【行业新闻】三菱化学超短碳纤维增强热塑性复材取代钢材应用于吉普（Jeep）车顶支架

第一个应用于车身的耐候性，彩色模制（MIC）碳纤维增强
热塑性塑料（CFRTP）大尺寸结构，首次亮相于Jeep车顶接收器（支架）

设计成果

1.与压铸钢相比，其机械性能相当，质量降低79%，成本降低38%。

2.符合美学要求，同时改善耐候性、彩色模压配方中的划痕和损伤，无需打磨和粉末涂层。

3.从海外金属部件转换为复合材料部件，缩短了供应链，并减少了制造和使用寿命的碳足迹。

KyronMax™材料最初是为航空航天应用而开发的，后来扩展到高性能体育用品领域，其高温热塑性基体是一个优势，可以在复杂的几何形状中实现高纤维渗透的能力。它对于满足低重量的苛刻力学要求至关重要，毫无疑问，这些材料在汽车领域越来越受欢迎，因为注塑成型工艺非常适合满足该行业的高产量、高可重复性和再现性要求以及极具竞争力的成本目标。

KyronMAX™碳纤维复合材料车顶接收器的开发始于一次会议，会上讨论了三菱化学公司的哪些材料可能对当时的菲亚特克莱斯勒汽车公司（FCA，现为Stellantis）创新有用。经过对KyronMax™产品线的讨论，确定了具有不同基体和纤维重量分数（FWF）的几种产品。

Jeep车顶接收器最初由铸钢生产，因为这些部件是结构部件，尺寸适中，但几何形状复杂。此外，考虑到它们位于车顶顶部，如果能够实现显著的重量减轻，那么将有助于降低车辆的重心，并将改善用于在崎岖地形下越野的车辆的操控性和稳定性。另一个考虑因素是，钢制接收器是由一家海外供应商生产的。

在结构件设计时，正如最初为2018-2021Jeep牧马人和角斗士车型设计的那样，有三种类型的钢制接收器，尺寸大致相同，但几何形状不同，每种接收器都有左侧和右侧版本：有两个外板和两个内板，都安装在前车顶交叉构件上，对于Jeep Freedom Panel硬顶，用板材成型复合材料(SMC)成型，两个额外的后接收器安装在后车顶交叉构件上。

带有软顶的车辆仅使用前外置接收器，而SMC Freedom Panel硬顶则使用所有六个接收器。钢制零件进行了粉末涂层，具有耐腐蚀、防紫外线和美观性。在使用中，支架永久安装在车辆上，面板可以通过启动释放手柄来拆卸。

Jeep工程团队确定了每种类型的接收器在使用中的一系列关键载荷：外侧的X、Y和Z载荷，内侧和后部的Z载荷，以及内侧和外侧的非对称载荷。为了通过CPN（克莱斯勒零件号）的验证测试，碳纤维热塑性复合材料接收器需要通过与钢制接收器相同的测试，包括在湿/热和干/冷操作条件下的加速风化，评估噪音/振动/粗糙度（NVH）的振动台测试，颜色匹配，接收器必须表现出优异的尺寸稳定性/零弯曲蠕变，以确保良好的屋面板密封。此外，不允许更改包装或装配线；复合材料接收器必须在相同的封装空间中提供类似钢的性能，并且以相同的方式组装到车辆上。

另一个要求是复合接收器需要在视觉上与基准钢组件相匹配，以确保它们向后兼容服务/售后更换。因此，候选材料需要满足苛刻的机械要求，重量轻，提供a级耐候性表面，并满足OEM的成本目标。

其次，复合材料接收器需要在视觉上与基准钢构件相匹配，以确保它们在维修/售后更换时向后兼容。因此，候选材料需要通过苛刻的机械要求，重量轻，提供A级耐候表面，并满足OEM的成本目标。

由Jeep、三菱化学和工具制造商Maple Mold Technologies组成的合作团队开始研究碳纤维复合材料接收器的潜在设计。从针对各种接收器的五套初始设计中，选择两套进行了原型设计和测试，包括Maple Mold生产的四套原型工具。外侧原型工具使多种设计能够被注入测试。比较保守的两种舷外设计在复合材料中有金属插入，而另一种没有。接收器设计进行了轻微修改，以提供防卡箍/防错功能，因此在装配线上不会出现左侧和右侧的装配错误。

对于每个基体，评估了许多FWF和纤维类型和长度选项，包括USCF、短玻璃、长玻璃和长碳纤维。在两套设计中，几种不同的聚合物/纤维选择从虚拟原型发展到物理原型。最后两种复合材料/设计组合在启动前四个月进入车辆验证测试阶段。

在材料选择中，对实验设计进行了重要的考虑。最初共评估了26种金属和复合材料选项，其中超过15种是高温聚酰胺（PA）材料，其他则是聚邻苯二甲酰胺（PPA）或PA9T。这两个系列都具有高耐热性、耐化学品性、防潮性和耐磨性，同时具有优异的尺寸稳定性和成型性。

对于每种基体，评估了不同纤维重量体积分数、纤维类型和长度等参数，包括USCF、短玻璃纤维、长玻璃纤维和长碳纤维。在这两组设计中，几种不同的聚合物/纤维选项从虚拟原型发展到了物理原型，最后两种复合材料/设计组合在启动前四个月进入车辆验证测试。

经过评估显示：综合物理测试性能最好的复合材料配方是KyronMax S-4330，这是专门为该应用开发的新等级产品。该化合物为30%USCF/PPA。有趣的是，全复合材料车顶接收器的机械性能实际上优于采用金属嵌套的版本。此外，30%的USCF/PPA在关键指标上也优于50%的短玻璃纤维和40%的长碳纤维PPA。与短纤维或长纤维热塑性塑料相比，KyronMax化合物据说像纯树脂一样成型，并提供各向同性性能（像金属一样）。

尽管注射成型工艺很严格，但据说纤维长度得到了保留，不会进一步减少。生产工具上带有直接阀门浇口的热流道可最大限度地减少浇口痕迹。此外，USCF化合物以较低的残余/内应力离开模具，从而提供更好的编织线/焊接线强度，减少翘曲，从而获得更高的尺寸精度和更好的美观性。

最终，注射成型复合材料提供了性能与金属相当的零件，但质量降低了79%（六接收器/硬顶版本），成本也下降了38%，同时满足或超过了Stellantis对负载偏转、扭矩和白车身扭矩保持的所有性能要求，确保了封闭密封的完整性。此外，通过耐候性的彩色模具(MIC)配方，可以改善划痕和划痕，该配方与基准钢材美学相匹配，并在客户可见的表面上进行了选择性纹理处理。取消了抛光和粉末涂层等精加工步骤。 最后三种类型的复合屋顶接收器以及粒状超短CFRTP注塑材料

从海外生产的金属零件转向陆上生产的复合材料零件缩短了供应链，降低了长距离运输相对较重零件的能源需求。因此，与钢部件相比，复合材料接收器的制造有利于支持可持续发展目标。该应用被认为是第一个大尺寸结构CFRTP MIC和耐候车身应用。