简介
由于环境和经济的原因，未来汽车工业的主要方向是降低燃料消耗和二氧化碳排放。在今天生产的大多数装有内燃机的汽车上，车身重量占比很大，这对汽车的其他部件的重量有很大的影响。因此，减轻车身重量对于减少破坏气候的二氧化碳排放量非常重要。标准复合材料在重量和机械性能方面非常有利，但由于需要人工加工，成本非常高。一个可行的大规模自动化生产高刚度和重量轻的车身结构的方法是将高强度钢合金和碳纤维预浸料组合在一种混合材料——纤维-金属层压板（FML）中，可以通过深冲等成形技术进一步加工。FML由两个带碳纤维芯的金属板顶层组成。与标准复合材料的成形相比，这种层状结构的成形过程可以简化。碳纤维补片在顶层内成腔，不与刀具表面接触。纤维-金属层合板的成形比标准复合材料的成形具有显著的成本效益。在帕德伯恩大学成形与加工技术（LUF）主席进行的当前研究中，正在开发用于在纤维金属层压板中生产高强度汽车结构部件的制造工艺。
介绍
在化石原材料日益稀缺和燃料价格不断上涨的背景下，轻量化设计越来越多地进入汽车行业。未来几代汽车发展的关键目标之一是降低油耗，同时减少污染物和二氧化碳排放。车辆重量的减少会导致有效载荷与自重的比率更大，此外，还可以更好地满足加速和驾驶动力学等功能。较低的质量导致较低的加速度、上升和滚动阻力。总的来说，这会降低能源消耗和二氧化碳排放。在汽车中，每行驶100公里可节省0.3-0.5升燃油，每行驶100公里可减少8.5-14克二氧化碳。
车身重量占汽车总重量的20%，具有很大的减轻重量的潜力。一种常见的方法是用较轻的、低密度的高强度材料（如碳纤维）代替高密度材料（如钢）。使用复合材料可以实现显著的重量优势。然而，高昂的材料成本和采用手工制造工艺的必要性限制了复合材料在高价汽车领域的应用。一种很有前途的方法是多材料设计中的结构部件，例如高强度钢与局部碳纤维加固的混合部件。与纯碳纤维构件相比，这种混合构件具有成本优势，并且可以以适应荷载的方式进行加固。然而，钢和碳纤维增强塑料的不同物理和机械性能要求每个零件单独生产然后再进行粘合。这将导致长而复杂的工艺链和相对较长的工艺时间，这是由传统结构胶粘剂的固化时间决定的。一种经济、自动化、大批量生产高刚度重量比轻量化结构的替代方法是将高强度钢合金和碳纤维预浸料结合在特殊的混杂材料-纤维-金属层压板（FML）中，可以通过深冲等成形工艺进一步加工。FML由带碳纤维芯的金属板顶层组成。碳纤维补片是在金属板层内的腔室，不与刀具表面直接接触。与复合材料成形相比，简化了成形工艺，缩短了工艺链，经济性显著提高。金属纤维层合板还具有一个特殊的优点，即可以通过碳纤维层的数量和层内各个补片的纤维方向来调整所生产部件的机械性能。由于金属和碳纤维材料性能的差异，用FML直接替代钣金件是不可能的。因此，必须研究适当的材料和工艺设计。目前LUF正在进行的研究工作的重点是开发一种适当的工艺和材料设计，用于制造机械性能增强、形状和尺寸精度高的FML结构零件。与复合材料相比，金属具有近似各向同性的力学性能，并通过弹塑性流动变形。金属的塑性成形行为通常取决于应力速率、加载速度和温度。碳纤维等复合材料由纤维和基体材料组成，具有高度的各向异性和发散性。就纤维本身而言，纤维方向上的力学性能与横向纤维方向上的力学性能相差很大。热固性基体材料必须用粘性树脂固化，直到达到最终强度。固化过程取决于时间、温度和主要压力。汽车车身零件通常具有复杂的几何结构，其拉深深度不稳定，是通过拉深等成形工艺制造的。在成形过程中，在主成形区即法兰处产生压力-张力和张力-张力的复合应力。在拉深过程中产生的切向压力应力导致法兰起皱。为了防止起皱，工具元件（如压边圈）在法兰表面产生法向应力。当压边力FBH超过一定值时，发生的拉力导致材料变薄，从而导致底部撕裂和裂纹。使用不适用的刚性工具对FML板进行深冲会导致几个典型的缺陷：只要基体材料未固化，正常力施加的压力应力（例如）会导致FML板内出现静水条件，迫使树脂流入相邻区域。因此，FML的形状和尺寸精度部分受到负面影响。特别是在工件半径区域，由于接触压力高，壁厚分布不均匀。对于碳纤维片材的成形行为，主要的变形机制是层间滑移、悬垂（逐层位移）、预浸料内部的横向流动和树脂渗透。因此，在法兰和框架区域可以观察到粗纱分层、弯曲和撕裂。
