В своем новом спортивном электромобиле на аккумуляторных источниках питания iX компания BMW использует конструкции из углепластика из предыдущих моделей i3, i8 и серии 7 в сочетании с термопластом, армированным непрерывным углеродным волокном, для получения легкой и прочной рамы.
Спортивный электромобиль iX от компании BMW, который будет выпущен в 2022 году, отличается дальностью хода, увеличенной до 300 миль на одну зарядку, и работает на двух электродвигателях и высоковольтном аккумуляторе емкостью 100 кВт·ч.
Легкий вес и дальность хода. Для разработки композитного кузова Carbon Cage своего спортивного электромобиля iX 2022 года компания BMW взяла за основу предыдущие конструкции кузовов автомобилей i3, i8 и серии 7. Благодаря легкому весу конструкции модель iX обладает дальностью хода до 300 миль на одну зарядку. Все изображения предоставлены компанией BMW Group
В основе автомобиля iX лежат разработки компании BMW Group (Мюнхен, Германия) в области электромобилей более чем за десять лет. Компания BMW объявила о своем первом пассажирском электромобиле из композиционных материалов в 2010 году на выставке JEC World. Легковой четырехдверный электромобиль седан, изначально названный Megacity, а при выпуске переименованный в i3, имеет несущий кузов из углепластика, изготовленный методом литьевого прессования смолы, под названием «Life Module». Кузовы «Life Module» для автомобиля i3 и следующей модели i8, произведенные на заводе компании BMW в Лейпциге (Германия), состоят полностью из углепластиковых элементов, изготовленных из прошитых нетканых материалов от партнера компании SGL Group (Висбаден, Германия) и переработанного углеродного волокна, скомпонованного с помощью роботизированного оборудования.
В 2016 году представители журнала CW посетили завод BMW в Дингольфинге (Германия), где производится седан представительского класса серии 7 с кузовом из 16 композитных компонентов «Carbon Core». Все компоненты изготавливаются с помощью одного из четырех производственных процессов (влажное прессование, литьевое прессование, листовой прессматериал из углеродного волокна или гибридный материал из многослойной стали), а затем соединяются и приклепываются на стальные компоненты с помощью автоматической системы сборки.
Анонсированный в ноябре 2020 года iX — это следующий шаг BMW в разработке композитных электромобилей, оснащенных мультикомпозитным кузовом «Carbon Cage». «В iX кузов Carbon Core из серии 7 объединили с полностью углеродным кузовом предыдущих моделей BMW i (i3 и i8)», — объясняет Уве Келер, старший вице-президент по разработке кузовов, внешней и внутренней отделки в компании BMW Group.
Автомобиль также имеет «гибридные» внешние характеристики: говорят, что iX сопоставим с BMW X5 по длине и ширине, почти такой же высоты, что и BMW X6, и имеет колеса такого же размера, что и X7.
—
Легкая, аэродинамическая, многослойная конструкция кузова
Дизайн автомобиля в целом был ориентирован на аэродинамику, дальность хода и — в форме и отделке — минимализм.
BMW называет свою концепцию «продуманной облегченной конструкцией». Автомобиль (общий собственный вес которого составляет 5659 фунтов/2566 кг) сопоставим по размерам с BMW X5, однако корпус кузова на 176 фунтов/80 кг легче, чем iX. Кузов состоит из внутренней рамы и компонентов стойки из углепластика внутри металлического каркаса — алюминиевый пол в сборе и стальные наружные боковые рамы, обеспечивающие дополнительную прочность и защиту от столкновений. Установка боковой рамы из углепластика вместо обычной стальной позволяет снизить вес автомобиля на несколько килограммов. Общая идея состоит в том, чтобы «снизить вес и при этом увеличить жесткость кузова», — говорит Келер, что в конечном итоге обеспечит максимальную эффективность / дальность хода и высокую безопасность при столкновении.
«Инновационная легкая конструкция — важная особенность автомобилей BMW i», — отмечает он. “При использовании углепластика в «нужных» местах кузова можно получить множество функциональных преимуществ. В автомобилях iX мы используем разумное сочетание материалов для всех элементов конструкции».
Как и в кузове Carbon Core автомобилей 7 серии, в iX Carbon Cage из углепластика изготовлены стойки и каркас крыши. В iX также добавлены «крестовые соединения и видимые компоненты в зоне вторичной поверхности», — говорит Келер, включая боковые рамы, вырез на задней двери и крышки желобов на багажнике для защиты салона. Во всех композитных компонентах используется углеродное волокно от компании SGL Carbon SE (Майтинген, Германия), а также либо эпоксидная смола, либо термопластичная матрица.
—
Роботизированная сборка
Все композитные компоненты изготавливаются на предприятиях BMW, затем собираются с остальными деталями автомобиля путем склеивания и роботизированной сборки на сборочной площадке компании в Дингольфинге (Германия). На фото снизу показан клей, нанесенный на одну из боковых рам iX перед сборкой.
Производство и сборка
Композитные компоненты изготавливают одним из трех производственных процессов: литьевое прессование, прессование в форме и литье под давлением. Все композитные компоненты изготавливают на предприятиях BMW, затем собирают на заводе в Дингольфинге. Йоханн Кистлер, руководитель проекта BMW iX, отмечает, что на производстве BMW реализуется «полный поток создания ценности, от волокна до компонента, а также высокий уровень автоматизации. Это означает, что компоненты из углепластика можно производить по высоким стандартам при низких затратах».
Литьевое прессование. Методом литьевого прессования изготавливается большая часть кузова Carbon Cage, включая переднюю, центральную и заднюю стойки, а также компоненты каркаса крыши и боковые рамы. Плетеный профиль из углепластика формуется с временным несущим сердечником из ПЭТ, который удаляют после изготовления. По словам Келера, в процессе окончательной сборки крыша и боковые рамы в итоге соединяются с внешней стальной арматурой «для обеспечения пластичности в зоне высоких нагрузок».
Прессование в форме. Крышка желоба, расположенная в задней части кузова, формуется методом влажного прессования.
Термопласт, армированный углеродным волокном, изготовленный методом многослойного литья под давлением. Для дуги крыши и рамы заднего окна в компании BMW Group решили переформовать заготовки стержней из углепластика с термопластичными гранулами, которые усилены переработанным, измельченным углеродным волокном. Кистлер объясняет, что заготовки стержней из углепластика, изготовленные методом пултрузии, «нагревают, формуют и вставляют в литьевую форму вместе со стальными адаптерами» перед многослойным литьем под давлением термопласта, армированного переработанным углеродным волокном. «Литье под давлением — хорошо известный процесс, который можно выполнять полностью автоматически при очень низких затратах», — говорит он. «Свойства компонента легко можно скорректировать с помощью различных добавок в термопласт». Этот процесс аналогичен тому, что был выполнен в MAI Skellet, совместном демонстрационном проекте BMW Group и SGL, в котором пултрузию термопласта объединили с многослойным литьем под давлением для изготовления оптимальной по соотношению цена-качество рамы ветрового стекла.
Такая гибридная конструкция (углепластик-термопласт) позволяет увеличить жесткость и одновременно снизить вес на 5 кг (11 фунтов) по сравнению со стальными деталями, а также обеспечивает тонкий, простой внешний вид, который был задуман BMW, чтобы придать ощущение просторного салона. Сложная форма позволяет встраивать в раму автомобиля другие компоненты, такие как кронштейны для блоков управления, линии подачи жидкости омывателя и электропроводка.
После изготовления всех компонентов на заводе в Дингольфинге выполняется почти полностью автоматизированная, роботизированная сборка. Как и в автомобилях 7-й серии и предыдущих моделях i, компоненты из углепластика соединяются с остальной частью автомобиля путем склеивания, а стальные вставки крепятся к кузову с помощью точечной сварки. «Благодаря продуманному выбору клеев, прочность соединения можно рассчитать таким образом, чтобы оптимизировать жесткость и передачу мощности», — говорит Кистлер. В конечном счете “выбранные материалы и производственные процессы точно соответствуют требованиям каждого конкретного компонента, повышая жесткость кузова и безопасность при столкновении, а также обеспечивая низкий вес».
Мультикомпозитная инновация
Чтобы оптимизировать эксплуатационные характеристики при минимально возможном весе, в iX используется сочетание материалов, включая термореактивные и термопластичные композиционные материалы, армированные углеродным волокном с металлической и алюминиевой рамой.
Последняя модель в серии i
Модель iX — это четвертый в серии i электромобиль BMW. Слева направо изображены седан i4 2022 года, спортивные электромобили iX и iX3, компактный седан i3.
iX на дороге
Первые купленные автомобили iX выедут на дорогу весной 2022 года. Помимо кузова Carbon Cage, создатели iX позаботились о комфорте и удобстве пассажиров, включая расширенные вычислительные возможности, оптимизированные для автоматизированного вождения и парковки, просторный салон и специально разработанные сиденья. Компания BMW Group также экспериментировала с использованием нескольких переработанных или натуральных материалов в салоне автомобиля и утверждает, что в ее технологии eDrive (охватывающей электродвигатели, зарядку, силовую электронику и аккумуляторы) не используются редкоземельные металлы.
Келер отмечает, что некоторые проектные решения, использованные в iX, также были реализованы в новых модификациях существующих моделей BMW из композиционных материалов. Например, текущая модель 7-ой серии изготовлена с большим количеством компонентов из углеродного волокна, чем первоначальная конструкция, среди них передняя, центральная и задняя стойки полностью из углепластика, тогда как ранее использовались гибридные компоненты из металла/углепластика. Келер говорит: «В результате вес автомобиля был снижен в общей сложности до 130 кг [286 фунтов] в сравнении с его предшественником, в зависимости от модификации и комплектации».
Ханна Мейсон пишет и редактирует статьи о композиционных материалах для CompositesWorld с 2018 года. Получила степень магистра по специальности писатель в Университете Цинциннати. hmason@compositesworld.com
