對(duì)汽車行業(yè)以及諸如超級(jí)跑車和航空出租車等新興市場(chǎng)具有潛力的一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目，采用先進(jìn)的有生產(chǎn)力的技術(shù)，重構(gòu)汽車座椅，并根據(jù)需求，只在正確的地方使用正確的材料，并快速產(chǎn)生結(jié)果。
通過(guò)采用仿真驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法、敏捷項(xiàng)目管理方法以及參與公司之間的緊密合作和系統(tǒng)集成，最終，開(kāi)發(fā)出了金屬-復(fù)合材料的超輕汽車座椅原型，從設(shè)計(jì)到制造，僅用了7個(gè)月的時(shí)間。
打造更好的座椅
多家德國(guó)公司合作，采用一種組合技術(shù)，開(kāi)展了Ultra leichtbausitz（簡(jiǎn)稱ULBS）超輕座椅的可行性研究。該項(xiàng)目的愿景是：創(chuàng)造一種超輕座椅概念，以在重量?jī)?yōu)化方面引領(lǐng)市場(chǎng)。
作為發(fā)起公司的csi entwicklungstechnik GmbH（簡(jiǎn)稱csi）、Alba Tooling & Engineering（簡(jiǎn)稱Alba）和Automotive Management Consulting（簡(jiǎn)稱AMC，），與科思創(chuàng)、LBK Fertigung、Robert Hofmann和3D|CORE合作，開(kāi)發(fā)了這種原型座椅概念。
該合作項(xiàng)目最終開(kāi)發(fā)出的座椅原型重量略高于10kg，含坐墊、結(jié)構(gòu)框架、功能嵌件和座椅控制等，這使其便于安裝到汽車上。該座椅比市場(chǎng)上的同類輕量化座椅（其中許多為后市場(chǎng)座椅）輕20%。
ULBS項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、CSI公司負(fù)責(zé)輕量化設(shè)計(jì)的Stefan Herrmann表示，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有重量低于12kg的競(jìng)爭(zhēng)座椅。
“直接的對(duì)比通常不是一一對(duì)應(yīng)的，因?yàn)楹笫袌?chǎng)座椅對(duì)重量的定義通常不含有座椅控制。”Herrmann表示，“而且，與同等重量的座椅相比，ULBS座椅的舒適度要高很多。現(xiàn)有的座椅，通常是斗式座椅，雖然重量較低，卻不太舒服；或者是傳統(tǒng)的超級(jí)運(yùn)動(dòng)座椅，它們往往較重。”
ULBS項(xiàng)目采用了幾項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，其中，基于xFK in 3D工藝技術(shù)的纖維粗紗骨架結(jié)構(gòu)發(fā)揮了最重要的作用。
這項(xiàng)用于連續(xù)纖維粗紗沉積的獲獎(jiǎng)技術(shù)，其最根本的優(yōu)勢(shì)在于：
?設(shè)計(jì)自由度；
?能夠通過(guò)仿真和材料優(yōu)化，沿載荷方向準(zhǔn)確鋪放纖維；
?能夠簡(jiǎn)單、低成本且無(wú)浪費(fèi)地應(yīng)用纖維材料。
針對(duì)該框架結(jié)構(gòu)中的載荷轉(zhuǎn)移，使用了3D打印的部件：在載荷最大區(qū)域，如靠背裝置，該座椅采用了高強(qiáng)度、高模量的不銹鋼3D打印結(jié)構(gòu)；在較低載荷區(qū)域，采用了鋁制的3D打印部件。
該項(xiàng)目基于AMC發(fā)起的理念。專業(yè)生產(chǎn)汽車白車身結(jié)構(gòu)以及汽車內(nèi)外飾、并涉足碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）和增材制造的工程公司csi，負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的監(jiān)管和協(xié)調(diào)。
csi負(fù)責(zé)數(shù)字處理鏈領(lǐng)域中的工作包，包括該項(xiàng)目的造型、工程設(shè)計(jì)、表面設(shè)計(jì)、CAE仿真、拓?fù)浞抡?、?yàn)證仿真和虛擬確認(rèn)。
ULBS項(xiàng)目之所以引人矚目，不只是使用了創(chuàng)新材料和創(chuàng)新的生產(chǎn)方法，還包括能夠在短短的7個(gè)月內(nèi)，通過(guò)合作伙伴之間的緊密合作，開(kāi)發(fā)出了含新組件設(shè)計(jì)的復(fù)雜部件。
纏繞骨架
在ULBS項(xiàng)目中，減重主要是通過(guò)采用AMC的xFK in 3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這是一種適用于纏繞部件的高度靈活、可配置、低成本且可持續(xù)的纖維復(fù)合材料技術(shù)。
xFK in 3D已在眾多行業(yè)和眾多市場(chǎng)領(lǐng)域的多種產(chǎn)品中得到應(yīng)用。在JEC World 2018展會(huì)中，西格里集團(tuán)就展示了一些采用該技術(shù)制成的汽車部件和自行車部件。由AMC開(kāi)發(fā)的一種碳纖維自行車鏈環(huán)，與相應(yīng)的鋁制品相比，減輕了70%的重量。
xFK in 3D 工藝采用熱固性樹(shù)脂浸漬的連續(xù)纖維，以無(wú)廢料的方式纏繞承載結(jié)構(gòu)。由環(huán)氧樹(shù)脂浸透的纖維粗紗被纏繞在固定裝置或纏繞套管上，使纖維得到特殊排列，以便與每個(gè)部件的負(fù)載和所需功能相匹配。
“xFK in 3D的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是，在載荷轉(zhuǎn)移以及向結(jié)構(gòu)中引入載荷時(shí)消除了薄弱點(diǎn)。”Herrmann解釋道，薄弱點(diǎn)通常不是出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的連續(xù)體中，而是出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中引入載荷的區(qū)域，特別是相鄰部件與結(jié)構(gòu)相連接的地方。xFK in 3D技術(shù)支持跨連接的載荷轉(zhuǎn)移，允許纖維根據(jù)所需的部件功能和負(fù)載情況進(jìn)行排列，并按三維制造。
纖維纏繞工藝還會(huì)帶來(lái)其他好處——它有助于最大程度地減少材料浪費(fèi)，浪費(fèi)的纖維粗紗不到1%。
在向AMC的技術(shù)負(fù)責(zé)人Clause Georg Bayreuther博士咨詢后，csi認(rèn)識(shí)到了xFK in 3D技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并設(shè)計(jì)了所要制造的ULBS座椅骨架。
Alba制造了用于生產(chǎn)CFRP座椅骨架的模具，并提供了工程支持。雖然該座椅骨架是由碳纖維纏繞而成，但天然纖維和玄武巖纖維也是很好的選擇。
一種混合材料的結(jié)構(gòu)
一種混合材料的結(jié)構(gòu)
除了骨架，ULBS座椅原型還包括其他一些新的創(chuàng)新。Alba提供了模具，還提供了座椅泡沫體的工裝、工程和制造支持并實(shí)施了座椅組裝。一種纖維絨墊覆蓋在座椅的CFRP骨架上，然后再覆蓋上3D打印的PUR泡沫，坐墊由傳統(tǒng)泡沫材料制成。
通過(guò)在座椅靠背的背板殼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用3D|CORE，進(jìn)一步減輕了重量。
3D|CORE是一種層內(nèi)增強(qiáng)芯（簡(jiǎn)稱IRC）材料，即以整體蜂窩形式存在的一種含擠出聚苯乙烯（XPS）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫芯體的結(jié)構(gòu)夾層芯。在復(fù)合材料部件的生產(chǎn)過(guò)程中，該蜂窩結(jié)構(gòu)由樹(shù)脂填充，從而帶來(lái)了極高的層內(nèi)強(qiáng)度。
將3D|Core放在兩層玻璃纖維之間，創(chuàng)造出一個(gè)預(yù)成型件，然后采用真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型（VA-RTM）工藝對(duì)其灌注熱塑性環(huán)氧樹(shù)脂。
科思創(chuàng)提供了其Dispercoll粘合劑，以用作纖維絨墊和3D打印的靠背墊的粘合劑。Herrmann介紹說(shuō)，Dispercoll粘合劑的力學(xué)性能確保了良好的耐磨性，這非常重要，因?yàn)閴|子與骨架之間的表面接觸，會(huì)引起絨墊磨損。
“如果你有單根纖維粗紗，當(dāng)你把它放入織物中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致硬的CFRP部件與絨墊之間產(chǎn)生微小移動(dòng)，從而使座椅骨架部件與織物之間產(chǎn)生摩擦，最終破壞織物。”Herrmann解釋道。
傳統(tǒng)的座椅通常有較大的表面積用來(lái)支撐軟墊，但采用xFK in 3D技術(shù)制成的骨架結(jié)構(gòu)，接觸表面積卻較小。
“當(dāng)xFK in 3D結(jié)構(gòu)推動(dòng)抓絨織物時(shí)，必須要采用一種特殊的且耐用的粘合劑，而這正是Dispercoll粘合劑所能提供的性能。”Herrmann補(bǔ)充道。
科思創(chuàng)還提供了據(jù)說(shuō)是世界上第一個(gè)3D打印的軟墊。雖然傳統(tǒng)的座椅靠背通常采用的是由模具成型的泡沫，但就美觀性、功能集成性和舒適性而言，由TPU制成的3D打印的座椅靠背墊，卻進(jìn)一步提高了ULBS座椅的靈活性和適應(yīng)性。
未來(lái)的座椅
ULBS項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了幾大目標(biāo)。由該項(xiàng)目產(chǎn)生的概念，雖然尚沒(méi)有走向市場(chǎng)，卻具有服務(wù)于眾多小眾市場(chǎng)的潛力，如超級(jí)跑車、空中出租車、超輕車輛、微型移動(dòng)車輛、直升機(jī)、多翼飛機(jī)和航空等。
不可否認(rèn)，雖然比量產(chǎn)汽車座椅更貴，但ULBS項(xiàng)目卻驗(yàn)證了幾項(xiàng)減少浪費(fèi)從而降低材料成本的技術(shù)。與其他碳纖維技術(shù)相比，xFK in 3D產(chǎn)生的浪費(fèi)極低。實(shí)際上，整個(gè)項(xiàng)目旨在使用最少的資源以及只使用必要的最少的材料。ULBS還提供了采用可再生、可持續(xù)資源的可能性，比如在骨架結(jié)構(gòu)、墊子和織物中使用天然纖維。
更重要的是，該項(xiàng)目證明了企業(yè)之間如何通過(guò)短而靈活的協(xié)作來(lái)縮短新產(chǎn)品的上市時(shí)間。這也是采用設(shè)計(jì)思維，通過(guò)關(guān)注功能要求以及展望未來(lái)應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而成功地將產(chǎn)品從概念轉(zhuǎn)變成硬件原型的一個(gè)很好的例子。
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