车轮制造商Vision Wheel 公司看到了碳纤维车轮未来在电动汽车和高性能汽车上应用的巨大潜力。通过与合作伙伴IDI复合材料国际公司和A&P Technology公司合作，该公司采用其所说的大批量生产工艺和低成本的材料，开发了其款复合材料的车轮（图片来自Vision Wheel）
近年来，轻质高性能碳纤维复合材料以及金属/复合材料混合材料的车轮已被用于许多赛车或其他高性能车辆上，但是，高成本的材料和低产量的制造方法通常将这类车轮的需求市场限定在豪华的汽车上。然而，随着越来越多的汽车制造商开发出电动汽车，这些轻质车轮在量产汽车上的应用可能会增加，当然，前提是这些车轮可以采用较低成本的材料被大批量地制造出来，同时还能满足严格的要求。
一家企图改变这一现状的公司是美国的Vision Wheel公司，该公司为乘用车、高性能特种车以及多用途地形车（UTV）市场制造订制化的锻铝和铸铝车轮已有40多年的历史。以Vision Composite Products为名，2021年10月，该公司在于美国德克萨斯州达拉斯举行的CAMX展会上次推出了其个碳纤维复合材料的车轮，该车轮还入围CAMX大奖决赛圈。
据Vision Wheel 公司COO John Paul Mathew 介绍，为制造这款新的车轮，该公司花费了大约9年的时间。早在2010年，市场上就出现了一些开发更轻质的碳纤维车轮的尝试，而Vision Wheel 公司的CEO Roger Minor 开发碳纤维车轮的理念是，不仅要更轻质，而且要能够大批量地制造，以满足乘用车市场的需求。“我们设想：总有一天，铝制车轮会被碳纤维车轮取代。”Mathew解释道。
发明车轮: 原创设计和手工铺层
“我们不想重新发明车轮。”Mathew说道。Vision Wheel 公司观察了正在开发的其他的碳纤维车轮设计。“它们通常都是在心轴或者某种泡沫芯上成型，这使它们看起来比普通的车轮要大，或者轮廓不太鲜明，或者比普通的铝制车轮更加普通。”因此，Vision Wheel公司决定，尽可能模仿锻铝车轮的复杂性。为开发其个车轮，该公司采取了用在Shelby GT 野马汽车上的铝制车轮的风格，并用复合材料来模仿这种风格。
Mathew承认，这是一个艰难的过程，需要经过多次迭代，而且要在有限元分析（FEA）模型与实物原型之间反复多次迭代，根据原型在实际应用中的表现来调整模型。
结果，产生了一个两件式车轮的概念，这是为便于制造而做出的一种选择。Mathew介绍说，将轮筒或轮辋作为一个单独的部件进行制造，然后将它组装到组合在一起的轮毂和轮辐上。Vision Wheel公司有多种轮筒模具的尺寸，可以重复使用，满足许多不同的车轮设计需求，同时，还可以修改轮辐和轮毂的设计和模具，以满足每种车型以及OEM对美观的要求。
针对车轮的次迭代，Vision Wheel 公司团队是从人工在芯轴上铺放连续纤维织物开始的。“整个过程很成功，但我们意识到，采用这项工艺，你不可能一年做出几百万个车轮。” Mathew说道，“这是一个长而乏味的工艺过程，我们想将其转变成更注重产量和大规模生产的方式。”此外，Vision Wheel 公司需要找到能够满足严格的汽车测试要求的复合材料。
Vision Wheel公司的款直接面向消费者的车轮将用于订制的超级跑车和多用途地形车上，但该公司表示，其可根据客户需求设计各种尺寸和规格的车轮（图片来自Vision Wheel）
满足要求: 材料开发，新的合作伙伴
Vision Wheel公司的工程经理Alan Dudley解释说，根据美国交通部（DOT）对车轮的要求，要测试车轮的小疲劳强度、抗冲击性和径向冲击性，因此在开发时要考虑铝制和钢制车轮的断裂点。“塑料车轮不会像铝车轮那样失效。当铝车轮在撞击中失灵时，如果轮辐或其他地方出现了裂缝，就很容易判断出来。但如果采用复合材料，很难判断裂纹的严重程度——可能是表面裂纹，或者出现了分层，或者是其他情况，但这是否构成失效呢?很难断定。”
他补充道，对于复合材料来说，一个特殊的挑战就是要满足温度要求，特别是在超级跑车和动力汽车上的应用，较猛的刹车和较快的速度都会导致车轮温度升高。“这些测试非常严格，很难让复合材料通过终点线。”他说道，然而，随着越来越多的复合材料车轮被开发出来，国际标准化组织SAE International正在为复合材料车轮制定新的测试标准。
为了了解新的工艺技术和材料以便满足这些要求，同时也为了实现大批量的生产计划， Vision Wheel公司联系了位于美国田纳西州诺克斯维尔的先进材料和工艺创新研究所（简称IACMI）以及位于美国印第安纳州西拉法叶的普渡大学复合材料制造和模拟中心（简称CMSC），并由此结识了材料供应商美国IDI 复合材料国际公司（以下简称IDI）。
“减少材料成本和循环时间是两个主要目标。”IDI技术和应用工程总监 Kevin Cahill解释道，“基于我们在SMC（片状模塑料）和其他模压成型材料方面的经验背景，IDI对实现这两个目标成竹在胸。”
为确保材料的低成本，IDI和Vision Wheel先开始考虑采用一种由低成本、快速固化的乙烯基酯树脂与短切玻璃纤维和碳纤维的组合制成的SMC。“我们想要找到低成本的解决方案，它能够赋予我们所需的强度。”Mathew说道。经过大约3年的开发和迭代，结果，采用全碳纤维的SMC可以满足车轮对刚性的要求。
Cahill介绍说，虽然碳纤维SMC几乎满足了部件本身的要求，但在轮辐上，这种由不连续纤维增强的复合材料要承受车轮外侧的大应力还显得不够强大。因此，大约在3年前，他们决定在混合物中加入一定量的连续纤维，为此，Cahill和IDI求助于编织材料专家、位于美国俄亥俄州辛辛那提的A&P Technology公司（以下简称A&P）。此前，IDI与 A&P 已合作研究出一种一步法的工艺，可将A&P的编织织物共成型到 IDI 的SMC部件中，具体来说，就是采用A&P的QISO织物开发了一种复合材料的动力冲浪板。
SMC +编织的预成型件：经过几年的开发和测试，Vision Wheel公司当前的设计是，在轮辐中使用由连续的编织纤维增强的SMC。“针对车轮应用，终的答案是，采用一种在取向和定向增强方面更具各向异性的订制材料,它可以被用来在应力过高的特定区域补充SMC的不足。”A&P应用开发副总裁Mike Braley解释道。
为满足冲击试验要求,A&P的净形状、连续碳纤维编织织物预成型件被用到车轮辐条中，约占部件总重量的10%。“为优化编织结构，纤维与其将要承受的载荷保持一致，以便获得佳的结构和成本效益。”A&P 的COO Pam Schneider表示。Braley补充道，大的挑战在于如何确定纤维的取向，以及找到一种方法，确保在模压成型过程中，该编织物能够保持在位。
Mathew说：“终我们发现，通过添加编织的预成型件嵌入物，强度有了很大程度的改善，但我们仍看到了采用乙烯基酯带来的问题。”这使得团队转向将更高性能、更高成本的环氧树脂用于IDI的短切碳纤维增强SMC（Ultrium U660）和A&P的混合三轴编织的嵌入物中。
Cahill 解释说：“车轮的某些部分要求很厚，而在加热厚的部分时，乙烯基酯容易产生热问题。传统上，环氧树脂需要很长的时间才能固化——60～90min，或者，快速固化的环氧树脂可将固化时间缩短至10min，为此，我们采用了一种10min或不到10min就能固化的环氧树脂。所以，要满足汽车行业的节拍时间很有挑战性。”
碳纤维锻造
车轮的主筒和轮毂采用IDI的SMC材料通过模压成型工艺制成，轮辐采用A&P的编织预成型件在一个工艺步骤成型。考虑到商品名是Carbon Fiber Forged（碳纤维锻造）—— “我们想让大家看到，这些正在取代锻铝车轮。我们可以用几分钟而不是几小时做一个车轮。”Mathew 说道，Vision Wheel 公司目前还没有透露其工艺的细节。
“所有的工作都在美国完成。到2021年年底的年产量是8000个车轮。”他介绍说，下一个目标是，增加公司在阿拉巴马工厂的产能，至少达到每年50000个车轮。“长期而言，我们计划建造一个年产能100万个车轮的工厂。”他说道。
进入市场的批车轮以及下一个目标
Vision Wheel公司正在销售的批直接面向消费者的车轮包括20inch×9.5inch（50.8cm×24.13cm）的Mustang车轮和15inch×6inch（38.1cm×15.24cm）的UTV车轮，预计每个车轮的消费者购买价格将低于$2000。据说，这些车轮要比铝制车轮轻40%，比钢制车轮轻60%。对于高性能汽车和多用途地形车，这种车轮有助于提高性能和速度；而在电动汽车上，这种轻质车轮则有助于实现更好的性能和更长的续航里程。碳纤维的应用还有助于改善NVH性能，这对于乘用电动汽车市场非常有利。
与其他碳纤维复合材料车轮相比，这些车轮明显的优势是能够被大批量地生产出来。“还有其他一些优势没有这么明显，比如，我们不受风格上的限制。”Dudley表示。他也承认，从一开始就模仿Shelby GT铝制车轮并不是开发车轮的快方法，但是，从高性能、复杂的设计开始，先就意味着Vision Wheel 公司现在有信心设计出各种风格、形状和性能的车轮。
批直接面向消费者的车轮于2021年底上市了，下一步，Vision Wheel公司计划扩大生产规模，直接服务于OEMs（图片来自Vision Wheel）
Vision Wheel公司还制造没有金属凸耳螺母或其他连接件的100%复合材料的车轮。Mathew补充说，与市场上的其他产品相比，他们的材料和工艺成本相对较低。“到目前为止，由于生产成本太高，碳纤维车轮主要用于价值连城的超级跑车和赛车上，我们可以使我们的车轮进入中等价值的汽车市场，这就是我们认为的市场可以真正得到扩展的地方。我们试图进军3个市场：高性能赛道车辆、动力车辆，终是OEM 的乘用电动汽车。”Mathew 解释道。
Vision Wheel先瞄准前两个市场，并于2021年底开始销售其批直接面向消费者的车轮。“针对高性能和动力车辆市场，轻质车轮相当于更高的性能，而且这些车辆通常产量较低，所以显而易见是个市场目标。”Mathew表示，尽管我们的目标是扩大生产规模，直到Vision Wheel 能够将车轮销售给汽车OEMs 以用于高产量的电动汽车平台。“这才是我们真正想要的市场，因为量摆在那儿，所有的汽车制造商都会朝那个方向努力。”他说，Vision Wheel公司已经开始与该领域的几家OEMs展开初步探讨。
对IDI而言，与Vision Wheel公司合作凸显了对其SMC和A&P的编织预成型件的共成型应用。Cahill表示，IDI看到了将这些材料应用于电动汽车其他部件的潜力，如电池盖和其他的结构部件，以及应用于其他市场的潜力。“就耐久性、抗疲劳性和抗冲击性要求而言，车轮很难制造，有许多因素影响到材料和制造方法。鉴于大批量的生产能力，以及我们能够对不连续纤维和连续纤维进行共成型来优化部件并满足低成本、快节拍要求的能力，像城市空中移动和无人驾驶飞机等其他领域也会对此感兴趣。”他补充道。
