建造新纪元 宝马i3生产过程揭秘

2014-12-18 08:09  作者: 陈翾

      【啊车网 技术】i3在我们的眼中，可以有太多的理由被称为一台引领时代的汽车：科幻独特的外观设计，高效节能的电动/增程式电动系统，从制造使用到回收的全方位环保理念，宝马i远程助理软件与无线可穿戴设备的无缝连接等等。当然，也包括了宝马创新的LifeDrive模块以及全球首款全面采用碳纤维增强复合材料(CFRP)材料的量产汽车等等，而碳纤维复合材料的大量运用以及LifeDrive模块结构也让i3的制造过程与一般车型有着显著的不同，现在就请大家与啊车君一起，走进宝马，一起探秘i3的生产过程。

从微米开始，碳纤维到Life模块的蜕变

      i3 创新的车体架构由两部分构成：一个部分是由铝合金材料制成、驱动车辆的 Drive 模块，其中集成了驱动系统、底盘、蓄电池、结构功能组件和防碰撞功能组件，另一个部分是碳纤维增强复合材料(CFRP) 制成、构成车厢主体的 Life 模块。其中CFRP材质在宝马i3上的应用比例以及使用规模，可谓是全球汽车业中少有的，而我们的讲述便是从一根细小到几乎可以说是微不足道的碳纤维说起。

      CFRP材料最原始的形态是一条直径大约只有头发的十分之一的聚丙烯腈纤维原丝，目前碳纤维的主要分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，其中聚丙烯腈纤维原丝制得的高性能碳纤维，其生产工艺比前两种简单且力学性能优良，适合大规模生产，目前使用这种原料生产的碳纤维产量约占全球碳纤维总产量的90%以上。

      在位于美国华盛顿州的莫西湖，宝马与西格里集团共同投资1亿美元建立了SGL ACF（Automotive Carbon Fibers）公司。聚丙烯腈纤维原丝被运到这里，在温度最高可达1400摄氏度的炉内，通过复杂的多级工艺流程、使用不同的温度和气压条件，将单条纤维上的各种元素分解成气态逐步去除，直至纤维几乎完全是由碳元素构成并且具有稳定的石墨结构，而这种碳纤维的直径仅有 7 微米（0.007 毫米）在这个过程当中，原本是白色的聚丙烯腈纤维原丝也逐步变为了黑色。处理完成之后，就像我们扭麻绳一般，大约每五万条经过处理的碳纤维会被编织为纤维束，以留待下一步的应用。

      莫斯湖工厂从 2011 年底开始生产这种碳纤维材料。该厂拥有两条生产线，生产能力达到每年 3,000 吨。同时，莫斯湖工厂生产所需要的电力全部来自于当地的水力发电厂，从而实现了 100% 无 CO2 排放，能源利用效率也位居同行业企业前列。从整个生产流程的第一步开始，宝马的全价值链内可持续发展理念就已被贯注其中。

      碳纤维的第二段旅程从美国来到了位于德国的瓦尔斯多夫，在这家宝马与西格里集团合资建立的企业里，在美国生产好的碳纤维束在这里将接受进一步的加工。根据不同部位部件的需求，碳纤维束将以不同方式进行排列堆叠，加工成为碳纤维无纺织物，在进行裁剪之后，就构成了在兰茨胡特和莱比锡的宝马工厂生产碳纤维增强复合材料部件和组件所需的原材料。另外，不要以为裁剪之后的下脚料会就这样被弃置掉，原材料可回收也是宝马可持续发展理念的其中一部分，碳纤维生产过程中的下脚料会在瓦科斯多夫工厂经过再加工，重新用于宝马i系列车型的生产。

      在瓦尔斯多夫经过了处理之后，经过处理的碳纤维织物被运送到了位于德国兰茨胡特和莱比锡的宝马创新和生产中心，在这里，碳纤维织物将发生质变，从原材料形态被加工成为宝马i3和i8的碳纤维车身部件。

      碳纤维的材料成本并不高，但以往完成品价格偏高其中一个重要原因就是批量加工的成本偏高。以往要将碳纤维原材料加工为部件，首先要将碳纤维泡在环氧树脂中，形成基本的片材，然后在高压容器中经过高温高压使片材通过模具成型，这样的过程耗时长，耗能大，对模具的损耗也不小，使得生产成本居高不下。而宝马采取的则是树脂传递模塑（RTM）工艺，首先会将碳纤维织物进行初步的预成型，然后将碳纤维放入到模具当中，在高压状态下将环氧树脂注入模具当中，通过精准的温度、压力和时间控制，使碳纤维和环氧树脂结合，并进行固化，最终形成具备优秀刚性的碳纤维板材。这个加工过程可以全程自动化进行，而高压高温的处理过程仅需大约5分钟，比起以往的数个小时大大缩短，同时生产过程中对于能源的消耗也将大大减少，时间成本与生产成本也同步降低。

      即便是一些比较复杂的车身部件，也能够通过这种设备以全自动化的方式生产出来，这将大大节约成本、提高生产效率，相对应的，以往的金属制车身，则需要采取焊接、铆接、螺丝连接等多种方式，将多个细小部件连结到大块部件上，工艺更为繁琐复杂。

      在大块的车身部件生产出来之后，厂方将对他们进行精加工，比如将部件的轮廓边缘进行打磨处理、在部件上开口、处理形成部件之间的粘结面等，不过他们所采用的并不是传统的砂轮、钻头之类的工具，而是采用了高压喷水切割机。我们都知道，水是很难被压缩的，高压水射流的强度不亚于金属，同时具备有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等优越性。

      在宝马莱比锡工厂的一个新建车间里，工人们开始像砌模型一样把之前成型的各个碳纤维部件组装起来，其实说起来，每辆汽车的制造过程其实都像是砌模型，不过宝马i3这套模型的零部件要少很多——就像我们之前说过的，早在碳纤维部件的成型过程当中，许多细小部件就已经被整合在一起了，因此i3的车身部件的数量只有普通钢制车身的三分之一——大约150个碳纤维部件。

      而碳纤维部件的结合更像是我们在砌模型——用胶水粘合。为了缩短固化时间，宝马专门研发了特种粘合剂，在涂敷到车身部件之后仅仅经过 90 秒就可以接受加工，然后才产生粘性，在经过一个半小时之后就已经固化，使车身组件具有完全的刚性，速度比普通工艺提升了10倍，而通过另外的热学加工，某些特定部位的固化时间甚至可以缩短至以分钟为计算单位。整个过程全部为自动化操作，包括粘合剂的涂抹、部件的对接等等，除了节约人力之外，也减少了粘合剂中的化学成分对人地健康的危害——生产过程中工作人员的健康与愉悦也是宝马全价值链内可持续发展目标的其中一项重要内容。

      我们还可以通过以下的这段视频，更形象具体地了解宝马是如何用CFRP材质来打造i3的Life模块的。

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      一段视频不够？啊车君再送一段给大家。

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      在所有部件粘合完成之后，由CFRP材质打造的Life模块也已经基本成型了，下面让我们去了解Drive模块的打造过程。

铝合金的盛宴 电池与电机的舞台

      介绍完Life模块，我们把目光转向Drive模块。相比采用碳纤维增强复合材料打造的Life模块，采用铝合金打造的Drive模块听起来没有那么高精尖高大上，但技术含量一点也不逊色，要知道，以铝合金打造底盘部件也是宝马最拿手的技艺之一。

      宝马的丁格芬工厂负责打造i3的铝合金底盘，同时也负责锂离子蓄电池和变速箱等的组装工作。宝马i3的Drive模块由大约160个零部件焊接组成，铝合金的框架和铸造部件通过总长达19米的焊缝被连接在一起，为i3提供轻量化底盘的同时，也保证了底盘的结构强度。

      在底盘架构的间隙之间，厂方则放置了i3所采用的锂离子蓄电池。i3锂离子电池由三星提供,每辆车的电池8个电池包组成,每个电池包内装有12个方形锂离子电池单元。额定电压360V, 净容量18.8千瓦时。每个电池单元都有铝合金外壳保护，在安装过程当中，机器人会将电池包抬高并嵌入底盘模块的铝合金蓄电池槽当中，并安装盖板和底板。Drive模块的铝合金框架结构为蓄电池提供了理想的防护，而安装在底盘部位的电池组在保证车身低重心的同时，也实现了最佳的重量分配比例，对提升车辆行驶动态和稳定性大有好处。

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      到这里，i3的生产过程即将进入最后的阶段，啊车君将和大家一起来到宝马的莱比锡工厂，一起见证宝马技术结晶诞生的一刻。

双线总装 高效环保

      在莱比锡的生产车间里，宝马历史上首次使用了一种双线系统，也就是在一条独立的生产线装配 Life 模块，在另一条生产线装配 Drive 模块。

      在Drive模块这边，重量为230千克的锂离子蓄电池会被集成到铝合金底盘架构当中，并以螺钉与底盘架构相连，同时，电动机、变速箱以及是选装的増程发动机也将在莱比锡工厂这里与Drive底盘模块进行连接。在装配了在丁格芬工厂已经预装好的前桥支架和其它车身结构件之后，BMW i3 的 Drive 模块就可以进行最后总装了。

      有了骨架还得加上层皮，i3是宝马旗下首款采用塑料蒙皮的车型，其重量比钢板的重量减轻了一半，同时，塑料蒙皮还有轻微碰撞不易变形、不易受腐蚀、生产过程更为节能环保等优势。塑料蒙皮的涂装采用了干燥分离技术，不会产生污水，耗电量只有同类水平的四分之一。此外，涂装一辆宝马i3 的用水量比普通车型降低了70%。

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      碳纤维增强复合材料打造的车厢来到总装车间之后，将在Life模块的专属生产线上加装设备，包括像是驾驶舱部件以及客户选装部件等等。在这些工作完成之后，激动人心的时刻即将到来。

      两个工业机器人会将粘合剂涂到 Drive 模块上，然后将这个模块送入车身拼装工位，并对齐安装位置。一个抓取式机械手则将 Life 模块放到 Drive 模块上，在车身自重的作用下开始执行拼装工艺。 不过不用担心只用胶水的话这两个模块的连接是否牢靠，其实Life和Drive模块之间还会通过四个螺钉进行连接固定，以确保万无一失。

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      所有部件组装完毕之后，和别的宝马车型一样，i3也需要经过严格而全面的质量检查，以保证其品质和宝马的传统车型保持同样的水准。然后，宝马i3就将驶下生产线，前往全球各地，接受消费者的检验。

新理念制造新纪元

      纵观宝马i3的整个生产过程，有几个明显的特点可谓贯穿始终。首先是高度的机械化，机械化虽然不算新闻，但在整个i3的生产过程当中，机器人的大量采用已经让生产过程已经基本实现自动化，人手操作仅局限在了最低程度上。除了明显提高生产效率之外，减少制造误差之外，人力成本也得以大幅降低。

      此外，环保与可持续发展的理念也贯穿宝马i的整个生产流程。i3大量使用可回收材料制造，同时全面采用水电和风电等可再生能源。除了莫斯湖工厂全部采用水电之外，莱比锡工厂则建立了四座风力发电机，年发电量高达26千兆瓦时，可满足整条i生产线的用电需求。i生产线目前每天可生产100辆左右i3和10-12辆左右的i8, 制造过程比传统汽车制造节电50%，节水70%。

      电动汽车常常以环保自我标榜，但使用过程当中的零排放零污染仅仅是环保的其中一个方面，而不少人也开始反思电动车在生命周期前后对环境所造成的危害或许更甚于传统车型。只有从产品的制造使用到报废回收的全过程都将环保与可持续发展的理念贯穿其中，在每一个环节中都尽量减小对环境的损害，这样才能真正称得上是全面的环保与可持续发展，而宝马在i系列车型的打造过程当中也正是这样做的。i系列车型在技术层面上未必有脱胎换骨的革命性突破，但其对于环保的全面重视更值得我们关注。