BMW分享碳纖維的製造與應用
Written by: Bear
碳是汽車製造中使用的材料之一，其重要性隨這汽車性能的發展只會愈益增加。設計師們喜歡它的每一種方式，例如：在內飾或作為附加部件、純碳、部分碳或車外觀的碳纖維套件包裝，因為這種深色材料同時散發著優雅和運動感。工程師們對碳同樣充滿熱情，因為它保證了高強度和剛度以及偏低的比重。然而，它確實需要一個費力的生產過程。因此，它既美麗又有價值，這使得碳成為當今高科技材料的「黑金」。
關於碳的快速事實
- 碳纖維重量輕，剛性強。
- 碳纖維提供獨特的外觀。
- 碳主要由手工製造。
什麼是碳纖維？
當我們談論碳纖維在汽車製造中時，它主要是碳纖維增強聚合物(CFRP，Carbon fiber reinforced polymer)。這是複合材料的彼此融合，旨在結合以它構成單個元件所需的積極特性。
碳纖維如何以及在哪裡用於汽車製造？
碳纖維非常適用於需要穩定和輕便的部件，例如：用於汽車工程。並且也是為什麼碳纖維被用於航空航太工程以及飛機、船隻和自行車的製造。在汽車製造中，碳纖維就像之前的許多材料一樣，已經從賽車延伸到大規模生產。因為在賽車運動中，每節省小小一盎司的重量都很重要，因此輕質結構是開發賽車的基本前提之一。
在BMW，這種材料用於BMW M車型的車頂和BMW M Performance零件的可見碳纖維結構，本文將主要關注可見碳纖維中的零件。該材料還用於BMW 7系列的車身部件，並且以前也用於BMW i8，以及BMW首款大量使用作為車體主結構的i3。在這款電動車中，包含環抱整個座艙的車身，均是由碳纖維製成。
BMW iX也受益於BMW在碳纖維方面的經驗。碳纖維增強聚合物在德國萊比錫(Leipzig)和蘭茨胡特(Landshut)的BMW工廠生產。纖維本身首先在美國的摩西湖(Moses Lake)製造，而半成品纖維基礎結構(也可稱為「堆疊」，即Stacks)則在德國瓦克斯多夫(Wackersdorf)生產。
由可見碳製成的部件，具有這種材料特有的織物結構，在視覺上令人著迷。喜好高科技材料的車主可以透過BMW M Performance零件讓愛車更有所值。可見碳纖維的定製選項範圍非常廣泛，從引擎蓋到內裝和外觀的設計元件，再到擴散器，BMW提供了各種各樣的碳纖維應用升級件，以滿足客戶內心的渴望。
碳纖維是如何製造的？
碳纖維是一種用於汽車製造的碳複合材料。在BMW M Performance部件或整個碳纖維底盤元件…等附加部件中，用於製造的成份是碳纖維和由熱固性塑膠製成的支撐結構，稱為矩陣基質(Matrix)。這可以由各種材料製成，例如：合成樹脂。合成樹脂在該矩陣用於連接纖維並填充它們之間的空間。由於合成樹脂在室溫下長時間後會開始交聯，因此會在-18°C的溫度下纏繞在線圈周圍來儲存，而下一步加工前一天左右才會將其加熱到室溫。
碳纖維本身非常薄，它們通常只有人類頭髮寬度的十分之一。纖維的鋪設方向對穩定性至關重要：碳結構在纖維方向上非常堅硬。在結構部件的下一步中，大約50,000個這些單獨的細絲被組合成稱為粗紗的纖維束並捲起。對於可見的碳元素，則大約有3,000根細絲。然後，粗紗用於製造具有不同纖維取向的扁平紡織品，以便在所有方向上實現剛性。當一個放在另一個之上時，它們會形成堆疊。
然後放入模具中進行「烘烤」(Baked)。在這個被稱為高壓滅菌器(Autoclave)步驟的工藝步驟中，熱固性基質在120°C以及高壓下硬化，其持續時間約為兩個小時。最後樹脂交聯使元件形成最終形狀。最後的成果是碳纖維汽車零件還可以根據需要連接在一起形成更大的元件來構成車身。然後用清漆塗上可見的部件，這確保了碳形成的特徵纖維結構保持可見，同時材料也受到保護。
可見碳纖維紋路部件主要由手工製造，這是一個耗時的過程。生產單個元件可能需要一整天的時間。製備、切割、高壓滅菌器固化、脫模、銑削、上漆，這些都很需要時間。但是，它們也保證了極高水準的品質和獨特性。
BMW在德國瓦克斯多夫工廠的巨大的織機。
碳纖維粗紗(纖維束)由數千根單獨的細絲組成。
堆疊的特寫，也可稱為多軸層。
BMW蘭茨胡特工廠創新生產中心的員工豪不費力地運送由CFRP製成的BMW i8車身側框。
BMW萊比錫工廠的BMW i3的CFRP車身被運送到下一個生產步驟。
碳纖維有哪些性能？
碳纖維的特點是具有許多積極的特性，使其與其他材料區分開來。其優點之一是高剛性。碳纖維材料的結構非常穩定。碳纖維汽車零件能夠吸收大量的衝擊能量。這意味著，在正確的地方使用碳纖維有助於提高車輛安全性。
碳的另一個優點是其比重低。由鋁製成的車身部件是最重要的輕金屬之一，但其重量仍比碳製成的相應元件重20%至30%，在鋼的情況下，這一比例甚至是提高到50%。更輕的重量意味著更少的燃料或電力使用，從而有更好的碳足跡。或者，透過使用碳纖維可以進一步提高運動型車輛的性能。原因很簡單：更輕意味著加速或減速都會更快。
碳纖維的其他優點包括能夠生產幾乎任何所需形狀的零件，其耐腐蝕性、低熱膨脹性，以及持久的耐溫性和抗疲勞強度，從而能延長零件的使用壽命。這些特性超過了碳纖維生產必須勞動密集的缺點，不過，多年來，碳纖維的成本已隨著數量的增加和推動創新而下降。
總而言之，除了碳纖維之外，目前還沒有其他材料可以以這種減輕重量的方式使用，同時提供這些優異的機械性能。最重要的是，例如：可見碳纖維紋路的BMW M Performance部件所示，它提供了獨特高運動化氣息的外觀。