推进可持续复合材料

多年来，工程师们一直在与一个悖论作斗争。为了使汽车更轻，从而更高效，你通常需要采用更耗能的材料来处理，有时更难回收。复合材料尤其如此。使用传统技术，生产碳纤维的能源密集型约为钢铁生产的14倍。

部分问题在于，热固性复合材料部件，如车身面板、座椅框架或车轮，通常需要在高压釜中应用真空、加热和压力进行固化。在高压釜中维持所需的热量和压力是昂贵的——每循环大约500英镑，而像一级方程式汽缸这样需要8次固化的部件则需要数千英镑。

对于轻量化是关键，但传统碳纤维的高强度重量比不是最重要的应用，有一种更实惠和环境可持续的选择，以压缩成型的形式。代替高压釜，这使用一个加热的压力机应用热和压力固化的部分，大幅削减周期时间。压缩成型的成本较低，周期较短，使其成为大规模生产的一个更有吸引力的命题。当谈到环境影响时，中量到高量的应用才是真正可以产生差异的地方。

不幸的是，压缩成型有它自己的问题。传统的液压机需要在整个过程中持续施加压力，所以它仍然是一个相对高能的过程。更重要的是，固化过程的精确控制有局限性，这使得它不太适合生物含量高的树脂。

Retrac Composites公司相信，他们有一种新的电动伺服压力机的解决方案。结合该公司自己的控制软件规范，据说它可以比使用传统复合材料更快地交付更高质量的部件，但也可以使用生物含量更高的天然纤维和树脂来达到所需的质量。

最重要的发展是印刷机本身的设计。使用四个或更多的伺服驱动螺丝控制，据说可以提供更精细的控制程度

在过去的25年里，这家总部位于斯温德的公司一直是f1世界冠军车队中超过一半的关键供应商。新任首席执行官丹·沃姆斯利(Dan Walmsley)曾是迈凯轮汽车公司(McLaren Automotive)的赛车运动总监，他于2021年初被任命负责一项员工收购。在此之前，他带领斯特拉卡赛车在勒芒24小时比赛中赢得了LMP2级比赛的胜利。现在，他正在带领“回溯”公司走向更可持续的未来。

“可持续生物树脂的性能窗口往往比传统的环氧树脂更窄，”他解释说。“我们的技术使得使用生物含量高得多的树脂成为可能，并且仍然可以获得相同的质量结果。我们使用的生物含量几乎是通常使用压缩成型技术的两倍。”

Retrac已经开发了自己的材料范围，包括可持续和回收复合材料。但最重要的发展是印刷机本身的设计。使用四个或更多的伺服驱动螺丝控制，据说提供了更精细的控制程度，这使得使用更少的化学反应。整个模具的一系列传感器将信息反馈给闭环控制系统，确保整个零件正确成型。更重要的是，因为只有当每个单独的螺丝被调整时，伺服才会被激活，它需要更少的能量来操作。

Walmsley指出:“在湿压过程中，压力的细节对于控制树脂的粘度和行为极为重要。”“当关闭印刷机时，这是最后的十分之一毫米，这才是真正重要的。”

Retrac公司表示，使用一台60吨重、带有内置真空系统的伺服压力机，可以在大约4分钟内生产出一个零件。类似零件的高压灭菌循环可能需要3到6个小时。该公司表示，即使考虑到热压罐一次固化多个部件的能力，它的生产速度也能提高约10倍，同时消耗的能源也大大减少。

Retrac的首席技术官蒂姆•斯科特评论道:“产量的可获得性很大程度上取决于制造组件所需的时间长度。”“我们预计，一个典型组件的循环时间为4 - 6分钟，所以你可以以体积速率生产生物复合材料。”

尽管目前的技术还不能将生物材料应用于高负载的结构件，但在很多领域，生物材料都可以像传统复合材料一样有用。他说:“我认为生物材料结构复合材料将会出现。在某些情况下，已经有可能将设计与不同领域使用的铝和生物复合材料混合。但在其他领域，传统碳纤维的强度重量比并不是严格必要的。例如，我们看到赛车队用碳纤维制造工具。他们这样做是因为这样可以让它们在世界各地运输时更轻，但实际上它们不需要强度。”

其他的例子包括重型货车和轻型商用车的车身和内部系统，它们的有效载荷和能源效率都是关键目标。高性能公路车辆的非结构部件是另一个潜在领域。在这里，具有独特编织结构的传统碳纤维通常因其美观的表面处理和高性能的形象而受到重视，但情况并非总是如此。

“人们越来越关注汽车所用材料的可持续性，因此，有一天，在汽车上展示大量视觉碳纤维，可能就相当于穿着貂皮大衣到处走。它可能不被社会接受，即使在应用中，传统碳纤维的成本不是一个问题，”斯科特说。

Retrac的工艺通常使用低成本的切碎的纤维，提供一个随机的图案，并具有迷人的银黑色抛光。产生的材料可以上漆或涂漆，但不需要具体的后处理，除了修剪和检查。该公司指出，这进一步降低了加工成本。

音量是这个过程的另一个重要方面。尽管其主要卖点之一是材料和操作的低成本，但压力机需要金属模具，这需要大量的前期投资。Retrac估计，盈亏平衡点通常在1500辆左右——粗略地说，这比摩根的年产量水平略高，但远远低于阿斯顿·马丁和迈凯轮在正常年份的产量。目前，Retrac希望通过内部制造来扩大业务规模，但该公司表示，也有可能将压力机及其控制技术商业化，供第三方使用。沃姆斯利评论道:“无论是在组件层面还是在系统层面，我们都将其视为一次机遇。”“世界必须经历一场轻量化革命，才能实现雄心勃勃的净零目标。”

复合材料在减肥策略中扮演着一个明确的角色。但工程师和消费者也越来越意识到，这些效率效益不能以产品生命周期中其他地方的能源使用量增加为代价。这种综合考虑材料、生产技术和生命末端循环利用的方法肯定会成为一种必要。