碳纤维助力汽车轻量化 首款复合材料3d打印机诞生

南亚树脂

    沃尔沃曾经开发出一种新设计，通过把超级电容器装进碳纤维板中，让车身变成电池，从而大幅减重。与此同时，宝马全新一代7系、5系等车型也都将大量采用碳纤维材料。另外，全球首款支持碳纤维复合材料的3D打印机诞生，这款打印机将从3月份开始接受预订，价格为5000美元（约合人民币3万元）。同时助力3D打印和智能汽车，碳纤维的市场需求将进一步提升。在A股方面，金发科技、中钢吉炭、深圳惠程、博云新材等碳纤维概念股近期股价异动，对相关信息已经开始作出积极反应。
沃尔沃已成功研发出能储存电能的碳纤维材料。这种蓄电材料是由多层的碳纤维以及树脂聚合物构成，每一夹层中又有纳米结构的电池以及电容。用超级电容器板替代发动机盖和扭力杆的组合，这样沃尔沃的工程师就能够替换掉为车载电子供电的12伏电池，同时把重量减半。
这种材料能够取代传统车辆的金属车体，从车门、车顶到引擎盖等都可以。沃尔沃预计全车钣金能够储存的电能足以让电动车有大约112km的行驶距离。这种新型的电池材质能够靠刹车动能回收系统以及传统的插电方式来充电。沃尔沃宣称这种新材料充电的速度以及能够储蓄的动能都将会超越目前所有的锂电池，并且由于这种蓄电材质在充放电能时没有化学作用，因此也不会有普通电池蓄电能力下降的问题。
将这一概念再推进一步，沃尔沃用这款超级电容器/碳纤维板重造了一个车盖，就是把它变成了一块电池，可以用动能回收系统或标准插头充电。沃尔沃估计，车门、行李箱、车顶等部件都能用这种新材料来替代，这样整体重量能够降低15%。
沃尔沃已经基于S80打造出一台采用新蓄电材料的原型车。该车在车身的发动机盖以及后尾箱盖都使用了这种新的碳纤维电池材质。这样跟传统电动车相比还减轻了蓄电池的重量，并且碳纤维也拥有更好的车身刚性。
此外，宝马汽车也大量采用碳纤维材质。据悉，全新宝马7系将大量使用碳纤维材料，包括底盘等部件，新款宝马7系比老款减重460斤。而根据换代周期，全新一代宝马5系有望在2016年推出，届时新车将采用更加轻量化的材料以大幅减重。新车入门级车型将新增一款1.5T柴油三缸引擎，同时还将采用大量的碳纤维材料，使车身重量将大幅降低。业内人士指出，汽车轻量化材料对宝马汽车公司的重要性正在日益增长，下一个在汽车轻量化中扮演重要角色的材料将是碳质纤维。
目前，日本东丽、丰田和东京大学等已经在联手开发全面采用重量轻、强度高的碳纤维的汽车，推进加工技术等的研究，到2010年代后半期，将能够提供用于量产车的零部件。最早到2020年，重量减轻6成、安全性更高的汽车将投入实际应用。
碳纤维的重量只有铁的四分之一，而强度则是其十倍。如果用于汽车，有望将燃效提高4成以上。目前在普通汽车上采用碳纤维的趋势已经出现，例如美国通用汽车正力争将碳纤维用于量产车。而据东丽经营研究所统计，碳纤维的全球市场在2011年约为4万吨，其中用于汽车的碳纤维为2000吨左右。而这一数字自2015年左右起将不断扩大，到2020年代将达到数万吨。
尽管3D打印机已经有了十几年的技术发展，但大家对桌面产品的印象还停留在打印一个玩具、模型的层面上。由于PLA/ABS的材质类似塑料，因此这种材料打印出来的东西塑料感浓厚。不过，有着多年赛车部件设计和加工经历的Greg Mark带领他的团队，近日研制出一款使用碳纤维做打印耗材的桌面3D打印机，它不再像过去的桌面3D打印机打印模型，这款机型可以直接打印部件和工具。
Greg Mark的团队研制的3D打印机名为Mark One，使用碳纤维作为耗材，是全球首款能打印复合材料的桌面3D打印机。花费5000美元（约合人民币3万元），用户就可以用碳纤维以1比1比例打印香蕉模型。Gregory Mark团队采用了3D打印的理念，将其作为一种生产复合元件的制造流程，但改变了形式和功能。
据了解，Mark One不仅能使用类似碳纤维的复合材料来打印，还能使用玻璃纤维、尼龙和聚乳酸等材料。当然，每次只能使用一种材料。这款打印机也引入了一些先进技术，例如在每次打印前就位的自流平印床。
根据已经发布的数据来看，Mark One 3D打印机整机仍然定位在桌面级产品，长宽高分别为575x322x360mm，成型尺寸为305x160x160mm。其特点在于，一是可使用碳纤维作为打印材料，二是使用复合材料，直接制作高强度的部件和工具。该机型采用双挤出头，可兼容碳纤维、玻璃纤维、尼龙和PLA耗材；制作实际部件时能够选择合适的材料，兼顾强度和成本。
目前，Mark One 3D打印机已经制作出7mm x 3mm x 100mm的碳纤维部件。未来，Greg Mark和他的团队有望将3D技术直接运用于赛车部件制作，Mark One 3D打印机正是他们的第一步尝试。该机型定价4999美金（约合人民币3万元），将从3月份开始接受预订，将在2014年下半年送到用户手中。
众所周知，碳纤维聚合物具有高强度、高刚度、质量轻的特点，Greg Mark的团队过去正是使用碳纤维材料为赛车设计和制作尾翼支撑结构。现在，他们把碳纤维材料与3D打印结合起来，有可能为桌面3D打印应用带来新的机遇。