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比同类产品轻20% 3D纤维缠绕实现汽车座椅概念

2020年03月30日 星期一 来源:汽车材料网 我来说两句 保存为书签

环球聚氨酯网讯:对汽车行业以及诸如超级跑车和航空出租车等新兴市场具有潜力的一个创新项目,采用先进的有生产力的技术,重构汽车座椅,并根据需求,只在正确的地方使用正确的材料,并快速产生结果。

通过采用仿真驱动的设计方法、敏捷项目管理方法以及参与公司之间的紧密合作和系统集成,最终,开发出了金属-复合材料的超轻汽车座椅原型,从设计到制造,仅用了7个月的时间。

打造更好的座椅

多家德国公司合作,采用一种组合技术,开展了Ultra leichtbausitz(简称ULBS)超轻座椅的可行性研究。该项目的愿景是:创造一种超轻座椅概念,以在重量优化方面引领市场。

作为发起公司的csi entwicklungstechnik GmbH(简称csi)、Alba Tooling & Engineering(简称Alba)和Automotive Management Consulting(简称AMC,),与科思创、LBK Fertigung、Robert Hofmann和3D|CORE合作,开发了这种原型座椅概念。

该合作项目最终开发出的座椅原型重量略高于10kg,含坐垫、结构框架、功能嵌件和座椅控制等,这使其便于安装到汽车上。该座椅比市场上的同类轻量化座椅(其中许多为后市场座椅)轻20%。

ULBS项目负责人、CSI公司负责轻量化设计的Stefan Herrmann表示,目前市场上还没有重量低于12kg的竞争座椅。

“直接的对比通常不是一一对应的,因为后市场座椅对重量的定义通常不含有座椅控制。”Herrmann表示,“而且,与同等重量的座椅相比,ULBS座椅的舒适度要高很多。现有的座椅,通常是斗式座椅,虽然重量较低,却不太舒服;或者是传统的超级运动座椅,它们往往较重。

ULBS项目采用了几项创新技术,其中,基于xFK in 3D工艺技术的纤维粗纱骨架结构发挥了最重要的作用。

这项用于连续纤维粗纱沉积的获奖技术,其最根本的优势在于:

▶ 设计自由度;

▶ 能够通过仿真和材料优化,沿载荷方向准确铺放纤维;

▶ 能够简单、低成本且无浪费地应用纤维材料。

针对该框架结构中的载荷转移,使用了3D打印的部件:在载荷最大区域,如靠背装置,该座椅采用了高强度、高模量的不锈钢3D打印结构;在较低载荷区域,采用了铝制的3D打印部件。

该项目基于AMC发起的理念。专业生产汽车白车身结构以及汽车内外饰、并涉足碳纤维增强聚合物(CFRP)和增材制造的工程公司csi,负责该项目的监管和协调。

csi负责数字处理链领域中的工作包,包括该项目的造型、工程设计、表面设计、CAE仿真、拓扑仿真、验证仿真和虚拟确认。

ULBS项目之所以引人瞩目,不只是使用了创新材料和创新的生产方法,还包括能够在短短的7个月内,通过合作伙伴之间的紧密合作,开发出了含新组件设计的复杂部件。

缠绕骨架

在ULBS项目中,减重主要是通过采用AMC的xFK in 3D技术实现的,这是一种适用于缠绕部件的高度灵活、可配置、低成本且可持续的纤维复合材料技术。

xFK in 3D已在众多行业和众多市场领域的多种产品中得到应用。在JEC World 2018展会中,西格里集团就展示了一些采用该技术制成的汽车部件和自行车部件。由AMC开发的一种碳纤维自行车链环,与相应的铝制品相比,减轻了70%的重量。

xFK in 3D 工艺采用热固性树脂浸渍的连续纤维,以无废料的方式缠绕承载结构。由环氧树脂浸透的纤维粗纱被缠绕在固定装置或缠绕套管上,使纤维得到特殊排列,以便与每个部件的负载和所需功能相匹配。

“xFK in 3D的一个重要优势是,在载荷转移以及向结构中引入载荷时消除了薄弱点。”Herrmann解释道,薄弱点通常不是出现在结构的连续体中,而是出现在结构中引入载荷的区域,特别是相邻部件与结构相连接的地方。xFK in 3D技术支持跨连接的载荷转移,允许纤维根据所需的部件功能和负载情况进行排列,并按三维制造。

纤维缠绕工艺还会带来其他好处——它有助于最大程度地减少材料浪费,浪费的纤维粗纱不到1%。

在向AMC的技术负责人Clause Georg Bayreuther博士咨询后,csi认识到了xFK in 3D技术的优势,并设计了所要制造的ULBS座椅骨架。

Alba制造了用于生产CFRP座椅骨架的模具,并提供了工程支持。虽然该座椅骨架是由碳纤维缠绕而成,但天然纤维和玄武岩纤维也是很好的选择。

一种混合材料的结构

除了骨架,ULBS座椅原型还包括其他一些新的创新。Alba提供了模具,还提供了座椅泡沫体的工装、工程和制造支持并实施了座椅组装。一种纤维绒垫覆盖在座椅的CFRP骨架上,然后再覆盖上3D打印的PUR泡沫,坐垫由传统泡沫材料制成。

通过在座椅靠背的背板壳结构中应用3D|CORE,进一步减轻了重量。

3D|CORE是一种层内增强芯(简称IRC)材料,即以整体蜂窝形式存在的一种含挤出聚苯乙烯(XPS)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫芯体的结构夹层芯。在复合材料部件的生产过程中,该蜂窝结构由树脂填充,从而带来了极高的层内强度。

将3D|Core放在两层玻璃纤维之间,创造出一个预成型件,然后采用真空辅助树脂传递模塑成型(VA-RTM)工艺对其灌注热塑性环氧树脂。

科思创提供了其DisPErcoll粘合剂,以用作纤维绒垫和3D打印的靠背垫的粘合剂。Herrmann介绍说,Dispercoll粘合剂的力学性能确保了良好的耐磨性,这非常重要,因为垫子与骨架之间的表面接触,会引起绒垫磨损。

“如果你有单根纤维粗纱,当你把它放入织物中时,会导致硬的CFRP部件与绒垫之间产生微小移动,从而使座椅骨架部件与织物之间产生摩擦,最终破坏织物。”Herrmann解释道。

传统的座椅通常有较大的表面积用来支撑软垫,但采用xFK in 3D技术制成的骨架结构,接触表面积却较小。

“当xFK in 3D结构推动抓绒织物时,必须要采用一种特殊的且耐用的粘合剂,而这正是Dispercoll粘合剂所能提供的性能。”Herrmann补充道。

科思创还提供了据说是世界上第一个3D打印的软垫。虽然传统的座椅靠背通常采用的是由模具成型的泡沫,但就美观性、功能集成性和舒适性而言,由TPU制成的3D打印的座椅靠背垫,却进一步提高了ULBS座椅的灵活性和适应性。

未来的座椅

ULBS项目实现了几大目标。由该项目产生的概念,虽然尚没有走向市场,却具有服务于众多小众市场的潜力,如超级跑车、空中出租车、超轻车辆、微型移动车辆、直升机、多翼飞机和航空等。

不可否认,虽然比量产汽车座椅更贵,但ULBS项目却验证了几项减少浪费从而降低材料成本的技术。与其他碳纤维技术相比,xFK in 3D产生的浪费极低。实际上,整个项目旨在使用最少的资源以及只使用必要的最少的材料。ULBS还提供了采用可再生、可持续资源的可能性,比如在骨架结构、垫子和织物中使用天然纤维。

更重要的是,该项目证明了企业之间如何通过短而灵活的协作来缩短新产品的上市时间。这也是采用设计思维,通过关注功能要求以及展望未来应用和可持续发展目标而成功地将产品从概念转变成硬件原型的一个很好的例子。

 
 
 

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