现如今，连续纤维增强型热塑性复合材料已经可以替代金属材料，用于汽车安全部件的轻量化结构设计，最好的例子就是在多轴增强复合物半成品的基础上生产的制动踏板，这种踏板目前已经可以进行批量化的生产。

自2016年以来，宾利Continental GT就采用了纤维 增强塑料的制动踏板，这种制动踏板在近来的工艺 开发设计中一直被作为相关安全部件的原型。

制动踏板通常都不属于视觉亮点的那一类汽车部件，但如果你驾驶的是一辆保时捷Panamera G2或者是宾利Continental GT，那就另当别论了，这两款车型采用了全塑的制动踏板，由位于德国达默的Boge橡胶与塑料集团进行生产制造，该全塑料制动踏板不仅造型美观，而且在轻量化与高拉伸、高弯曲、抗扭强度之间实现了完美的平衡（图1）。也正是由于这个原因，该塑料踏板被评为了2016年SPE汽车大奖车身内饰件类别的第一名。

图1 全塑料制动踏板的重量只有钢材踏板的一半左右，由于镶块采用多轴纤维层结构Tepex dynalite材料，该塑料踏板能够满足各类应用的高负载要求。

这款踏板产品能够获得SPE评审青睐的原因有几点，其一是产品的轻量化，与相同设计的钢材踏板相比，塑料踏板的重量可以减轻一半；第二个决定因素是其经济高效的生产工艺，该工艺适合大规模批量化生产制造；另外，获得特别认可的是其镶块由朗盛公司提供的先进多轴纤维层结构Tepex dynalite材料制成，而且踏板部件表面是排列非常规整的连续玻璃纤维，这些因素造就了塑料踏板高科技与动感十足的外观，非常令人心驰神往。

全塑料制动踏板的生产过程从一块复合材料镶块开始，该镶块利用连续纤维层多轴结构进行增强，这款名为Tepex dynalite的连续纤维增强复合材料是由朗盛的子公司Bond-Laminates开发并制造的。聚酰胺6（PA6）基体的注塑与包覆过程相结合，通过采用一次复合成型工艺来成型，这种工艺生产周期短，非常适合大规模的批量化生产。注塑成型材料采用的是Durethan DP BKV60 H2.0 EF，该材料是由60%短玻璃纤维增强而成的PA6。注塑成型的工艺过程使得一些踏板的功能部件能够集成到一起，这些功能件包括用于踏板支架的导向件和接触面，这样就能降低整个部件的制造成本。另外，对于应力较高的区域，还可以选择性地使用肋材对部件进行增强。针对惯用左手与右手驾驶的车辆，制动踏板被分别设计为两种不同的版本，两种情况下，负载的传递路径都进行了优化以应对不同的扭转方向。

根据组件要求而定制的纤维层

为了实现制动踏板注塑成型规模化批量生产的成本效益，就需要对连续纤维增强热塑性半成品的生产工艺进行改良。之前该半成品的生产工艺只能在单个纤维层中实现0°和90°这两个方向上的连续纤维对齐，但是由Bond-Laminates公司所开发的纬编增强制造工艺，不仅降低了该半成品的制造成本，提升了其效益，而且适用于大规模的批量化生产。

采用这种改良工艺，玻璃纤维层能够以任何角度来进行排布，这样就可以自由地根据负载路径来决定纤维层的排布角度形成层压结构，完全是按照组件的特定负载需求来精准定制的纤维层制造工艺。相比以往手动辅助的纤维层制造工艺，该新工艺具有强大的技术优势，因此制造成本相对昂贵。基于这种多轴热塑性塑料半成品的新制造工艺，实现了连续生产的第一款轻量化部件就是制动踏板。

图2 三种不同的层压结构，右图中显示的结构是两个单向纤维取向的顶层与底层，外加四个±45°取向的内纤维层，该结构最能满足高拉伸、弯 曲、和抗扭强度的要求，是制动踏板的最优化层压结构。

朗盛公司的HiAnt客户服务，为制动踏板的设计与构造方案提供多种不同的支持帮助。举个例子，基于制动踏板指定的安装空间和负载方向来进行拓扑定制，然后就可以对组件的几何图形与肋材模式的初步方案进行模拟计算。在这个基础之上，Boge公司开发了踏板的整体设计。另外，材料制造商还可以预先利用数学分析法，来确定半成品的连续纤维层结构的可行性，并且通过逐步优化纤维层结构，来满足踏板的最大断裂载荷与抗弯强度的要求。采用这种分析方法可以发现，当同时加载了拉伸、弯曲和扭转应力的混合负载时，仅仅只有0°和90°纤维层排布方向的层压结构很快就会达到其承压的极限，且需要较大的厚度配合。但如果采用“混合”多轴层压结构的话，部件的机械性能就可以得到提升，这里的“混合”结构指的是纤维层排布方向不仅仅是0°和90°，还有+45°和-45°的纤维层取向（图2）。

更加快速的模拟过程

通过悬垂仿真可以确定层压结构中每一层连续纤维相对镶块的确切位置，了解纤维取向是至关重要的，因为只有基于这一点，才能通过结构分析来准确计算出连续纤维增强部件的机械性能，并针对特定的负载情况进行定制化的组件设计。为此，朗盛公司利用Abaqus与Hyperform程序开发了一款简化的基于有限元素的仿真工具，该全新的仿真工具在此次的设计中被第一次使用。尽管这款简化的仿真工具没有涵盖所有的成型工艺过程，比如镶块的热处理就没有纳入仿真过程，但是该简化版的模拟已经完全足够，可以测试出不同层压结构在最终成型后的机械性能。采用这种模拟仿真找到最佳的复合物结构后，接下来就可以进行完整的成型过程模拟分析，该模拟则是一项非常耗时又耗力的工作。

图3 通过快速悬垂仿真创建的镶块胚料几何形状，与最终确定的胚料几何形状。

因为简化版的计算软件主要提供关于纤维位置与角度的信息，所以相比完整的悬垂仿真来说，这个模拟仿真过程要快得多，可以帮助大大缩短部件的研发时间。该简化模拟仿真工具的应用非常广，可以应用于所有类型的织物和织物层，也适用于不同几何结构的部件。仿真工具可以表现出成型过程中诸如纤维裂缝或褶皱问题的初步征兆，另外，采用这种方法可以非常快速地确定出合适的镶块胚料的几何形状（图3）。

有机片材的两步法工艺

根据所施加载荷与特定悬垂过程量身制定镶块几何形状，加上适合的纤维层取向，光是这两点还无法保证整个生产过程的可靠性与成本效益。一些边缘设计细节和成型半径大小同样会对生产过程起到至关重要的影响，这些细节包括局部的纤维体积含量、是否容易脱模、空腔容量、熔体浇注以及可能发生的模具沉积等。

众所周知，有两种不同的有机片材的处理工艺，分别是一步处理与两步处理工艺（图4），无论采用何种方法，第一步都是先将有机片材加热至成型所需的温度，再将加热后的有机片送入成型模具中，通过闭合模具使得有机片成型。与两步处理过程不同的是，一步处理方法（图4上半部分）中的有机片材不会完全填满成型模具的腔体，而是会留有一部分区域，在模具闭合后迅速填充短纤维增强熔体。尽管两步处理过程需要用到两个模具，而且工艺链相对要长得多，但是该工艺过程对制动踏板的生产来说是绝对有利的，其主要原因是该踏板部件对于表面质量与边缘设计的特定要求。

图5显示了两种不同处理工艺所获得的表面质量的差异，从图中可以看出，通过一步处理法获得的材质，纤维束之间呈现低基材填充的状态，这是由于在重新固化过程中低基材压力所造成的。在一步法的处理工艺过程中，有机片材的成型模具型芯已经加入了肋材部分，当有机片被压缩到最终的部件壁厚时，聚合物基材并没有完全被包覆在织物中，而是沿着最小的流动阻力路径去到连通的肋材部分，最终表面成型所必需的基材压力并没有达到或保持，这也导致了肋材区域正向流的形成，从而造成纤维层在整个肋材宽度上的变形。

兼具质量与成本效益

为了将一步法潜在的成本效益与两步法卓越的部件质量相结合，Boge公司将这两种工艺进行组合，并开发出了一种新的工艺。在新的工艺方法中，每个模具都有两个腔体，这借鉴了两步法中两个单独腔体的用法，不同的是，新工艺将原先两个单独的腔体做进了一个模具，这样一来就可以像一步法中实现的那样，在每次模具闭合实施压紧动作后都能够生产制造出一个已经安装有肋材的部件。该新工艺的出发点其实是两步法，但是重新调整安排了工艺步骤。这种组合方法中有一个很关键的因素，那就是在成型腔体中最终成型的有机片材的边缘设计，如果成型的有机片材不需要后续的边缘修剪处理，那就可以在其仍然很烫的时候从成型腔体转移入注塑腔体用于进一步的处理。

图5 不同工艺的选择对部件表面的影响。

图6的模具示意图描述了新的组合过程，模具的左半部分显示，塑化有机片材被送入成型腔体中，在模具闭合动作期间，有机片材被制成U型的形状，并被压缩成最终的壁厚，在完全封闭的腔体内达到基材压力，随后U型体冷却至模具温度并固化。在这种情况下，成型腔体的温度尤为重要，因为该温度不仅影响有机片的成型，而且也决定了脱模后连续纤维片的温度，该纤维片的表面会在之后的注塑成型步骤中与熔体相撞击。

图6 经特殊开发的有机片材工艺步骤示意图。

在模具打开期间，U型体自动脱模并移入相邻的腔体中，与此同时，下一个经加热的有机片材被送入成型腔体。当模具再次闭合，短纤维增强热塑性熔体与U型体碰撞并且牢固地粘结在一起，这个时候又一个连续纤维体在相邻的那个成型腔体中成型。模具下一次打开时，又一个经加热的有机片材被送入成型腔体，而刚刚成型的连续纤维体被转移入第二个腔体中，在这个腔体中刚刚制造出的最终部件则已经被预先取出。由于新工艺流程的巧妙安排，两步处理法中给成型镶块中间加热的这个步骤就可以取消了，从而缩短了工艺链，并且整个工艺流程都是完全自动化的。

生产过程中的光学监控

Tepex dynalite材料已经越来越多地应用于汽车的轻量化设计中，许多量产车型中的部件已经采用了这种材料，比如说座椅靠背、电池外壳、汽车前端、信息娱乐系统支架，以及车身底部的防划条和通道罩等等部件。为了满足汽车行业对于高品质的要求，Bond-Laminates公司在其位于德国Brilon的工厂安装了一套质量控制系统，这套系统是用光学方式对用于汽车制造的镶块生产进行监控。对于几何形状和纤维角度的偏差，或者是纤维波纹的过大，这些缺陷都能够被系统检测出。作为质量控制措施的一部分，系统还会进行边界样品的测试。聚酰胺镶块采用全自动工艺链的组合流程，可以重复制造出高质量的制动踏板。镶块的材料特性是恒定的，加上生产过程的持续监控，因此，部件就不需要再考虑额外的安全因素了。

总结与展望

这款制动踏板属于汽车制造行业中的一个参考应用，其说明了基于连续纤维增强复合半成品的混合设计，特别是超轻量化的安全部件的设计，是可以在大规模量产中实施的。为这些部件专门开发的全自动组合工艺将热塑性复合半成品的轻量化结构潜力与设计自由度相结合，并且通过注塑成型工艺开辟了功能整合的广泛应用范围。

Boge和朗盛公司还在继续其研发工作，采用这种新工艺流程制造其它的轻量型承载部件，他们主要专注的应用领域有踏板轴承座、安全气囊外壳、发动机油底壳，变速系统的应用，以及底盘、传动系统和发动机舱的一些结构部件。超轻量化设计还为电动汽车的先进塑料部件提供了巨大的应用潜力。