應用在通用汽車公司2020款第八代雪佛蘭Corvette跑車上的後保險槓樑，是該車型上最具創新的複合材料部件，它由一種弧線拉擠技術成型而出。

為了與車輛的後部造型匹配，同時確保能夠裝入並不寬敞的可用空間中，該車型的設計團隊需要一根彎曲的樑。

而對於生產團隊來說，他們則想要在車身車間將樑裝到白車身（BIW）的其他部位上，這意味著它必須擁有穩定的熱力學效能，以便能夠在通用的ELPO電泳防鏽塗裝浴中經受住238℃的迴圈烘烤。

該樑還必須滿足嚴格的低速碰撞要求。同時，工程師們希望減輕重量，使其比用在上一代克爾維特車輛上的採用金屬惰性氣體（MIG）保護焊接的鋁擠出件更輕。

基於克爾維特汽車大量使用複合材料的歷史，製造一款複合材料的樑是最根本的要求。

10個CFRP部件

隨著2020款車型設計工作的展開，克爾維特的開發團隊挑選了10個結構件，包括傳統的鋁製保險槓樑，目的是將它們製成全碳纖維增強塑料（CFRP）的新型部件，以進行生產潛在性評估。

“我們選中的部件，有些是直的，有些是彎曲的，有些出於某種原因需要鑽孔，但每一個都必須達到我們經過認真研究確定的每公斤單價目標。”克爾維特車身結構工程團隊經理Ed Moss解釋道，“我們從最初選擇的10個部件中挑出5個進行下一級別的評估。雖然在開發過程中放棄了3個，但最終我們將兩個CFRP部件用到了2020款克爾維特汽車上，包括後保險槓樑和用於中央結構通道的一種可拆卸車底覆蓋板。”

最初，該設計團隊想將碳纖維複合材料用到車輛直的前保險槓上，但出於多種原因，尤其是需要滿足更嚴格的低速和高速正面障礙物測試要求，他們很快將重點轉移到了對效能要求相對不很高的彎曲後梁上。適應車輛中置發動機的新設計特點，他們需要減輕該部件的重量。

為了匹配尾部造型以及儘可能增大後備箱空間，需要一種彎曲的樑。由於它靠近產生熱量的中置發動機，因此需要使用熱力學效能穩定的材料，因此熱塑性塑料不在考慮範圍中。

該樑還需要允許將鍍鋁牽引鉤成型到其中，或者在樑上鑽孔以便在成型後將牽引鉤粘接到其中。

實際上，後梁的設計工作在選定材料和工藝之前就已開始。為保持整體設計不變，設計後保險槓樑的一個重要方面是作出決定，以通過一箇中央腹板來沿長度方向平分空心樑，從而創造出兩個內室。這一特徵對於減小壁厚以減輕樑的重量並使其具備碰撞試驗所需的力學效能至關重要。正如所料，中央腹板的存在對工藝的選擇帶來了影響。

為生產出第一個前直後彎曲的後保險槓樑，該團隊評估了幾種複合材料成型工藝，它們被認為能夠生產出帶有兩個內室的空心樑，其中包括：

★ 複合材料的溼法成型：由於中央腹板的存在，技術上存在挑戰性，它需要一個預成型型腔和兩個芯軸以及能產生背壓的方法才能實現這種兩室設計。

沒想到的是，在團隊成員中，有一位從一開始就對這種工藝情有獨鍾。

“我希望至少在兩款克爾維特車型上能夠用到拉擠工藝，但卻一直沒有找到合適的應用。”克爾維特車身結構首席工程師Chris Basela回憶道。他曾與一級供應商美國Shape公司一起開發過以前的克爾維特車型和其他一些專案，因而對Shape公司能夠採用鋁合金和先進高強鋼生產複雜的彎曲保險槓樑印象深刻。

Shape公司設計、開發並生產金屬、塑料和複合材料的產品，擁有豐富的能效管理經驗。該公司已經創新了幾種生產金屬保險槓樑的技術，能夠確保在減重的同時提高效能。

隨後，Shape公司的代表聯絡了德國的機械裝置製造商Thomas GmbH + Co. Technik + Innovation KG（以下簡稱TTI），該製造商發明了一種通過拉擠製造彎曲的二維和三維型材的工藝和裝置。當克爾維特專案機會來臨時，Shape已經在與TTI討論購買一臺裝置以及使用TTI的授權技術等問題。

Shape公司是美國第一家擁有德國TTI公司開發的弧線拉擠生產線的公司，也是第一家採用TTI公司的專利工藝生產商業化部件的汽車供應商，該工藝克服了傳統直線拉擠的許多侷限性（圖片來自Shape公司）

設計與表徵

當Shape公司在等待其新的弧線拉擠裝置建成時，通用汽車公司、Shape公司和工程織物供應商美國Vectorply公司就已開始評估和表徵各種纖維/樹脂的組合。

基於通用對後保險槓樑的設計，該團隊利用有限元分析（FEA）來模擬每一種候選材料的效能，然後在Shape公司的實驗室中，利用Shape的真空灌注系統來成型試樣。

接著，切下試樣進行小型試驗，對比預測和試驗結果，以幫助該團隊通過其工程假設來獲得信心。

針對最有希望選中的纖維/樹脂組合，他們另外成型了試樣並將它們送至通用汽車公司位於美國肯塔基州保齡格林工廠的ELPO生產線上，克爾維特車型就是在此裝配的。

為確保用於樑的碳纖維增強材料不會導致電偶腐蝕，同時儘可能降低成本、減輕重量，Shape公司採用了一種多層阻隔解決方案，它由精心佈局的材料和塗層構成（圖片來自Shape公司）

通過對織物結構進行廣泛研究，該團隊了解了在拉擠成型特別是在弧線拉擠成型中什麼起作用、什麼不起作用。

他們研究了許多織物，包括由玻璃纖維、碳纖維和碳纖維/玻璃纖維混合增強材料編織而成的織物及無捲曲織物（NCFs）。

“我們喜歡無捲曲織物帶給我們的效能，因為它們是縫編的，因而纖維在加工過程中不會移動，這就意味著在相同面重條件下的剛性和強度更高，以及擁有更好的懸垂性，且最終部件中的纖維體積百分比（FVFs）更高。”Basela解釋道，“因此，我們決定用單向絲束來微調效能。”

“雖然我們對全玻璃纖維織物的成本很滿意，但是，要使其滿足效能要求，就會導致樑的重量增加，因此，我們最終決定採用全碳纖維的技術路線。”Moss補充道。

最終選定的織物包括一種雙斜紋無捲曲織物、一種三軸經編無捲曲織物和兩種單向經編無捲曲織物，其中的大多數採用的是小絲束纖維，而且全都都是標準模量。最終的平均纖維體積百分比值大約是50%。

此外，該團隊還評估了許多聚氨酯（PUR）樹脂，以找到一種韌性足以通過碰撞試驗、熱穩定性足以耐受ELPO電泳塗裝溫度以及化學相容性允許採用結構粘合劑將樑粘接到白車身上的候選材料。

研究中出現的問題

接下來，在TTI安裝在德國的演示系統上，生產出了近乎全尺寸的樑，以將其用於碰撞試驗以及在通用的ELPO生產線中經受電泳防鏽塗裝處理。總之，一切如期進行，直到樑在保齡格林工廠通過電泳塗裝時才發現了問題。

安裝托架後，六軸機器人將最終的碳纖維複合材料保險槓樑轉運到最終的品質檢驗站進行檢測，然後再將其運至通用在美國肯塔基州保齡格林的裝配廠（圖片來自Shape公司）

“我們發現，被送到該生產線上的樑，幾乎每一根都有水泡。”Basela 回憶道，“這不只是可以通過重新打磨來解決的外觀問題，關鍵是，水泡將纖維擠到了一邊而引起分層。奇怪的是，水泡不是侷限在一兩個位置上，而是幾乎出現在樑的任何一處。”

這一問題引起了該團隊對幾家供應商提供的替代樹脂系統進行第二次的深入研究。這一次，他們評估了更多的PUR樹脂，以及環氧樹脂、乙烯基酯樹脂和一些混合的樹脂系統。然後再一次對這些候選材料進行模擬、成型和測試，將最有希望的候選材料製成近乎全尺寸的樑，進行碰撞試驗和ELPO電泳塗裝試驗。

有趣的是，最終選出的樹脂在初步測試中沒有表現出突出的效能，但卻成功地通過了ELPO電泳塗裝。

Crestapol 1250是由樹脂供應商英國Scott Bader有限公司作為一種粘合劑而開發的一種現成的過氧化物固化聚氨酯丙烯酸酯共聚物，後來得到改性而成為一種模塑樹脂。

這一完整的樹脂/增強材料系統在碰撞效能、ELPO 電泳塗裝耐受性、減重降本以及可接受的成型週期方面提供了最佳平衡。

多個第一

該保險槓樑是世界上第一個弧線拉擠的汽車部件以及在北美生產的所有行業中的第一個弧線拉擠的部件。據說其生產速度與直線拉擠相當，大約是31cm/min。

到目前為止，針對這項應用，通用汽車公司已申請了一項創新專利、Shape公司申請了4項。

最終生產出來的樑，要比之前的鋁型材輕2.2 kg，而且滿足了設計、工程和製造目標要求。

現在，該樑已獲得美國塑料工程師學會2019第四十九屆汽車創新獎的兩個獎項：工藝/裝配/使能技術獎和車輛工程團隊獎。