从i3到iX看宝马汽车碳纤维应用的十年之路

一、结论

1、BMW iX的碳纤维策略（Carbon Cage）并未采用BMW i系列（i3&i8）的全碳纤维车身（Carbon Life Module），而是在7系（Carbon Core）的基础上，从Core“进化？”到Cage——加大侧围碳纤维的面积（B柱+门槛），但减少了碳纤维的数量（由16个变为8个）；

2、BMW iX的2个A柱碳纤维管采用与i3&i8&7系相同的RTM工艺，2个顶盖横梁由7系的湿法模压改为热塑性注塑，2个侧围外板和2个尾部流水槽采用大面积的RTM（外观件）；

2、BMW iX的A柱碳纤维管和顶盖横梁，在焊装车间安装，随车过电泳；侧围外板和尾部流水槽不随车过电泳，在涂装之后和总装之前安装；

3、重点关注：热塑性顶盖横梁，轻量化+功能集成，生产节拍快，可随车电泳（PA6/CF的成本是个大问题）；

4、插播一个新闻：SGL cuts jobs as BMW moves away from carbon fiber（iX will not rely as heavily on carbon fiber as the i3）。

二、车型基本信息

宝马批量应用碳纤维的车型主要是i3、（i8）、7 series和iX，这些车型的基本信息如下，供参考，其中把iX和X5放在一起，尺寸做个对照，话说iX比X5重了300+kg，电动化确实给轻量化带来了更大的压力和动力。

三、iX的Carbon Cage

宝马iX是全新的纯电专属平台，如果说宝马iX3是在X3的基础上”油改电“而来的，那么iX无论是在车身还是底盘，与X5是截然不同的。下图分别是iX和X5的车身结构&选材，供参考。底盘就不放了，对平台架构感兴趣的，可以仔细研究一下iX和X5的通用化策略。

iX碳纤维的定义是“Carbon Cage”，事实上是7系“Carbon Core”的延续。从iX的白车身材料分布图中，可以看出，iX的碳纤维一共7个部件，分别应用在顶盖横梁、A柱上边梁、侧围加强件和尾部加强件，其中外观可视的是侧围&尾部加强件。熟悉宝马汽车碳纤维在i3、i8及7系应用的人会发现，iX的碳纤维应用策略与i3&i8是不同的，而是与7系策略有一些类似（如下图），我们逐件看一下。

1、A柱上边梁碳纤维管

A柱碳纤维管采用3D编织工艺预成型，包裹热塑性泡沫（水压支撑），然后通过RTM工艺成型。这种工艺在i3、i8和7系上均有应用。按照宝马的节拍，一台RTM设备，每天可生产＞250件（5min/件），年产＞75000件。目前真正批量生产的车型中，采用此方案的车型并不多。

2、顶盖横梁

iX的前后顶盖横梁采用热塑性注塑的工艺，在轻量化和满足性能要求的前提下，进一步集成了线束和天线等电子电器部件，以及集成了一些安装功能的支架。

具体材料和工艺，可以参考之前i3的一个验证项目，连续纤维骨架是50K UD的碳纤维，树脂基体是PA6，注塑料是回收的碳纤维增强PA6。iX是否完全采用相同的材料，还不是很确定。值得注意的一点是，这两个顶盖横梁是可以过涂装的（200℃/30min+150℃/40min）。总之，相较于A柱碳纤维管RTM工艺，CF/PA6的注塑工艺，可以把生产节拍缩短到1min，又可以随车电泳，是要重点关注的。另外，值得一提的是，这两个件的左右两端是金属嵌件，直接和车身焊接在一起。

3、侧围外板和尾部流水槽

无论相较于i3&i8，还是7系，iX都减少了碳纤维部件的数量，但是我理解iX还是希望更大程度的发挥BMW i系列更加激进的碳纤维亮点，于是在侧围外板（B柱+门槛梁）和尾部流水槽采用可外观可见的碳纤维部件，开门上车和开后背门的时候，肉眼可视的六边形碳纤维编织纹理，确实比较吸人眼球。当然，相较于7系，侧门外板面积更大，轻量化的效果和性能提升的结果，应该会更明显。但是无论是材料成本还是工艺成本更进一步提高了。7系的门槛加强板采用碳纤维湿法模压工艺，iX的侧围外板采用RTM工艺，其中碳纤维的编织方向是根据碰撞受力来设计的。连接方面，这四个件通过双组分的胶水与车身连接，需要红外加热固化，这在一定程度上也影响了厂内的生产节拍。

4、制造工艺

如下图所示，8个碳纤维部件中，A柱碳纤维管、顶盖横梁是焊装车间装配，之后随整车电泳；电泳之后，回到一个单独的”焊装“车间，拆下开闭件，安装碳纤维侧围外板和尾部流水槽，涂胶+红外加热固化，最终直接进入总装车间。

四、BMW十年碳纤维之路回顾

1、BMW碳纤维的起源

宝马汽车的碳纤维应用研究始于1999年，真正的批量生产则是从i3开始（2013年量产交付）。自此，开启在i3、i8和7系上，开始了carbon lifemodule和carbon core的原创、应用和引领。碳纤维的批量应用，也进一步加强了宝马汽车在”高科技“、”轻量化“方面的品牌力。

值得一提的是，2011年，也就是BMW i3的概念设计之初，宝马集团投资了SGL（西格里集团是全球领先的碳素石墨材料以及相关产品的制造商之一，涵盖了从原丝到碳纤维、织物和预浸料、再到CFRP部件成品在内的完整业务链）。目前，宝马集团在SGL的占比是18%，大众集团是7%。

2、i3和i8的Life-Drive

• i3整备质量1487kg，其中Life Module白车身138kg、Drive Module车架82kg。Life Module中碳纤维68kg，包括34个部件，其中15个RTM部件（含两个编织泡沫夹心型材）和19个模压部件。

• i8整备质量1485kg，其中Life Module白车身168kg、 Drive Module车架59kg。Life Module中碳纤维包括42个部件，其中14个RTM部件（含三个编织泡沫夹心型材）、5个回收碳纤维和23个模压部件。

• 此外，i8的双翼门也采用了碳纤维内板，单个门5个部件，包括3个模压件和2个RTM件。

• i3的制造工艺

传统的汽车制造四个工艺，包括冲压、焊装、涂装和总装，而i3是没有冲压和涂装车间的，这主要是由于i3的外观件全部为塑料件，碳纤维的白车身车体也不需要经过防腐；清洗、电泳、喷漆和烤漆。这在一定程度上，确实降低了产线的投资，比较适合小批量的试制和生产，比如i8、兰博基尼、前途K50等碳纤维车身。不得不说，宝马i3从2013年量产，到现在将近10年，全球销量二十几万台，也是碳纤维在汽车行业的奇迹。

3、7系的Carbon Core

7系的碳纤维零部件16个，4种工艺，分别包括湿法模压、RTM、碳纤维和钢板直接模压和碳纤维SMC。7系是在传统冲、焊、涂、总的基础上，采用碳纤维的，适当调整了焊接产线和涂装工艺（温度和时间控制）。事实上，相较于i3，7系的碳纤维应用是更有借鉴意义的，即如何通过材料&工艺设计、连接&涂装工艺设计来实现碳纤维零部件在车身的应用，在不大面积调整制造工艺的情况下，满足生产节拍，实现轻量化和性能提升。

五、小结

十年前的i3，确实给汽车行业/碳纤维行业带来了很大的期待，但十年的发展，碳纤维在汽车行业的应用依然是“理想很丰满，现实很骨感”，纯碳纤维的白车身几乎全部是跑车才会有的选择；五年前7系，Carbon Core又给大家带来一些启发和借鉴，但碳纤维加强件，依然无法在普通乘用车上普及，哪怕是一个类似于“镁合金方向盘”的成熟案例都没有；今年的iX，命名为Carbon Cage，其实寓意要比7系的Carbon Core更要宏大，宝马曾经说过，when a bodygets a name, it must be someting special，也许碳纤维给宝马带来的，更多的是special。下一步碳纤维复合材料该怎么发展，需要汽车行业和材料行业的人们，不断的努力探索和尝试，通过一点点努力，实现从0到1，从1到10，最终实现真正的大批量生产。

原文始发于微信公众号（轻量化产业联盟）：从i3到iX看宝马汽车碳纤维应用的十年之路