲压；2）、轮筒区域的缠绕；3）、针织；4）、刺绣；5）、量身定制的纤维铺放。

后面三项技术来源于非复合材料部门，但确实纺织行业高度自动化的技术，Fibratech使用了许多快速且可重复的解决方案，以更自主的方式使车轮更轻（图4）。

图4：德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所的定制纤维铺设技术用于Fibratech碳纤维车轮应用

在树脂注射和脱模结束之后，车轮必须通过简单的数控加工完成（图5）。

图5：车轮的最终数控铣削

在碳纤维车轮的最后一个制造步骤中，Fibratech使用了基于粉末涂层技术的涂层方法（图6）。得益于与Farco（铝车轮涂料供应商）的合作，这些涂层具有恒定的厚度，无需进行苛刻的表面处理。

图6：粉末涂层过程中的碳纤维车轮

上述技术使Fibratech大幅降低了CFRP车轮的制造成本，每个车轮约为600欧元，即成本降低了约37%(图7)。降低成本并不是Fibretech技术的唯一优势。对于具有航空航天背景的创始人来说，创造一种能够提高运输安全的产品和生产技术是极其重要的。通过与慕尼黑TÜV SÜD集团为期5年的合作，Fibratech对CFRP车轮进行了全面的测试，展示了其在日常使用中的高安全性和耐用性。

图7：7公斤碳纤维整体式车轮的成本降低

发展前景

碳纤维车轮为汽车用户提供了众所周知的好处，包括如下方面：

• 大幅减轻重量；
• 惯性矩显著降低；
• 能耗更低；
• 增加了行驶里程；
• 制动距离更短；
• 提高了车辆性能；
• 高阻尼系数降低噪音水平。

基于这些优势，Fibratech团队计划确保碳纤维车轮技术在我们的日常生活中广泛使用。该公司希望重新定义CFRP车轮客户的共同形象，他们不必仅仅是超级跑车或赛车运动的用户。在当前电动化时代的浪潮中，Fibratech旨在为普通汽车用户提供他们应得的产品：更好、更容易、更安全、更舒适的交通，并由成本效益高的碳纤维车轮来保证。