该车的碳纤维增强聚合物 (CFRP) 车身在 Aptera 工厂的组装阶段。碳纤维车身 (BinC) 结构方法采用与 CPC 集团合作开发的碳纤维片状模塑料 (CF-SMC) 技术，以实现高强度重量比和生产可扩展性。
Aptera（美国卡尔斯巴德）是一家加利福尼亚州的初创公司，正在开发一款太阳能电动汽车 (sEV)，该汽车续航里程为 1,000 英里，并且由于太阳能电池板在行驶或停车时提供 700 瓦的持续充电功率，因此无需充电。然而，这种性能要求在效率方面达到新的极致——既要符合空气动力学外形，又要轻量化。复合材料有助于实现这两个目标，车身由碳纤维或 BinC 组成，据报道，它可以回收五次，并且具有超低的二氧化碳生命周期成本。这也符合 Aptera 的可持续发展目标。
Aptera 与复合材料零件供应商 CPC Group（意大利摩德纳）合作，其 BinC 仅由六个主要部件组成——车身、防滚架、两个车顶板和两个侧板，全部由碳纤维片状模塑料 (CF-SMC) 与玻璃纤维片状模塑料 (GF-SMC) 组合而成。随着该公司开始量产（预计 2024 年），CW的特约撰稿人 Stewart Mitchell 与 Aptera 联合创始人 Steve Fambro 进行了交流，进一步讨论了 Aptera 对复合材料的使用、与 CPC 的合作、sEV 的设计和制造流程、Aptera 的生产目标和指标等。
《复合材料世界》（CW）：您能否介绍一下将碳纤维复合材料融入Aptera车辆结构的背景和方法，以及您可能考虑过的相对于传统框架的主要优势？
Steve Fambro (SF)：我涉足复合材料领域的故事可以追溯到我第一次考虑创办公司的时候，大约是在 2005 年。当时，我正在考虑制造一款具有空气动力学外形的汽车，我知道要让电动汽车 (EV) 实现超长的续航里程，它必须非常轻，并且阻力系数或阻力积要低。从那时起，我开始探索复合材料的使用，因为我是一名私人飞行员，并且有复合材料飞机的经验，特别是DiamondAircraft。
最初，我想建造一个受 Burt Rutan 设计的 Long-EZ 启发的东西，这是我第一次接触结构复合材料。我阅读了所有关于 Burt Rutan 的资料，并购买了他的小册子和培训视频，学习如何制作复合材料部件。我开始用泡沫芯、Divinycell、单向和双向纤维制作手工铺设的小梁。Rutan 的手册中有一个小测试，人们可以通过做这个测试来更熟悉复合材料——你建造这些梁，用双端支撑它们，然后站在上面。能够用这些轻质梁支撑我的体重让我印象深刻，并给了我进一步探索复合材料的信心。
我继续我的旅程，购买实验飞机的蓝图，学习一切我能学到的复合材料知识。我甚至回到了德哈维兰蚊式轰炸机，这是第一架复合材料飞机。我学会了使用端纹轻木作为核心材料，并探索了挂载点。我学会了如何在复合材料面板上施加负载——无论是沿着面板施加还是垂直施加，以及挂载点需要什么样的材料。德哈维兰的做法不同，他们使用圆形硬木圈来固定这些负载。
在我学习这些知识的时候，恰好遇到了 Aptera 的另一位联合创始人 Chris Anthony。Chris 拥有一家船舶公司 Epic Boats，他使用真空树脂灌注船底制造这些轻型夹层船。这是一艘滑水板船，一种非常特殊的休闲水上交通工具，它有一个泵系统，可以抽水作为压舱物来增加其重量并产生超大尾流。由于重量轻，这艘船可以更容易拖曳，并且拖曳所需的能量更少；它可以用一辆小型汽车拖曳。
我和 Chris 是通过一个共同的朋友认识的。我当时正在把所有的复合材料都送到他工作的公司，一位朋友认出了这些树脂之类的东西。她说：“嘿，我有个朋友在建造这家船舶公司。你们应该聊聊。”我们就这样认识了，也就这样一起开始了复合材料之旅。
Aptera 联合创始人 Steve Fambro 推动了 SMC 复合材料在汽车设计中的创新应用。来源（所有图片）| Aptera
当时，我们对如何制造复合材料汽车有不同的想法和方法。我想使用一堆经过 CNC 切割的平面面板，然后将它们粘合在一起制成一个结构，并在其上放置一个简单的气动外壳。Chris 认为我们应该制造尽可能少的零件，并尽可能长且连续，以使其更坚固、更轻。我们聘请了一位复合材料专家来帮助裁定，他很快就同意了 Chris 的意见。
我们开始建造一些类似老式 Aptera 的部件，它是绿色的 Divinycell。这都是开模真空树脂灌注，是一种轻质、高性能的结构。然而，这些结构需要大量的劳动力，不仅要切割布料，还要将其铺在正确的方向，准备模具等等。树脂灌注复合夹层板的劳动力没有真正的自动化方法，至少我们还没有见过。
当我们在 2019 年开始时，我们完全准备好使用这种方法，因为我们认为每年可以手工生产 1,000-2,000 辆汽车。然后，当我们推出这个概念时，我们在第一周就收到了 1,000 份 Aptera 订单，我们意识到手工生产是不可能的。我们需要数千名员工来实现这一目标，可变性太高，需要数百套模具，这是不可行的。
在早期阶段，我们仍在挑战极限，并与圣地亚哥一家使用紫外线固化树脂的当地公司合作。我们用这种树脂制造了所有部件，其循环时间非常快。然而，它仍然不可扩展，因此我们聘请了现任工程副总裁 Akos Feher 来为我们寻找生产这些批量结构的最佳方法。他向我们介绍了 CPC 集团（意大利 Moderna），他们生产的部件的精度和质量给我们留下了深刻的印象。很明显，他们的方法最适合我们的需求，并将帮助我们实现我们期望的效率和一致性水平。我们很快开始与 CPC 合作，作为我们的制造合作伙伴，并且已经共同取得了惊人的成果。
CW：精致车身设计和批量生产之间的平衡点在哪里？
SF：在 Aptera 内部讨论复合材料主题时，我们注意到宝马i3汽车是一个很好的例子。然而，经过仔细检查，我们发现 i3已经相当过时了，尤其是在 2019 年。Monroe 拆解报告就证明了这一点，该报告对汽车的部件进行了详细分析，为汽车的碳纤维拆解及其组装方式提供了宝贵的见解。
CPC 已积累了设计此工艺零件、在内部进行模拟和验证的专业知识。我们非常依赖他们的专业知识来为我们的项目选择合适的材料。
迪芬巴赫为宝马生产的复合材料部件尤其引人注目。虽然使用卷带或具有不同纤维取向的定制坯料是制造这些部件的有效方法，但它仍然需要较长的循环时间和大量的人工操作。这使得扩大生产规模以实现大批量生产变得具有挑战性。
从宝马在市场上取得的成功来看， i3显然被视为一款在美国销量不佳的小批量汽车，年销量为 10,000 至 11,000 辆。然而，这并不意味着宝马无法生产更多产品；它只是需要大量资金来建立一家生产这些部件的工厂。这对 Aptera 团队来说是一个关键障碍，因为我们不确定我们是否能筹集到达到该生产水平所需的资金。因此，我们需要找到一种替代方法来生产所需的部件，这促使我们探索其他选择。CPC 的 SMC 车身部件制造方法是更适合 Aptera 需求的正确方法。
CW：您能否详细介绍一下碳纤维车身结构中使用的纤维和树脂系统的具体类型？这些材料是如何选择的？在确定其结构性能时考虑了哪些因素？
SF：在 Aptera 项目中，我们的合作伙伴摩德纳的 CPC 在材料选择以及确定结构性能的因素方面发挥了重要作用。与他们合作使我们的经验水平有了很大的提高。Chris 和我之前曾使用过开模树脂灌注，但与 CPC 合作，我们能够使用更先进的闭模 CF-SMC 工艺。CPC 已经拥有为各种超级跑车制造商、主流 OEM 和其他白标应用生产这些零件的业务。他们高度集成，制造工具，生产零件，甚至将它们组装成子结构或整个结构，作为 OEM 的白标产品。
过去几年，CPC 已积累了设计此工艺部件、在内部进行模拟和验证的专业知识。我们在为我们的项目选择合适的材料时，很大程度上依赖他们的专业知识。当时，三菱（具体来说是三菱人造丝或三菱化学）拥有 CPC 的大量股份，但仍是少数。去年，三菱完成了对 CPC 的全面收购，虽然业务和人员正在过渡，但这个过程将持续几年。对于我们的特定产品，CPC 选择了三菱产品，他们在 Aptera BinC 中使用了专有的树脂基质。我不能透露确切的配方，但选择它是为了尽量减轻重量、最大限度地提高强度，并确保产品能够按照我们需要的速度生产。
CW：SMC 消除了基于取向的性能。您能描述一下定义部件特征的过程吗？您能为任何面板提供一些具体的刚度数字吗，这将有助于读者更好地了解这些部件的强度？
Aptera 复合材料底盘的内部视图展示了 BinC 部件的规模和集成度。据说 BinC 是 CPC 有史以来在 SMC 中生产的最大部件。
SF：在我们的项目中，我们没有为每个面板属性提供具体指标。相反，我们专注于车辆级目标，例如扭转和弯曲力矩、共振和频率模式。我们知道 SMC 或 CF-SMC 不会生产出像夹层芯一样轻的面板。然而，我们的主要目标是找到一种清晰的方法来准确模拟材料。
有限元分析 (FEA) 是开发过程中的一个重要部分。我的专业是电气工程。FEA 在电气和物理领域都很相似，并且对界面的不连续性和材料变化很敏感。建模材料帮助我们预测了故障点，但仅此而已。但是，我们使用的材料具有良好的特性，因此建模起来几乎和铝或钢一样简单。这种材料的特性是 CPC 开发的研发和知识产权 (IP) 的结果。我们的车辆有一个复合材料桶、车身内部的滚动结构以及前后铝制副车架。为了模拟碰撞，需要完全理解和修改材料。软件模型中很好地理解了材料，让我们可以信任模拟。虽然与带有泡沫芯的夹层结构相比，我们可能放弃了一些重量优势，但我们获得了整体生产力和设计稳健性。我们在实际生活中进行碰撞测试之前就已经非常清楚车辆的性能。
CW：该材料是否是各向同性的并且在各个方向上表现出一致的纤维行为？
SF：制造这些部件的过程需要高度的精确性和对细节的关注。制造过程中使用的纤维必须保持随机性，不能对齐或凝结，这需要大量的专业知识和经验。这是通过多年的研发实现的，包括模具设计和模拟在 5,000 吨压力下流过模具的材料。模拟必须与实际行为精确相关，以确保一致性，这对最终产品至关重要。当您与 CPC 签约时，所有这些专业知识和知识都已到位，因此无需重新发明轮子。
我发现，限制这些电动汽车在高速公路上行驶里程的主要因素是阻力。事实上，这些汽车所消耗的能量中有一半以上都用于排出空气。
CW：是否专门为生产该产品开发了一种新颖的制造方法，或者它是为此目的而改进的现有工艺？
SF：通过与 CPC 及其合作伙伴公司的合作，我们能够在不到一年的时间内利用他们的大量知识设计和制造 BinC，并使用利用现有复合材料和仿真技术的制造工艺。我们从由树脂灌注部件制成的基本设计开始，凭借材料知识和仿真能力，我们能够快速迭代制造 SMC 车辆所需的设计变更。最终我们得到了坚固、耐用和可靠的结构，我们可以将其投入制造过程，并在短短一年内准备好投入生产。该工艺效率很高，已经用于其他大批量客户，尽管尚未公开。通过与 CPC 合作的意大利供应商生态系统，我们拥有一个精简的流程，可以节省时间，并可能节省数十亿美元的设计成本。
CW：将太阳能电池板集成到结构中是一项独特的建筑特色。从结构上看，太阳能电池板的集成程度如何？集成太阳能电池板需要克服哪些具体的技术挑战？
SF：我们车辆的面板设计面临多项挑战，其中最大的挑战是不同材料之间的热膨胀系数 (CTE) 差异。为了解决这个问题，我们决定使用化学强化玻璃材料来制作太阳能电池阵列，这些材料具有良好的 CTE，可以与 BinC 结构相匹配，而无需较大的间隙和密封。这种设计还提供了更美观的外观，并确保了更好的空气动力学性能。
BinC 结构中使用的 CF-SMC 门中的集成固定点的特写。
最初，我们曾考虑将太阳能电池板嵌入复合板本身。然而，我们面临着几个技术挑战，包括树脂变黄以及需要适当的紫外线稳定剂来粘合电池表面化学物质。因此，我们决定将面板分开并可拆卸，以便于维修，并选择了一种可以增加车辆强度的结构设计。这也促使我们决定使用所选的太阳能电池板材料，以使两种材料的 CTE 更加接近一致。这种设计不仅确保了面板的坚固耐用，而且还方便维修和升级。
尽管我们可以选择将面板结构性地粘合到复合材料上，但我们选择将它们做成可拆卸的，以提高可维护性。这种设计类似于挡风玻璃可以从车辆框架上拆卸下来。
我们的大部分知识产权都与太阳能电池板的设计和制造有关，为了实现这一目标，我们在太阳能领域投入了大量精力。我们曾设想过将太阳能电池嵌入复合板本身，并进行了实验，但技术挑战太大，无法使这种设计适用于公路车辆。不过，我们可能会考虑将这种设计用于空中作业。
CW：太阳能电池板的结构由玻璃制成，是否采用了新技术和材料科学？这是太阳能电池板的一个新特点吗？
SF：我不想透露有关太阳能电池板的更多信息，因为这可能会让太阳能设计团队感到不安。但是，我们有一个业务开发团队，目前正在将我们的太阳能技术应用于各个细分市场。这项技术为广泛的个人提供了价值，而不仅仅是 Aptera 汽车的用户。此外，我们的聚合物基系统非常适合重量和成本是关键因素的应用。另一方面，对于高性能和耐用的应用，我们的玻璃基技术是必经之路。它是一种薄的化学强化材料，非常坚固耐用。
CW：太阳能电池板和车身之间的接口是什么？它是如何处理 CTE 的？
SF：太阳能电池板粘合在前引擎盖、仪表板或插入面板、车顶和后甲板上。它们采用粘合工艺连接，可提高车辆的结构刚度和弹性。特别是后甲板，由于其尺寸较大，是一个具有挑战性的部件，可能是有史以来一次性制造的最大面板。然而，所有组件都以类似的方式粘合以形成一个封闭部分，如 D 型通道，从而增强了它们的整体强度和耐用性。
CW：您能否确认太阳能电池板的所有部分是否形状一致，或者它们是否经过特殊弯曲以适应不同的车身部件？某些部件与特定部分的兼容性是否有任何限制？例如，部件 A 是否只能适合部分 A，是否有特定部件适合部分 A 而不适合其他部分？
SF：汽车的引擎盖和车顶具有保形的 3D 曲面部件，这些部件只能沿一个方向安装，并模仿汽车的形状。这对我们的 IP 来说是一个挑战，因为我们必须使大型面板保形，并构建电池，而不会破坏它们或造成会导致过早失效的微裂纹。这是我们过去几年工作的重点，我们已成功设计所有面板，使其与汽车表面保形，正如 CAD 中预期的那样。
Aptera 碳纤维后甲板结构的详细视图，专为集成专有太阳能电池板而设计。在这里，详细的材料科学满足太阳能电池板阵列工程要求，包括热膨胀和结构完整性。
太阳能汽车的设计引发了人们对热膨胀和其部件之间粘合的担忧。必须考虑车辆的表面处理和将底板连接到汽车框架的子结构，以应对由于暴露在阳光下而发生的热膨胀。最终结构是通过粘合太阳能电池板而形成的，但也需要考虑粘合和副车架，尤其是与 CTE 相关的问题。i3拆卸过程揭示了材料使用和这些材料的 CTE 方面的一些复杂性。i3汽车使用大约 20 种不同的结构粘合剂，其 CTE 各不相同，具体取决于粘合的材料。然而，由于我们与 CTE 具有高度的兼容性，我们只使用一种粘合剂。我们通过重新审视面板设计并将 CTE 与 CF-SMC 基质对齐，确保避免对不同的绝缘部分使用不同的粘合剂配方。
CW：由于复合材料对紫外线敏感，您能解释一下这种特殊结构如何能够承受频繁的阳光直射吗？
SF：我们车辆的外表面，尤其是上半部分，主要由玻璃太阳能电池板组成，可提供出色的隔热效果。为了保护车门和侧面，我们使用 3M 薄膜包裹而不是给车辆喷漆。这让我们节省了建造新喷漆车间的成本，在美国，建造新喷漆车间的成本可能高达数亿美元，同时也对环境更有利。使用包裹是一种经济高效且可靠的解决方案，可提供强大的性能，并允许在颜色选项方面进行更大的定制。这种方法消除了生产挥发性化学物质和气溶胶的需要，而这些物质的控制可能具有挑战性。
CW：在设计您的车辆时，您在多大程度上考虑了可修复性策略和车辆使用阶段的延长？具体来说，您考虑了所需的粘合剂数量，但您是否也考虑了参与车辆维修的人员（包括未来的合作伙伴）所需的技能和维修方法？此外，车辆的 CF-SMC 结构设计是否考虑了可修复性？
SF：我们的主要目标是让客户放心，如果太阳能电池板出现无法修复的损坏，可以轻松拆卸和更换。我们还希望为未来做好准备，因为太阳能电池的效率正在不断提高。这意味着人们可能希望升级他们的太阳能电池板，以便将来使用更新的电池技术获得更好的能量输出。虽然粘合剂的选择和可修复性是重要因素，但在维修过程中很难强制使用正确的粘合剂，尤其是在某些地区无法获得某些粘合剂的情况下。
CW：空气动力学领域在确定这款车的行为及其整体设计、结构和性能方面起着至关重要的作用。您能否详细介绍一下空气动力学轮廓的起源以及它的设计灵感？
SF：2003-2004 年，在电动汽车尚未商业化之前，我开始对制造电动汽车感兴趣，作为一种爱好。当我与将汽车改装成电动汽车的人交谈时，我意识到他们中的大多数人只能行驶 30-40 英里才需要充电。我很好奇为什么会这样，所以我使用 MATLAB 进行了一些计算。我发现限制这些电动汽车在高速公路上行驶范围的主要因素是阻力。事实上，这些车辆消耗的能量中有一半以上用于排出空气。我觉得这很浪费，我想知道为什么汽车设计师会故意设计出如此低效的设计。
我开始研究低阻力车辆，并发现了车身和地面效应的表皮效应。如果汽车采用底部平坦的泪滴形，这些影响就会最小化。这可以显著减少阻力。我相信，通过让两个人围坐在模仿这种效果的形状中，我们可以制造出比传统设计更节能的车辆。这启发我设计了自己的低阻力车辆，这最终成为我们制造的 Aptera 车辆的基础。Aptera 车辆大量借鉴了航空航天工业和方程式赛车设计中的概念，特别注重前悬架系统，如叉骨悬架，以及外轮的使用。
这一概念面临着阻力，因为太阳能侧需要大型面板结构，同时仍需保持空气动力学形状，以将阻力降至最低。大多数高性能太阳能汽车都很有效，但它们缺乏车厢空间，乘客坐着向外看会感到不舒服。在诸如太阳能挑战赛之类的比赛中，太阳能汽车使用低阻力自行车轮、简陋的座椅，并在汽车前部留有小槽，方便驾驶员透过小槽观察外面。因此，挑战在于最大限度地扩大体积以容纳太阳能电池板，同时保持光滑的空气动力学形状。
BinC 内门板结构具有重要的结构工程要求，包括侧面碰撞性能和轻量化。
在都灵汽车博物馆，我第一次看到了太阳能汽车。它在一个圆形的设施中展出，在一个展示未来技术的大厅里。除了其他有趣的概念车外，他们还有一辆壳牌环保马拉松汽车，它看起来像一个带轮子的棺材——小得难以置信。司机必须躺在车里，面朝一个缝隙。我一直以为这些车会更大，但它们非常小。由于我们采用了更大的空气动力学设计，我们有更大的浸湿面积，这增加了表面阻力。然而，这也给我们提供了足够的表面面积来安装太阳能电池板。
CW：您如何分析碰撞安全性和复合材料在压缩（尤其是高速压缩）下的行为？我不确定特定数量车辆的碰撞可行性的具体规定，但考虑到收到的订单数量众多，我认为全面制造、安全测试和认证是必要的。您能否提供有关如何规划此车辆的碰撞安全性和复合材料压缩行为的信息？
SF：我们的大部分车辆设计都符合美国摩托车标准，但我们选择更进一步，按照汽车安全标准进行设计。我们的车辆配有安全气囊，以及金属和复合材料结构的组合，可提供碰撞和翻滚保护。我们使用 FEA 和碰撞建模来确保车辆的安全性。在最新的软件模拟中，我们展示了我们的设计对侧面和正面碰撞的有效性。我们的车辆有一个碳纤维防滚架和一个连接到横向结构的钢管。我们使用金属和复合材料的组合来提供碰撞保护，但我们将来可以在某些区域使用膨胀工程泡沫。在碰撞场景中，复合材料会与金属结构相互作用，需要精心设计的主安全单元来承受这些相互作用。
CW：您对碰撞场景中复合材料的行为及其与金属结构的相互作用进行了哪些具体研究？
SF：CPC 开发了一种创新的汽车零部件设计方法，其竞争对手尚未达到同等程度。他们在强度、安全性和重量方面有具体的目标，旨在通过材料选择、厚度和钢或铝的等级来实现这些目标。他们使用模拟来确定最佳材料并相应地调整设计。他们对钢或铝的使用没有任何固定的规则；这是根据具体情况确定的。他们在复合材料中设计了硬点，这些硬点是根据 X、Y 和 Z 方向上的负载和力建模的。这种方法确保了强度的一致性和质量的可重复性，这些硬点背后的科学保证了每个部件都具有一定的可重复性能。
CW：您能详细介绍一下这款车的生命周期可持续性吗？除了使用太阳能和在世界某些地区不消耗化石燃料运行的潜在能力外，还有其他可持续性特征吗？
SF：Aptera 车辆使用的复合材料可回收利用多达五次，这是行业的新发展。由于其抗疲劳和防锈性能，其使用寿命比传统钢或铝结构长得多。油门踏板和刹车踏板由重新利用的旧滑板甲板制成，这些滑板甲板经过精心挑选，以确保没有结构问题，并经过表面处理，使其具有砂纸质感。车辆使用的织物和材料由重新利用或回收的材料制成，并加入一些创新的生物产品，如菠萝和蘑菇皮革。Aptera 并不想显得纯粹或环保，而是试图创造一些可持续的东西，以履行我们的使命。此外，我们正在开发语言来帮助客户理解车辆如何能在他们的家庭中世代相传，从而导致对结构使用寿命和实用性的不同思考方式。最后，我们正在质疑汽车行业过度生产的不正当动机，并试图挑战人们每隔几年就需要买一辆新车的观念。