寶馬合作伙伴西格里復(fù)合材料公司（SGL Composites）已經(jīng)開始為2014款寶馬i3和i8車型制造零部件。國際汽車工程雜志（AEI）參觀了這家走在行業(yè)前列的美國碳纖維工廠，見證了在車輛輕量化方面可能會(huì)對鋁合金造成巨大挑戰(zhàn)的創(chuàng)新材料的生產(chǎn)。

寶馬公司在2008年發(fā)布了其新開發(fā)的電動(dòng)汽車家族之后不久，這家汽車制造商再次嘗試了一次新的冒險(xiǎn)，有望使其在未來電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力車領(lǐng)域獲得飛躍性的突破。

為了抵消鋰離子電池組帶來的重量負(fù)擔(dān)，公司決定車型的整個(gè)乘客艙結(jié)構(gòu)用更加堅(jiān)固、輕質(zhì)、耐腐蝕的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成型。碳纖維乘客艙單元——密度只有鋁的一半，比鋼鐵輕50%——將與大量采用鋁合金材料的底盤相匹配，而車身外部面板將使用熱塑性塑料。

2014款寶馬i3電動(dòng)汽車將于今年晚些時(shí)候?qū)⑼度肷a(chǎn)，總的目標(biāo)是將其重量減輕200kg（440lb），來抵消電池重量。2014款i8車型——插電式混合動(dòng)力跑車也將獲得相同的減重效果。一般來說，一輛車重量減輕100kg（220lb），二氧化碳排放量平均來看最高可降低10g/km。而這些車型（寶馬所謂Project i子品牌的首批車型）在乘客防護(hù)方面的性能都將受益于碳纖維優(yōu)越的彈性模量及其拉伸強(qiáng)度——這兩個(gè)參數(shù)都超過硼鋼。

寶馬公司利用自己的供應(yīng)鏈，創(chuàng)造了一個(gè)大膽的、接近垂直整合的產(chǎn)品開發(fā)和加工戰(zhàn)略，希望減少碳纖維材料和部件成本，提高每個(gè)部件的生產(chǎn)效率，建立其在碳纖維方面的知識產(chǎn)權(quán)。

寶馬公司為此押寶于這種一直被認(rèn)為高成本（30美金/磅）、小批量生產(chǎn)且眾所周知的主要用于賽車車身、高爾夫球桿和飛機(jī)行業(yè)的新型材料上，并與歐洲領(lǐng)先復(fù)合材料供應(yīng)商西格里集團(tuán)共同成立了一家合資企業(yè)——西格里汽車碳纖維公司，負(fù)責(zé)碳纖維材料的開發(fā)和制造。合資公司的工廠位于華盛頓州的摩西湖市，西雅圖以東約190mi（306km），廠房面積10,250m2，寶馬為此投入了1億美元，彰顯了這家汽車制造商對進(jìn)入未來輕量化車身結(jié)構(gòu)市場的決心。

“我們的目標(biāo)是希望接近鋁合金材料的成本，目前我們還沒做到。”西格里汽車公司總經(jīng)理Joerg Pohlman博士解釋道。“但是我們預(yù)見在未來幾年內(nèi)會(huì)有這么一天，在整個(gè)車身結(jié)構(gòu)方面可以接近鋁合金的成本。” 123456



雄心勃勃的增長計(jì)劃

2011年開業(yè)的位于摩西湖市的西格里公司是寶馬公司第一批在整個(gè)車身結(jié)構(gòu)方面都采用碳纖維材料的量產(chǎn)車型（i3）成功的關(guān)鍵，而且要采用可持續(xù)、可靠且成本效率高的加工工藝。選擇這個(gè)偏遠(yuǎn)的地區(qū)是因?yàn)槿A盛頓州東部的干燥氣候（太高的濕度不利于碳纖維生產(chǎn)），當(dāng)然也是因?yàn)檫@個(gè)州在哥倫比亞河上建立的水電大壩可以提供的充足且相對廉價(jià)的“綠色”電能。



對于摩西湖的西格里公司，電力來源為40英里（64公里）外的瓦納龐大壩。“我們每千瓦小時(shí)支付約3美分[約為美國平均電價(jià)的三分之一]，在德國的瓦克斯多夫工廠都需要9美分。”Pohlman博士透露。 123456

碳纖維生產(chǎn)需要消耗大量的電能，這也是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高成本的原因之一，而傳統(tǒng)耗時(shí)的熱壓罐式生產(chǎn)工藝也是這家汽車制造商急切想摒棄的。摩西湖市的工廠有兩條183m長的生產(chǎn)線，產(chǎn)線上的多重電加熱氧化和碳化爐用于將聚丙烯腈聚合物原料的絲束，也稱為原絲，轉(zhuǎn)換成鍵合在一起的碳原子晶體。

晶體在高溫、氮封環(huán)境下的平行排列使纖維具有優(yōu)異的強(qiáng)度體積比。幾千個(gè)直徑為7μm的碳纖維被拉伸、清洗、纏繞、干燥、用環(huán)氧樹脂涂覆并紡成像紗線一樣的“長絲絲束”，纏繞在線軸上。材料會(huì)用一個(gè)“Ｋ”號碼標(biāo)記，即所包含的長絲（股線）數(shù)量；例如寶馬最多使用的50K長絲絲束就有50,000根長絲。

重9kg（20lb）帶有黑色光澤的線軸被運(yùn)往寶馬位于德國的瓦克斯多夫（Wackersdorf）工廠。工廠使用專利無皺褶紡織工藝將長絲絲束轉(zhuǎn)化成碳纖維織物，這正是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的基礎(chǔ)。所用樹脂配方也由寶馬公司制定。

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摩西湖市和瓦克斯多夫的工廠是寶馬垂直整合的碳纖維部件生產(chǎn)鏈上的第二和第三環(huán)。生產(chǎn)鏈最初開始于另一家西格里的合資企業(yè)——位于日本大竹的三菱麗陽工廠，它生產(chǎn)摩西湖工廠所用的聚丙烯腈原絲。碳纖維氈在離開瓦克斯多夫工廠后，被送往寶馬在德國蘭茨胡特（Landshut）的工廠，這家工廠多年來專注于各種預(yù)成型、沖壓及樹脂轉(zhuǎn)移成型的碳纖維部件的生產(chǎn)，包括M3和M5的大型車頂板。寶馬公司預(yù)期今年將為其M系列車型生產(chǎn)超過100萬件的碳纖維部件。

截止2012年末在i3樣車中單個(gè)部件的最快生產(chǎn)周期“少于10分鐘――但還沒達(dá)到9分鐘”，Pohlman博士謹(jǐn)慎地說。最終車身是在萊比錫（Leipzig）組裝的。

“一旦兩條生產(chǎn)線［摩西湖］在2013年中旬準(zhǔn)備就緒，我們一年將生產(chǎn)約3000公噸的碳纖維——大約占全球總生產(chǎn)量的8％。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1500噸一條的產(chǎn)線是相當(dāng)大的。目前我們還有空間可在現(xiàn)在的場地上再增加４條生產(chǎn)線，我們也可以再多購買60英畝土地。”Pohlman博士說道。

他指出除了“i系列”電動(dòng)汽車外，寶馬公司還將在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車中增加碳纖維的使用，公司也可能向其他汽車制造商銷售碳纖維。

《國際汽車工程》記者在拜訪時(shí)發(fā)現(xiàn)工廠幾乎處于“無人”的運(yùn)營狀態(tài)，很難發(fā)現(xiàn)有80名雇員的跡象——不過隨著寶馬i系列的產(chǎn)能提升，員工人數(shù)將有所增加。目前工廠為4班12小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，28天為一輪換周期。

汽車研究中心（Center for Automotive Research）總裁兼CEO及制造方面的專家Jay Baron博士認(rèn)為碳纖維每磅12美元或者更高的市場價(jià)格，與大約2.5美元／磅的鋁和1美元／磅的普通高強(qiáng)度鋼鐵相比，“就購買性而言高得離譜”。他承認(rèn)這種材料有很多優(yōu)勢，但同時(shí)仍然對其中短期前景持懷疑態(tài)度。

“采用先進(jìn)的復(fù)合材料可以把許多獨(dú)立組裝的金屬部件融合在一起。”Baron博士解釋說。“你可以在需要的地方增加強(qiáng)度，而在不需要的地方減少材料使用而減輕重量。如果實(shí)現(xiàn)了部件的整合，工廠可以小得多。你可以扔掉至少四分之三的點(diǎn)焊機(jī)，但卻要增加粘合劑技術(shù)相關(guān)的設(shè)備，而這也不是小的投入。” 123,123

他還說，就車身和油漆車間而言，設(shè)計(jì)一個(gè)碳纖維車身結(jié)構(gòu)（i3車型包括35個(gè)部件）的組裝廠需要從零開始。在寶馬看來，通過不斷發(fā)展和改進(jìn)，以及碳纖維生產(chǎn)的進(jìn)一步自動(dòng)化，這種黑色材料將最終對鋁合金形成挑戰(zhàn)。

使用碳纖維也帶來了其他一些不太明顯的改變。寶馬公司加大碳纖維復(fù)合材料的使用也使其加入了巴伐利亞的紡織制造商貿(mào)易集團(tuán)。Pohlman博士指出，這一加盟使得寶馬公司的碳纖維生產(chǎn)基地可以利用紡織行業(yè)較低的工資水平，并加入與主導(dǎo)德國汽車制造商的德國金屬工業(yè)工會(huì)（I.G. Metall union）完全不同的另一個(gè)工會(huì)。

OEM競相成為碳纖維先鋒

汽車行業(yè)對將碳纖維部件制造推向大批量生產(chǎn)的興趣正不斷提高。其他汽車制造商也逐漸加入與寶馬競爭的隊(duì)列中，通過戰(zhàn)略合作關(guān)系來推動(dòng)碳纖維技術(shù)的發(fā)展、降低成本、并提高產(chǎn)量。

日本碳纖維巨頭東麗與豐田、富士重工和戴姆勒公司達(dá)成合作。而其主要的日本競爭對手帝人株式會(huì)社也與通用汽車成立了合資企業(yè)。福特和陶氏是碳纖維方面的盟友，奧迪的合作者則是西格里集團(tuán)的第三大股東福伊特。去年大眾汽車也入股西格里。甚至蘭博基尼也和Quantum復(fù)合材料公司及卡拉威高爾夫公司（Callaway Golf）之間簽訂了一個(gè)三方協(xié)議。

通用汽車和普拉森碳復(fù)合材料公司（Plasan）也在進(jìn)行其2014款雪佛蘭Corvette C7計(jì)劃，將每輛車的碳纖維車身部件含量提高到30,000-40,000單位體積的水平，這是一個(gè)重大飛躍。而去年豐田公司出人意料地與寶馬公司聯(lián)手，共享車輛輕量化技術(shù)信息，目前具體合作的項(xiàng)目依然處于保密狀態(tài)中。

2013年寶馬斥巨資投資于碳纖維批量生產(chǎn)的決定差點(diǎn)因?yàn)槿蚪?jīng)濟(jì)衰退而被邊緣化。

“那段時(shí)期說服董事會(huì)投入碳纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件是很難的。”Pohlman博士回憶道，他在西格里公司任職前為寶馬華盛頓特區(qū)辦公室的管理人員。“但是他們也承認(rèn)我們必須采取大膽果斷的行動(dòng)，因?yàn)槲覀冞M(jìn)入混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)算是晚的了。我們此前的心態(tài)一直是，‘我們有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)’。” 123456

所以公司開始尋找復(fù)合材料伙伴，能跟上ｉ項(xiàng)目快速發(fā)展的步伐。這讓寶馬最終選擇了西格里公司——歐洲最大的碳纖維供應(yīng)商。

寶馬的領(lǐng)先地位

寶馬的工程師已經(jīng)為制造汽車零件所需要的碳纖維建立了一個(gè)產(chǎn)品“目錄”——每種碳纖維產(chǎn)品根據(jù)部件不同的應(yīng)用會(huì)記錄不同的鋪層、纖維的方向和單位面積的重量等。據(jù)Pohlman博士介紹，目錄的內(nèi)容正在逐漸增加中。當(dāng)問及目前的纖維規(guī)格時(shí)，他說在華盛頓生產(chǎn)的碳纖維密度為1.78 g/cm3。1250°C下的拉伸強(qiáng)度為4000MPa（500 ksi），彈性模量為420GPa（60,915 ksi)）。

可回收性是ｉ項(xiàng)目的一個(gè)重要元素。寶馬開發(fā)了創(chuàng)新設(shè)備來幫助完成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加工后的回收。

“這一加工過程還生成了一種“抓絨”，它具有原材料30％－40％的工程特性，我們正在想辦法加以利用，”Pohlman博士提到。寶馬公司去年晚些時(shí)候宣布與波音公司合作，波音每年要使用成千上萬噸的基于回收技術(shù)的碳纖維。

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寶馬的競爭對手“正等著我們出錯(cuò)，就像波音公司最早的787項(xiàng)目一樣。”Pohlman博士認(rèn)為。但是他相信公司在技術(shù)方面領(lǐng)先于競爭對手三年的時(shí)間，“（他們需要至少三年）才能走到我們今天的位置，零部件產(chǎn)量才可以達(dá)到我們所計(jì)劃的數(shù)量。”

例如，與寶馬現(xiàn)在M3車頂使用的碳纖維相比，i系列車型上用到的新材料制造費(fèi)用只有其三分之一。“這是一個(gè)重大進(jìn)步，”Pohlman博士說。“i3項(xiàng)目的目標(biāo)是賺錢——而不只是通過3系來補(bǔ)貼。”