碳纖維助力汽車輕量化 首款復(fù)合材料3d打印機誕生

玻璃鋼大俠

    沃爾沃曾經(jīng)開發(fā)出一種新設(shè)計，通過把超級電容器裝進碳纖維板中，讓車身變成電池，從而大幅減重。與此同時，寶馬全新一代7系、5系等車型也都將大量采用碳纖維材料。另外，全球首款支持碳纖維復(fù)合材料的3D打印機誕生，這款打印機將從3月份開始接受預(yù)訂，價格為5000美元（約合人民幣3萬元）。同時助力3D打印和智能汽車，碳纖維的市場需求將進一步提升。在A股方面，金發(fā)科技、中鋼吉炭、深圳惠程、博云新材等碳纖維概念股近期股價異動，對相關(guān)信息已經(jīng)開始作出積極反應(yīng)。
沃爾沃已成功研發(fā)出能儲存電能的碳纖維材料。這種蓄電材料是由多層的碳纖維以及樹脂聚合物構(gòu)成，每一夾層中又有納米結(jié)構(gòu)的電池以及電容。用超級電容器板替代發(fā)動機蓋和扭力桿的組合，這樣沃爾沃的工程師就能夠替換掉為車載電子供電的12伏電池，同時把重量減半。
這種材料能夠取代傳統(tǒng)車輛的金屬車體，從車門、車頂?shù)揭嫔w等都可以。沃爾沃預(yù)計全車鈑金能夠儲存的電能足以讓電動車有大約112km的行駛距離。這種新型的電池材質(zhì)能夠靠剎車動能回收系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的插電方式來充電。沃爾沃宣稱這種新材料充電的速度以及能夠儲蓄的動能都將會超越目前所有的鋰電池，并且由于這種蓄電材質(zhì)在充放電能時沒有化學(xué)作用，因此也不會有普通電池蓄電能力下降的問題。
將這一概念再推進一步，沃爾沃用這款超級電容器/碳纖維板重造了一個車蓋，就是把它變成了一塊電池，可以用動能回收系統(tǒng)或標準插頭充電。沃爾沃估計，車門、行李箱、車頂?shù)炔考寄苡眠@種新材料來替代，這樣整體重量能夠降低15%。
沃爾沃已經(jīng)基于S80打造出一臺采用新蓄電材料的原型車。該車在車身的發(fā)動機蓋以及后尾箱蓋都使用了這種新的碳纖維電池材質(zhì)。這樣跟傳統(tǒng)電動車相比還減輕了蓄電池的重量，并且碳纖維也擁有更好的車身剛性。
此外，寶馬汽車也大量采用碳纖維材質(zhì)。據(jù)悉，全新寶馬7系將大量使用碳纖維材料，包括底盤等部件，新款寶馬7系比老款減重460斤。而根據(jù)換代周期，全新一代寶馬5系有望在2016年推出，屆時新車將采用更加輕量化的材料以大幅減重。新車入門級車型將新增一款1.5T柴油三缸引擎，同時還將采用大量的碳纖維材料，使車身重量將大幅降低。業(yè)內(nèi)人士指出，汽車輕量化材料對寶馬汽車公司的重要性正在日益增長，下一個在汽車輕量化中扮演重要角色的材料將是碳質(zhì)纖維。
目前，日本東麗、豐田和東京大學(xué)等已經(jīng)在聯(lián)手開發(fā)全面采用重量輕、強度高的碳纖維的汽車，推進加工技術(shù)等的研究，到2010年代后半期，將能夠提供用于量產(chǎn)車的零部件。最早到2020年，重量減輕6成、安全性更高的汽車將投入實際應(yīng)用。
碳纖維的重量只有鐵的四分之一，而強度則是其十倍。如果用于汽車，有望將燃效提高4成以上。目前在普通汽車上采用碳纖維的趨勢已經(jīng)出現(xiàn)，例如美國通用汽車正力爭將碳纖維用于量產(chǎn)車。而據(jù)東麗經(jīng)營研究所統(tǒng)計，碳纖維的全球市場在2011年約為4萬噸，其中用于汽車的碳纖維為2000噸左右。而這一數(shù)字自2015年左右起將不斷擴大，到2020年代將達到數(shù)萬噸。
盡管3D打印機已經(jīng)有了十幾年的技術(shù)發(fā)展，但大家對桌面產(chǎn)品的印象還停留在打印一個玩具、模型的層面上。由于PLA/ABS的材質(zhì)類似塑料，因此這種材料打印出來的東西塑料感濃厚。不過，有著多年賽車部件設(shè)計和加工經(jīng)歷的Greg Mark帶領(lǐng)他的團隊，近日研制出一款使用碳纖維做打印耗材的桌面3D打印機，它不再像過去的桌面3D打印機打印模型，這款機型可以直接打印部件和工具。
Greg Mark的團隊研制的3D打印機名為Mark One，使用碳纖維作為耗材，是全球首款能打印復(fù)合材料的桌面3D打印機。花費5000美元（約合人民幣3萬元），用戶就可以用碳纖維以1比1比例打印香蕉模型。Gregory Mark團隊采用了3D打印的理念，將其作為一種生產(chǎn)復(fù)合元件的制造流程，但改變了形式和功能。
據(jù)了解，Mark One不僅能使用類似碳纖維的復(fù)合材料來打印，還能使用玻璃纖維、尼龍和聚乳酸等材料。當然，每次只能使用一種材料。這款打印機也引入了一些先進技術(shù)，例如在每次打印前就位的自流平印床。
根據(jù)已經(jīng)發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，Mark One 3D打印機整機仍然定位在桌面級產(chǎn)品，長寬高分別為575x322x360mm，成型尺寸為305x160x160mm。其特點在于，一是可使用碳纖維作為打印材料，二是使用復(fù)合材料，直接制作高強度的部件和工具。該機型采用雙擠出頭，可兼容碳纖維、玻璃纖維、尼龍和PLA耗材；制作實際部件時能夠選擇合適的材料，兼顧強度和成本。
目前，Mark One 3D打印機已經(jīng)制作出7mm x 3mm x 100mm的碳纖維部件。未來，Greg Mark和他的團隊有望將3D技術(shù)直接運用于賽車部件制作，Mark One 3D打印機正是他們的第一步嘗試。該機型定價4999美金（約合人民幣3萬元），將從3月份開始接受預(yù)訂，將在2014年下半年送到用戶手中。
眾所周知，碳纖維聚合物具有高強度、高剛度、質(zhì)量輕的特點，Greg Mark的團隊過去正是使用碳纖維材料為賽車設(shè)計和制作尾翼支撐結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，他們把碳纖維材料與3D打印結(jié)合起來，有可能為桌面3D打印應(yīng)用帶來新的機遇。